CN109616579A - 一种无电子传输层有机半导体器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无电子传输层有机半导体器件及其制备方法，所述器件自下而上依次包括透明衬底、有机材料薄膜、金属Ti薄膜和金属电极薄膜，其制备方法为：首先在透明衬底表面制备一层有机材料薄膜，再利用热蒸发、电镀或磁控溅射的方法在有机材料薄膜表面制备一层金属Ti薄膜，最后再在Ti薄膜表面覆盖一层金属电极材料，从而获得该无电子传输层有机半导体器件。本发明采用无电子传输层结构的器件，可以大幅简化薄膜制备工艺，免除部分材料的使用，从而实现简化器件制备的工艺环节，提高器件的良品率、降低制造成本。

Description

一种无电子传输层有机半导体器件及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种无电子传输层有机半 导体器件及其制备方法。
背景技术
随着有机光伏电池、发光二极管、探测器等新型半导体器件的兴 起，新的有机类材料和器件层出不穷，尤其是在有机发光二极管 (OLED)、柔性可穿戴电子设备等方面具有巨大的应用前景，其相关 领域也受到了广泛的关注。目前，有机类器件一般都具有典型的“三 明治结构”，以反式器件为例，具备“导电玻璃/空穴输运层/有机功能 层/电子输运层/金属电极”结构。具体到实际生产中，载流子输运层 由多层有机或无机材料组合而成，如商用OLED器件中的电子输运层 通常为5层，整个器件由17层材料组成。输运层的出现是为了调节 功函，改善有机材料与无机或金属电极之间的接触，提高电极对载流 子的收集能力、避免载流子界面处的复合。然而，这些输运层也带来 了一系列的问题：首先，器件制造工艺大幅复杂化，复杂的器件结构 会降低良品率；其次，输运层材料的价格昂贵，远远超过电极和功能 层材料的价格；再次，输运层材料的本身稳定性也会给器件性能带来 不利影响。总之，输运层的出现虽然提升了器件性能，但是也给器件 制备工艺、器件成本、器件稳定性等诸多方面带来了不利的影响。因 此，开发一种设备简单易行、可操作、效果显著、使用成本低廉、高 稳定性的无电子输运层有机半导体器件具有重要的经济、社会和现实 意义。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设 计合理的一种无电子传输层有机半导体器件及其制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种无电子传输层有机半导体器件，该器件自下而上依次包括透 明衬底、有机材料薄膜、金属Ti薄膜和金属电极薄膜。
作为本发明的进一步优化方案，所述透明衬底为ITO玻璃，所述 有机材料薄膜为纯有机材料薄膜、有机-无机材料复合材料薄膜或有 机-无机杂化材料薄膜。
作为本发明的进一步优化方案，所述金属电极薄膜为金属Au电 极薄膜、金属Ag电极薄膜或金属Cu电极薄膜。
一种如上述所述的无电子传输层有机半导体器件的制备方法，包 括以下步骤：
S1：有机材料薄膜的制备
取ITO玻璃作为透明衬底，于其表面均匀制备一层有机材料薄膜， 得到覆盖有机材料薄膜的衬底；
S2：金属Ti薄膜的制备
取步骤S1制备的覆盖有机材料薄膜的衬底，在有机材料薄膜表 面沉积金属Ti薄膜，得覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底；
S3：金属电极薄膜的制备
取上述步骤S2获得的覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底， 在金属Ti薄膜表面沉积金属电极薄膜，即获得该无电子传输层有机 半导体器件。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中的有机材料薄膜 的厚度为X。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中金属Ti薄膜的制 备方法为热蒸发、磁控溅射或电镀技术。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S2中所述金属Ti薄膜 的厚度不超过30nm。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中金属电极薄膜的 制备方法为热蒸发、磁控溅射或电镀技术。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中所述金属电极薄 膜的厚度为30～200nm
本发明的有益效果在于：
1)本发明采用无电子传输层结构的器件，可以大幅简化薄膜制 备工艺，免除部分材料的使用，从而实现简化器件制备的工艺环节， 提高器件的良品率、降低制造成本；
2)本发明中金属Ti有效的阻挡了金属材料向有机功能层中的扩 散，可以提升有机器件的寿命，金属Ti薄膜与有机材料薄膜有着良 好的浸润性，可以避免界面空泡的出现，有效降低电极的接触电阻， 提高器件的开路电压；
3)本发明中金属Ti可以与界面处有机材料中的氮、碳等元素成 键，形成钝化膜，有利于电荷的输运，以及有机材料表面缺陷的钝化， 可以大幅提升有机器件的短路电流。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的扫描电镜图；
图3是本发明的飞行时间质谱图；
图4是本发明的X射线能谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是， 以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对 本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对 本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，一种无电子传输层有机半导体器件，该器件自下而 上依次包括透明衬底、有机材料薄膜、金属Ti薄膜和金属电极薄膜， 所述透明衬底为ITO玻璃，所述有机材料薄膜为纯有机材料薄膜、有 机-无机材料复合材料薄膜或有机-无机杂化材料薄膜，所述金属电极 薄膜为金属Au电极薄膜、金属Ag电极薄膜或金属Cu电极薄膜。
一种如上述所述的无电子传输层有机半导体器件的制备方法，包 括以下步骤：
S1：有机材料薄膜的制备
取透明ITO玻璃为衬底，于其表面均匀制备一层有机材料薄膜， 得到覆盖有有机材料薄膜的衬底；
S2：金属Ti薄膜的制备
取步骤S1制备的覆盖有机材料薄膜衬底，通过热蒸发、磁控溅 射或电镀技术方法在有机材料薄膜表面沉积金属Ti薄膜，得覆盖有 金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底，所述金属Ti薄膜厚度不超过 30nm；
S3：金属电极薄膜的制备
取上述步骤S2获得的覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底， 通过热蒸发、磁控溅射或电镀方法在金属Ti薄膜表面沉积金属电极 薄膜，即获得该无电子传输层有机半导体器件，所述金属电极薄膜厚 度为30～200nm。
实施例1
一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：有机材料薄膜的制备
取透明的ITO玻璃作为衬底材料，于其表面均匀制备一层空穴传 输层和有机发光层薄膜，得到覆盖有机材料薄膜的衬底；
S2：金属Ti薄膜的制备
取步骤S1制备的衬底，通过热蒸发技术在有机材料薄膜表面沉 积2nm厚的金属Ti薄膜，得覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬 底；
S3：金属电极薄膜的制备
取上述步骤S2获得的覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底， 通过磁控溅射技术在金属Ti薄膜表面沉积厚度为80nm的金属Au电 极薄膜，即获得该半导体器件。
实施例2
一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：有机材料薄膜的制备
取透明的ITO玻璃作为衬底材料，于其表面均匀制备一层PTAA 有机导电层和甲胺铅碘光敏层薄膜，得到覆盖有机-无机杂化材料薄 膜的衬底；
S2：金属Ti薄膜的制备
取步骤S1制备的衬底，通过电镀技术在有机-无机材料薄膜表面 沉积15nm厚的金属Ti薄膜，得覆盖有金属Ti薄膜和有机-无机杂化 材料薄膜的衬底；
S3：金属电极薄膜的制备
取上述步骤S2制得的衬底，通过热蒸发技术在金属Ti薄膜表面 沉积厚度为100nm的金属Ag电极薄膜，即获得该半导体器件。
实施例3
一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：有机材料薄膜的制备
取透明的ITO玻璃作为衬底材料，于其表面均匀制备一层PTAA 有机导电层和甲胺铅碘光敏层薄膜，得到覆盖有机-无机杂化材料薄 膜的衬底；
S2：金属Ti薄膜的制备
取步骤S1制备的衬底，通过电镀技术在有机-无机材料薄膜表面 沉积30nm厚的金属Ti薄膜，得覆盖有金属Ti薄膜和有机-无机杂化 材料薄膜的衬底；
S3：金属电极薄膜的制备
取上述步骤S2制得的衬底，通过热蒸发技术在金属Ti薄膜表面 沉积厚度为200nm的金属Cu电极薄膜，即获得该半导体器件。
实施例4
以有机材料薄膜与金属电极材料薄膜直接接触的半导体器件作 为对照组，其制备过程与实施例1类似，只是去除步骤S2的金属Ti 薄膜结构。
实施例5
为进一步检测制备的半导体器件的相关性能，进行了以下表征测 试：
如图2所示，(a)显示的是Au电极薄膜直接与有机材料薄膜接触， 二者不浸润，有明显的空洞；(b)显示的是多层金属电极薄膜与有机材料 薄膜浸润性良好，整体薄膜平整，厚度一致。表明金属Ti薄膜与有机材料 薄膜有着良好的浸润性，可以避免界面空泡的出现，有效降低电极的接触 电阻，提高器件的开路电压。
如图3所示，为飞行时间质谱对该半导体器件的薄膜内部不同厚度区 域的元素分析结果，其结果表明：金属Ti薄膜可以阻碍上层Au电极向有 机材料薄膜中的扩散，可以提升有机器件的寿命。
如图4所示，为金属Ti薄膜与有机材料薄膜界面处的X射线能谱图， 其结果表明：在二者界面处的金属Ti与有机材料中的N原子相结合，形成 TiN结构，并形成钝化膜，有利于电荷的输运，以及有机材料表面缺陷的钝 化，可以大幅提升有机器件的短路电流。
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本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 (8)

