CN109244239A - 一种锆掺杂有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锆掺杂有机薄膜晶体管及其制备方法，该锆掺杂有机薄膜晶体管包括衬底以及在衬底表面依次层叠的栅电极、镧锆氧化物介电薄膜、PαMS薄膜、并五苯有缘层和源漏电极。该制备方法首先在清洗干净的衬底上沉积底栅电极，然后将镧锆氧化物前驱体涂覆在栅电极上后进行热处理，制得镧锆氧化物介电薄膜，接着在介电薄膜上旋涂修饰层，最后制备有源层和源漏电极，即可得到锆掺杂有机薄膜晶体管。本发明的锆掺杂有机薄膜晶体管具有低工作电压和高迁移率，其制备方法条件温和、操作简单、制备成本低。
Description
技术领域
本发明涉及有机电子学领域，尤其涉及一种锆掺杂有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
有机薄膜晶体管(OTFTs)在未来显示、逻辑、存储等器件，尤其是在柔性电子器件中有着广泛的应用前景。介电层作为OTFTs的重要部分，对晶体管性能，如开启电压、半导体生长形貌等有重要影响。
目前晶体管普遍以SiO2为介电层，但SiO2的介电常数(K＝3.9)较低，使晶体管的工作电压较大。同时，为满足社会对器件小型化的需求，OTFTs中的SiO2介电层物理厚度越来越薄，出现了器件漏电迅速增大、器件功耗增加的问题。若OTFTs采用高K介电材料作为介电层，则可在相同的物理厚度下提供更大的电容，可降低漏电流以及工作电压，使器件在低压下工作，降低器件的总体功耗。
目前大部分的高K介电材料是通过脉冲激光沉积、磁控溅射、原子层沉积等方法进行制备，这些制备方法需要在真空环境或者惰性气体保护下进行，操作复杂、成本高。而利用化学液相法可以实现在空气环境中低成本、大面积制备高K介电薄膜，且与柔性基底展现出良好的匹配性，为进一步的柔性OTFTs的制备提供了高介电常数、低漏电流的介电层薄膜，表现出良好的电学性能。
镧氧化物是一种具有较高介电常数的材料，将其应用在晶体管作为介电层可有效降低器件所需的工作电压。尽管如此，镧氧化物单独作为介电层依然存在单位面积电容和介电常数不足的问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种锆掺杂有机薄膜晶体管，该晶体管具有低工作电压和高迁移率，其中介电层具有很好的单位面积电容和介电常数。
该锆掺杂有机薄膜晶体管包括衬底以及在衬底表面依次层叠的栅电极、镧锆氧化物介电薄膜、PαMS薄膜、并五苯有缘层和源漏电极。
相对于现有技术，本发明的有机薄膜晶体管采用镧锆氧化物介电薄膜作为介电层，锆与镧二者的氧化物协同作用使薄膜具有良好的绝缘性和高介电常数，从而使有机薄膜晶体管具有低工作电压和高迁移率。
进一步，所述镧锆氧化物介电薄膜中La与Zr的摩尔比为1:3-3:1。
进一步，根据权利要求8所述锆掺杂有机薄膜晶体管，其特征在于：并五苯有缘层的厚度为30-50nm。
本发明还提供该锆掺杂有机薄膜晶体管的制备方法，该方法在空气环境下采用溶液法制备得到具有高介电常数的锆掺杂介电薄膜，并将该介电薄膜用作有机薄膜晶体管的介电层。该方法操作简单、操作条件温和、制备成本低。
本发明所述锆掺杂有机薄膜晶体管的制备方法包括以下步骤：
S1：制备栅电极：在衬底上沉积底栅电极；
S2：制备介电薄膜：将镧锆氧化物前驱体溶液涂覆在栅电极上后进行热处理，制得镧锆
氧化物介电薄膜；
S3：制备修饰层：在步骤S2得到的镧锆氧化物介电薄膜上旋涂PαMS溶液，再经过热处理得到PαMS薄膜作为修饰层；
S4：制备有源层：采用热蒸发法在PαMS薄膜上沉积并五苯有源层；
S5：制备源漏电极：在步骤S4得到的并五苯有源层上沉积金属源漏电极，得到锆掺杂有机薄膜晶体管。
