CN109980116A - 一种场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种场效应晶体管及其制备方法，方法包括以下步骤：在第一电极上制备第一绝缘层；通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层；在所述第二绝缘层上制备发光器件，得到场效应晶体管。本发明通过溶液法制备凹凸结构的第二绝缘层，该凹凸结构的存在会影响在其上制备得到的OLED器件或QLED器件的结构及性能，具体表现在增强器件的光提取率，提高器件的出光效率；本发明所述场效应晶体管的制备方法简单，成本低。

Description

一种场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及场效应晶体管领域，尤其涉及一种场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
近年来，量子点发光二极管（QLED）和有机发光二极管（OLED），因具备高亮度、低功耗、广色域、易加工等诸多优点，在照明和显示领域获得了广泛的关注。在微电子技术的快速发展背景下，场效应晶体管（FET）是微电子学中应用最广泛的器件之一。现有技术已有将FET与有机发光器件集成，通过晶体管栅压控制源漏电流来控制器件发光，从而使FET用于平板显示的驱动单元。
高性能发光场效应晶体管要求栅绝缘层具有良好的绝缘性能、电容性能，及较优的器件结构和性能，代表器件为有机发光场效应晶体管（OFET）。OFET主流的制备技术包括以热蒸镀和溅射为代表的真空镀膜技术，其具有成膜均匀性高、厚度可控及相对具备较高场效应迁移率等优点。尽管QLED器件发光效率取得了较大的突破，但受限于波导模、表面等离子体模等模式的限制，发光器件出光率仍然较低。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种场效应晶体管及其制备方法，旨在解决现有场效应晶体管出光效率低以及生产成本高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种场效应晶体管的制备方法，其中，包括以下步骤：
在第一电极上制备第一绝缘层；
通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层；
在所述第二绝缘层上制备发光器件，得到场效应晶体管。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层的步骤包括：
提供纳米球悬浮液和无机绝缘材料前驱体溶液；
将纳米球悬浮液和无机绝缘材料前驱体溶液混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液沉积于所述第一绝缘层上，进行干燥处理，使溶剂挥发，得到混合薄膜；
对混合薄膜进行退火处理，使无机绝缘材料前驱体发生反应形成无机绝缘材料，并使纳米球发生分解，形成具有凹凸结构的第二绝缘层。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层的步骤包括：
提供纳米球悬浮液和有机绝缘材料溶液；
将纳米球悬浮液和有机绝缘材料溶液混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液沉积于所述第一绝缘层上，进行干燥处理，使溶剂挥发，得到混合薄膜；
对混合薄膜进行退火处理，使纳米球发生分解，形成具有凹凸结构的第二绝缘层。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，所述无机绝缘材料前驱体溶液选自PHPS溶液或硝酸铝溶液。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，对混合薄膜进行退火处理的步骤中，所述退火处理的温度为100-400℃，所述退火处理的时间为0.2-3h。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，对混合薄膜进行退火处理的步骤中，所述退火处理的温度为100-220℃，所述退火处理的时间为0.2-3h。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，在干燥处理之后，还包括固化处理，所述固化处理包括在富含水汽、氨气或H2O2的环境中，进行UVO处理。
所述的场效应晶体管的制备方法，其中，所述纳米球悬浮液为PS纳米球悬浮液，其中PS纳米球占所述PS纳米球悬浮液的质量浓度为0.2-5%，和/或所述PS纳米球的直径为100-1000 nm。