1.一种无电子传输层有机半导体器件，其特征在于：该器件自下而上依次包括透明衬底、有机材料薄膜、金属Ti薄膜和金属电极薄膜。
2.根据权利要求1所述的无电子传输层有机半导体器件，其特征在于：所述透明衬底为ITO玻璃，所述有机材料薄膜为纯有机材料薄膜、有机-无机材料复合材料薄膜或有机-无机杂化材料薄膜。
3.根据权利要求1所述的无电子传输层有机半导体器件，其特征在于：所述金属电极薄膜为金属Au电极薄膜、金属Ag电极薄膜或金属Cu电极薄膜。
4.一种如权利要求1所述的无电子传输层有机半导体器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：有机材料薄膜的制备
取ITO玻璃作为透明衬底，于其表面均匀制备一层有机材料薄膜，得到覆盖有机材料薄膜的衬底；
S2：金属Ti薄膜的制备
取步骤S1制备的覆盖有机材料薄膜的衬底，在有机材料薄膜表面沉积金属Ti薄膜，得覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底；
S3：金属电极薄膜的制备
取上述步骤S2获得的覆盖有金属Ti薄膜和有机材料薄膜的衬底，在金属Ti薄膜表面沉积金属电极薄膜，即获得该无电子传输层有机半导体器件。
5.根据权利要求4所述的一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中金属Ti薄膜的制备方法为热蒸发、磁控溅射或电镀技术。
6.根据权利要求4所述的一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述金属Ti薄膜的厚度不超过30nm。
7.根据权利要求4所述的一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中金属电极薄膜的制备方法为热蒸发、磁控溅射或电镀技术。
8.根据权利要求4所述的一种无电子传输层有机半导体器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中所述金属电极薄膜的厚度为30～200nm。
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