相对于现有技术，本发明的制备方法在有机镧溶液中掺杂入有机锆，可显著提高有机镧的溶解度。采用溶液法将锆掺杂到晶体管的介电层中，条件温和、操作简单、制备成本低，能够制备出具有优良绝缘性和高介电常数的介电层，使最终制得的晶体管具有较低的工作电压和较高的迁移率。
进一步，步骤S2中所述镧锆氧化物前驱体溶液的制备方法为，将乙酰丙酮锆和乙酰丙酮镧溶于有机溶剂中，其中La与Zr的摩尔比为1:3-3:1，在该范围内，所得的介电薄膜的单位面积电容和介电常数均大于纯氧化镧薄膜或氧化锆薄膜，且具有较低的漏电性能。
进一步，步骤S2中所述热处理为在空气氛围、160-200℃下退火1-2h。
进一步，步骤S3中所述热处理为在100-140℃下退火5-20min。
进一步，所述并五苯有缘层的厚度为30-50nm。
进一步，所述金属源漏电极为铜源电极或金源电极，厚度为30-50nm。
附图说明
图1为介电薄膜的IV特性曲线；
图2为介电薄膜的Cf特性曲线；
图3为介电薄膜的表面AFM图；
图4为有机薄膜晶体管的结构示意图；
图5为有机薄膜晶体管的转移特性曲线。
具体实施方式
本发明采用溶液法制备了镧锆氧化物介电薄膜，并以该镧锆氧化物介电薄膜为介电层制备了掺锆有机薄膜晶体管，降低了有机薄膜晶体管的工作电压、提高了迁移率。以下通过具体实施例并结合附图来详细说明本发明的技术方案。
本发明的锆掺杂有机薄膜晶体管的制备方法包括以下步骤：
S1：制备栅电极：在清洗干净的衬底上沉积底栅电极。
具体地，选取PET柔性衬底，裁剪成1.5cm×1.5cm的正方形，依次使用丙酮、异丙醇、去离子水、无水乙醇对其进行超声清洗，然后用用氮气吹干。接着，在高真空环境下使用热蒸发法在该PET柔性衬底上以0.02nm/s的速度沉积20nm的Au栅电极。
S2：制备介电薄膜：将乙酰丙酮锆和乙酰丙酮镧溶于有机溶剂中得到镧锆氧化物前驱体溶液，将该镧锆氧化物前驱体涂覆在栅电极上后进行热处理，制得镧锆氧化物介电薄膜。
具体地，将乙酰丙酮锆、乙酰丙酮镧溶于DMF中，配制成浓度为0.16mol/L的溶液，在90℃的水浴加热中搅拌反应16h，得到镧锆氧化物前驱体溶液，该前驱体溶液中镧与锆的摩尔比如下表所示。然后使用0.22μm的滤嘴过滤该前驱体溶液，在步骤S1所得的栅电极上旋涂该前驱体溶液，最后在空气氛围下以160℃退火1h，制得介电薄膜。
S3：制备修饰层：在步骤S2得到的样品上旋涂PαMS溶液，再经过热处理得到PαMS薄膜作为修饰层。
即在步骤S3的介电薄膜上旋涂0.2％wt PαMS溶液，在120℃下退火5min，制得PαMS修饰层。
S4：制备有源层：采用热蒸发法在PαMS薄膜上沉积并五苯有源层。即，在8×10-4Pa高真空环境下使用热蒸发法在PαMS薄膜上以0.02nm/s的速率沉积40nm的并五苯有源层。
S5：制备源漏电极：在步骤S4得到的样品上沉积金属源漏电极，得到锆掺杂有机薄膜晶体管。即，在8×10-4Pa高真空环境下使用热蒸发法在并五苯薄膜上以0.02nm/s的速率沉积40nm的Au源漏电极。
对步骤S2制得的介电薄膜(其中实施例1-3中La与Zr的比例为3:1-1:3，所形成的介电薄膜为镧锆氧化物LaZrO；在对比例1中，La与Zr的比例为0:1，所形成的介电薄膜为ZrO2；在对比例2中，La与Zr的比例为1:0，所形成的介电薄膜为La2O3)进行电学性能测试，结果如下：
请参看图1，该图是步骤S2制得的介电薄膜的IV特性曲线。图1反映，随着镧含量地增多，介电薄膜的漏电特性越好。请同时参看图2，该图是介电薄膜的Cf特性曲线。从图2可以看出，随着锆掺杂量的增加，介电薄膜的单位面积电容和介电常数逐渐增大。没有掺杂锆的La2O3介电薄膜的单位面积电容小于250nF/cm2；而当La与Zr的比例为3:1-1:3时，介电薄膜的单位面积电容增加到260-360nF/cm2；当介电薄膜为纯ZrO2时，单位面积电容增加到400nF/cm2左右。图3是介电薄膜的表面AFM图，该图反映，没有掺杂锆的La2O3介电薄膜表面粗糙度为1.665nm；随着锆掺杂量的增加，介电薄膜的表面粗糙度明显降低。尤其是当La与Zr的比例为1:3时，介电薄膜的表面粗糙度低至226.133pm；当介电薄膜为纯ZrO2时，介电薄膜的表面粗糙度也只有269.129pm。可见，在介电薄膜中掺杂锆，可明显提高介电薄膜的光滑度，提供更加平整的平面，可为进一步的半导体生长提供良好的基础。