一种场效应晶体管，其中，包括叠层设置的第一电极、第一绝缘层、凹凸结构的第二绝缘层、发光器件。
所述的场效应晶体管，其中，所述发光器件为OLED器件，所述OLED器件包括叠层设置的第二电极、有机发光层和第三电极；
或所述发光器件为QLED器件，所述QLED器件包括叠层设置的第二电极、量子点发光层和第三电极。
有益效果：本发明提供一种场效应晶体管的制备方法，通过溶液法制备凹凸结构的第二绝缘层，该凹凸结构的存在会影响在其上制备得到的OLED器件或QLED器件的结构及性能，具体表现在增强器件的光提取率，提高器件的出光效率；本发明所述场效应晶体管的制备方法简单，成本低。
附图说明
图1为本发明含PS纳米球悬浮液和PHPS溶液的混合溶液沉积于第一绝缘层上后的主视图。
图2为本发明含PS纳米球悬浮液和PHPS溶液的混合溶液沉积于第一绝缘层上后的俯视图。
图3为本发明凹凸结构的第二绝缘层的结构示意图。
图4为不含凹凸结构的场效应晶体管内部发射光的路径示意图。
图5为本发明含凹凸结构的场效应晶体管内部发射光的路径示意图。
图6为本发明场效应晶体管的结构示意图。
图7为传统场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种场效应晶体管及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种场效应晶体管的制备方法，其中，包括以下步骤：
100、在第一电极上制备第一绝缘层；
200、通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层；
300、在所述第二绝缘层上制备发光器件，得到场效应晶体管。
与传统通过蚀刻等方法相比，本发明通过溶液法制备凹凸结构的第二绝缘层，该凹凸结构的存在会影响在其上制备得到的OLED器件或QLED器件的结构及性能，具体表现在增强器件的光提取率，提高器件的出光效率；本发明所述场效应晶体管的制备方法简单，成本低。
在步骤100之前，还包括步骤：提供衬底，在所述衬底上制备第一电极。优选的，所述衬底为玻璃衬底；所述第一电极作为场效应晶体管（FET）的栅极，第一电极为透明电极，优选的，所述第一电极为ITO透明电极。
步骤100中，在第一电极上制备第一绝缘层。所述第一绝缘层的材料要求具备可透光性，其制备方法可选自溶液法或物理气相沉积法。优选的，所述第一绝缘层选自SiO2层、PI层、PMMA层和Al2O3层中的一种。下面对上述各材料的第一绝缘层的制备方法依次进行介绍。
所述第一绝缘层可选SiO2层，其制备方法包括如下步骤：首先，配制PHPS质量浓度为5%-30%的PHPS溶液；然后，通过旋涂法或喷墨打印法等溶液法沉积在第一电极上；最后，在40-70℃条件下进行退火处理，促使PHPS溶液中溶剂挥发及薄膜预固化，得到SiO2层。其中，采用旋涂法的工艺参数为：旋涂转速为500-8000rpm，旋涂时间为10-60s，优选的旋涂转速为3000rpm，旋涂时间为30s。其中，采用喷墨打印法的工艺参数为：喷头与衬底间距为5mm，喷头电压设置为5-20V。其中，退火处理的步骤中，退火的温度优选为55 ℃，退火的时间优选为30 min。进一步优选的，在40-70℃条件下退火处理结束后，还包括固化处理，所述固化处理包括将薄膜在富含水汽、氨气及H2O2的环境中进行UVO处理，同时进行退火处理，目的是提高固化效率；其中所述退火的温度为70-120 ℃，退火的时间为0.5-3 h，优选的退火温度为80 ℃，退火时间为1 h。
所述第一绝缘层可选PI层，其制备方法包括如下步骤：首先，将PI和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）按体积比1﹕1混合，配制得到PI溶液，然后，将所述PI溶液旋涂在第一电极上，然后在红外箱中干燥5分钟，之后在氩气氛围保护下，在温度为220℃的条件下进行退火固化处理3小时，得到所述PI层。
所述第一绝缘层可选PMMA层，其制备方法包括如下步骤：首先，将PMMA溶解于三氯甲烷或苯甲醚等溶剂中，配制成PMMA质量浓度为5%的PMMA溶液；然后，将所述PMMA溶液通过旋涂法旋涂在第一电极上，其中旋涂法的转速为2000-3000rpm；最后，进行退火处理，得到所述PMMA层，其中，所述退火的温度为80-120℃，所述退火的时间为5-15min。
所述第一绝缘层也可选Al2O3层，其制备方法包括如下步骤：首先，将硝酸铝溶解于乙醇中，配制成硝酸铝质量浓度为15-30%的硝酸铝溶液；然后，将硝酸铝溶液通过旋涂法旋涂在第一电极上，其中，旋涂法的转速为3000-6000rpm；最后，进行退火处理，得到所述Al2O3层，其中，所述退火的温度为200-400℃，所述退火的时间为0.5-2.5min。
本发明第二绝缘层材料可选择的范围与第一绝缘层材料可选择的范围相同，即可选无机绝缘材料，也可选有机绝缘材料，具体见上文。
当第二绝缘层的材料为无机绝缘材料时，步骤200包括：
201、提供纳米球悬浮液和无机绝缘材料前驱体溶液；
202、将纳米球悬浮液和无机绝缘材料前驱体溶液混合，得到混合溶液；
203、将所述混合溶液沉积于所述第一绝缘层上，进行干燥处理，使溶剂挥发，得到混合薄膜；
204、对混合薄膜进行退火处理，使无机绝缘材料前驱体发生反应形成无机绝缘材料，并使纳米球发生分解，形成具有凹凸结构的第二绝缘层。
步骤201中，所述纳米球悬浮液可以为PS纳米球悬浮液，所述PS纳米球悬浮液通过以下方法配制得到：将PS纳米球与去离子水混合，即可配制得到纳米球悬浮液。优选的，所述PS纳米球占所述PS纳米球悬浮液的质量浓度为0.2-5%，所述PS纳米球的直径为100-1000nm。需说明的是，本发明可选取单一直径PS纳米球制备有序凹凸结构，也可选取多直径PS纳米球制备无序凹凸结构。所述无机绝缘材料前驱体溶液可选自PHPS溶液或硝酸铝溶液等不限于此，对应的，最终形成的无机绝缘材料为SiO2或Al2O3。
步骤203中，所述干燥处理的条件：在50-100 ℃下进行干燥1-60 min，该过程主要促使溶剂挥发，并促进无机绝缘材料前驱体的初步水解缩合。本发明在干燥处理之后，还包括固化处理，所述固化处理包括在富含水汽、氨气或H2O2的环境中，进行UVO处理，以进一步提高固化效率。
步骤204中，所述退火处理的条件：退火处理的温度为100-400℃，退火处理的时间为0.2-3h。该过程主要促进无机绝缘材料前驱体的进一步水解缩合形成无机绝缘材料薄膜，并在高温条件下促使纳米球分解，以形成一层凹凸结构。
下面以纳米球悬浮液为PS纳米球悬浮液，无机绝缘材料前驱体溶液为PHPS溶液对第二绝缘层的制备进行详细说明。
1、分别配制PS纳米球悬浮液和PHPS溶液
所述PS纳米球悬浮液通过以下方法配制得到：将PS纳米球与去离子水混合，即可配制得到纳米球悬浮液。优选的，所述PS纳米球占所述PS纳米球悬浮液的质量浓度为0.2-5%，所述PS纳米球的直径为100-1000 nm。所述PHPS溶液通过以下方法配制得到：在干燥的惰性气氛（如氮气）保护下，将PHPS与溶剂（如乙醚）混合，并通过磁力搅拌的方式使PHPS充分溶解，得到所述PHPS溶液；其中所述PHPS占所述PHPS溶液的质量浓度为1-10%。
2、按所述PS纳米球悬浮液的溶质和所述PHPS溶液的溶质质量比为5:1-25:1，将所述PS纳米球悬浮液和PHPS溶液混合，得到所述混合溶液。
3、将混合得到的混合溶液通过溶液法沉积于所述第一绝缘层上，在50-100 ℃下进行干燥处理1-60 min，该过程主要促使溶剂挥发，并促进PHPS的初步水解缩合，得到混合薄膜。此时，如图1所示和图2所示，在所述第一绝缘层上形成了单层PS纳米球，PS纳米球间形成的空隙由PHPS溶液填充。
4、对混合薄膜进行退火处理，具体是在100-250 ℃下进行退火0.2-3 h，该过程主要促进PHPS的进一步水解缩合形成SiO2薄膜，并在高温条件下促使PS纳米球分解，以形成一层凹凸结构，见图3所示，所述第二绝缘层的材料为PHPS水解缩合形成的SiO2。
上述步骤3中，为提高PHPS的水解缩合速率，提高PHPS固化效率，在干燥处理后，还包括固化处理，所述固化处理包括在富含水汽、氨气及H2O2的环境中进行UVO处理。
本发明高温分解PS纳米球的同时，能使第二绝缘层材料颗粒（SiO2颗粒）之间发生粘结，材料孔隙尺寸和孔隙总数减少，烧结体密度明显增加，强度增加。同时在退火过程结束后，可进一步将冷却后单元置于四氢呋喃溶液中进行超声30 min处理，以除去残留的PS纳米球。
图4为不含凹凸结构时，场效应晶体管内部发射光的路径示意图，当发射光从发光层（有机发光层或量子点发光层）发出后，将有部分发射光因在功能层间发生折射后在衬底与空气界面处发生全反射效应，导致出射光损失，而造成器件的光提取率低；图5为含凹凸结构时，场效应晶体管内部发射光的路径示意图，当发射光从发光层发出后，凹凸结构对器件内部发射光起到汇聚作用，避免部分出射光因在功能层间发生折射后在衬底与空气界面处发生全反射效应，从而提高出光率。
当第二绝缘层的材料为有机绝缘材料时，步骤200包括：
201，、提供纳米球悬浮液和有机绝缘材料溶液；
202，、将纳米球悬浮液和有机绝缘材料溶液混合，得到混合溶液；
203，、将所述混合溶液沉积于所述第一绝缘层上，进行干燥处理，使溶剂挥发，得到混合薄膜；