请参看图4，该图为本发明制备的有机薄膜晶体管的结构示意图。本发明所制备的有机薄膜晶体管包括衬底10以及在衬底10表面依次层叠的栅电极20、介电薄膜30、修饰层40、并五苯有缘层50和源漏电极60，其中衬底10为PET柔性衬底，栅电极20为Au电极，修饰层40为PαMS薄膜。请同时参看图5，该图是有机薄膜晶体管的转移特性曲线。图5反映，在介电薄膜中掺杂锆后，有机薄膜晶体管的开态电流明显增大，同时迁移率也增高。这种性能的提高有赖于LaZrO为半导体的生长提供了更平滑的表面，使晶体管具有更好的半介界面，有利于半导体的生长以及载流子的传输。此外，在室温下使用安捷伦B1500A高精度半导体分析仪对本发明制备的高掺杂有机晶体管进行测量，测得其工作电压为3V，迁移率为0.33-0.34cm2/V·s，阈值电压0.81-0.89V，亚阈值斜率0.16-0.19V/dec，开关比>105。
相对于现有技术，本发明将锆掺杂到镧氧化物中，能有效降低介电薄膜的粗糙度，改善介电薄膜与修饰层之间的界面状态，为进一步的半导体生长提供良好的基础；还能够显著提高介电薄膜的单位面积容量和介电常数。使用锆镧氧化物作为晶体管介电层，可有效提高晶体管的迁移率，降低晶体管的工作电压。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种锆掺杂有机薄膜晶体管，其特征在于：包括衬底以及在衬底表面依次层叠的栅电极、镧锆氧化物介电薄膜、PαMS薄膜、并五苯有缘层和源漏电极。
2.根据权利要求1所述锆掺杂有机薄膜晶体管，其特征在于：所述镧锆氧化物介电薄膜中La与Zr的摩尔比为1:3-3:1。
3.根据权利要求2所述锆掺杂有机薄膜晶体管，其特征在于：并五苯有缘层的厚度为30-50nm。
4.一种锆掺杂有机薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备栅电极：在衬底上沉积底栅电极；
S2：制备介电薄膜：将镧锆氧化物前驱体溶液涂覆在栅电极上后进行热处理，制得镧锆氧化物介电薄膜；
S3：制备修饰层：在步骤S2得到的镧锆氧化物介电薄膜上旋涂PαMS溶液，再经过热处理得到PαMS薄膜作为修饰层；
S4：制备有源层：采用热蒸发法在PαMS薄膜上沉积并五苯有源层；
S5：制备源漏电极：在步骤S4得到的并五苯有源层上沉积金属源漏电极，得到锆掺杂有机薄膜晶体管。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤S2中所述镧锆氧化物前驱体溶液的制备方法为，将乙酰丙酮锆和乙酰丙酮镧溶于有机溶剂中，其中La与Zr的摩尔比为1:3-3:1。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤S2中所述热处理为在空气氛围、160-200℃下退火1-2h。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：步骤S3中所述热处理为在100-140℃下退火5-20min。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：所述并五苯有缘层的厚度为30-50nm。
9.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于：所述金属源漏电极为铜源电极或金源电极，厚度为30-50nm。
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