204，、对混合薄膜进行退火处理，使纳米球发生分解，形成具有凹凸结构的第二绝缘层。
步骤201，中，关于纳米球和有机绝缘材料的选择在上文中有详细记载，在此不再赘述。
步骤203，中，本发明在干燥处理之后，还包括固化处理，所述固化处理包括在富含水汽、氨气或H2O2的环境中，进行UVO处理，以进一步提高固化效率。
步骤204，中，所述退火处理的温度为100-220℃，所述退火处理的时间为0.2-3h。该过程主要促使纳米球分解，以形成一层凹凸结构。
步骤300中，在所述第二绝缘层上制备发光器件，所述发光器件可以为OLED器件或QLED器件。其中，所述OLED器件包括第二电极、有机发光层和第三电极，所述QLED器件包括第二电极、量子点发光层和第三电极。也就是说发光层为有机发光层，相应的得到OLED器件，发光层为量子点发光层，相应的得到QLED器件。
本发明的场效应晶体管由电容单元和发光单元（OLED器件或QLED器件）相集成，其中所述电容单元包括第一电极、第一绝缘层、凹凸结构的第二绝缘层和第二电极，所述发光单元包括第二电极、有机发光层/量子点发光层和第三电极。其中所述第二电极作为发光单元的阴极或阳极，同时也是FET的源极，所述第二电极为透明电极，可通过溶液法或物理气相沉积方法制备得到。优选的，所述第二电极的材料可以为Ag纳米线或银纳米墨水或两者结合物、也可以为部分金属氧化物如IGZO、ZnO、IZO、WOx、VOx、NiOx或CuO等。其中，Ag纳米线电极的制备方法为：将质量浓度为3mg/mL的银纳米线-乙醇悬浊液，在800-6000rpm转速条件下旋涂60s，旋涂后退火2h制备得到银纳米线电极。IGZO电极制备方法为：将摩尔浓度为0.1-0.5mol/L的IGZO墨水，采用旋涂转速为500-5000rpm，旋涂10-60s沉积在第二绝缘层上；然后在100-500℃条件下进行预退火1-60min，然后在退火温度为100-500℃条件下进行后退火0.5-5h，得到IGZO电极，其中，优选的IGZO墨水的摩尔浓度为0.1mol/L，优选的旋涂转速为3000rpm，优选的旋涂时间为30s，优选的预退火温度为300℃，优选的预退火时间为5min，优选的后退火温度为450℃，优选的后退火时间为3h。
本发明所述发光单元可选OLED器件，所述OLED器件可以分为正装结构的OLED器件和倒装结构的OLED器件。当所述OLED器件为正装结构的OLED器件时，所述OLED器件包括从下往上叠层设置于第二绝缘层上的第二电极（所述第二电极作为阳极）、有机发光层和第三电极（所述第三电极作为阴极）。当所述OLED器件为倒装结构的OLED器件时，所述OLED器件包括从下往上叠层设置于第二绝缘层上的第二电极（所述第二电极作为阴极）、有机发光层和第三电极（所述第三电极作为阳极）。
本发明所述发光单元可选QLED器件，所述QLED器件可以分为正装结构的QLED器件和倒装结构的QLED器件。当所述QLED器件为正装结构的QLED器件时，所述QLED器件包括从下往上叠层设置于第二绝缘层上的第二电极（所述第二电极作为阳极）、量子点发光层和第三电极（所述第三电极作为阴极）。当所述QLED器件为倒装结构的QLED器件时，所述QLED器件包括从下往上叠层设置于第二绝缘层上的第二电极（所述第二电极作为阴极）、量子点发光层和第三电极（所述第三电极作为阳极）。
需说明的是，本发明不限于上述结构的OLED器件或QLED器件，还可进一步包括设置于阳极和有机发光层/量子点发光层之间的空穴功能层，所述空穴功能层包括空穴注入层和空穴传输层中的至少一种；设置于阴极和有机发光层/量子点发光层之间的电子功能层，所述电子功能层包括电子注入层和电子传输层中的至少一种。
下面对含空穴注入层、空穴传输层、电子注入层和电子传输层的OLED器件或QLED器件的制备方法进行说明。
当所述第二电极作为阴极时，依次在所述第二电极上制备电子注入层、电子传输层、有机发光层/量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层和第三电极（所述第三电极作为阳极），得到OLED器件或QLED器件。
当所述第二电极作为阳极时，依次在所述第二电极上制备空穴注入层、空穴传输层、有机发光层/量子点发光层、电子传输层、电子注入层和第三电极（所述第三电极作为阴极），得到OLED器件或QLED器件。
本发明上述各功能层的方法可通过溶液法制备得到。其中，所述电子传输层的材料优选具有高的电子传输性能的n型氧化锌，其厚度优选为30-60nm；所述电子注入层的材料可以选择低功函数的Ca、Ba等金属，也可以选择CsF、LiF、CsCO3等化合物。
所述有机发光层/量子点发光层可以选择常规的发光材料制备得到。优选的，有机发光层/量子点发光层的厚度为10-100nm。
所述空穴传输层、空穴注入层的材料可以根据实际需要进行选择，例如PEDOT:PSS,TFB等。所述空穴传输层和空穴注入层的厚度均优选为40-50nm。
所述第三电极可采用溶液法或蒸镀方法制备得到。若第三电极为阳极，则可选高功函材料，如ITO、Au、Pt、Cr及部分合金等。若第三电极为阴极，则可选低功函材料，如Al、Ag、Ni等。本发明所述第三电极作为发光单元的阴极或阳极，同时也是作为电容单元的漏电极。
本发明还提供一种场效应晶体管，其中，包括叠层设置的第一电极、第一绝缘层、凹凸结构的第二绝缘层、OLED器件或QLED器件。
作为举例，如图6所示，所述场效应晶体管自下至上包括叠层设置的衬底、第一电极、含凹凸结构的绝缘层（包括第一绝缘层和第二绝缘层，图中未示出）、第二电极、电子传输层、发光层、空穴传输层和第三电极。
作为对照，如图7所示，传统的所述场效应晶体管自下至上包括叠层设置的衬底、第一电极、不含凹凸结构的绝缘层、第二电极、电子传输层、发光层、空穴传输层和第三电极。
综上所述，本发明提供的一种场效应晶体管及其制备方法，通过溶液法制备凹凸结构的第二绝缘层，该凹凸结构的存在会影响在其上制备得到的OLED器件或QLED器件的结构及性能，具体表现在增强器件的光提取率，提高器件的出光效率；本发明所述场效应晶体管的制备方法简单，成本低。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一电极上制备第一绝缘层；
通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层；
在所述第二绝缘层上制备发光器件，得到场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层的步骤包括：
提供纳米球悬浮液和无机绝缘材料前驱体溶液；
将纳米球悬浮液和无机绝缘材料前驱体溶液混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液沉积于所述第一绝缘层上，进行干燥处理，使溶剂挥发，得到混合薄膜；
对混合薄膜进行退火处理，使无机绝缘材料前驱体发生反应形成无机绝缘材料，并使纳米球发生分解，形成具有凹凸结构的第二绝缘层。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，通过溶液法在所述第一绝缘层上制备凹凸结构的第二绝缘层的步骤包括：
提供纳米球悬浮液和有机绝缘材料溶液；
将纳米球悬浮液和有机绝缘材料溶液混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液沉积于所述第一绝缘层上，进行干燥处理，使溶剂挥发，得到混合薄膜；
对混合薄膜进行退火处理，使纳米球发生分解，形成具有凹凸结构的第二绝缘层。
4.根据权利要求2所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述无机绝缘材料前驱体溶液选自PHPS溶液或硝酸铝溶液。
5.根据权利要求2所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，对混合薄膜进行退火处理的步骤中，所述退火处理的温度为100-400℃，所述退火处理的时间为0.2-3h。
6.根据权利要求3所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，对混合薄膜进行退火处理的步骤中，所述退火处理的温度为100-220℃，所述退火处理的时间为0.2-3h。
7.根据权利要求2或3所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在干燥处理之后，还包括固化处理，所述固化处理包括在富含水汽、氨气或H2O2的环境中，进行UVO处理。
8.根据权利要求2或3所述的场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述纳米球悬浮液为PS纳米球悬浮液，其中PS纳米球占所述PS纳米球悬浮液的质量浓度为0.2-5%，和/或所述PS纳米球的直径为100-1000 nm。
9.一种场效应晶体管，其特征在于，包括叠层设置的第一电极、第一绝缘层、凹凸结构的第二绝缘层、发光器件。
10.根据权利要求9所述的场效应晶体管，其特征在于，所述发光器件为OLED器件，所述OLED器件包括叠层设置的第二电极、有机发光层和第三电极；
或所述发光器件为QLED器件，所述QLED器件包括叠层设置的第二电极、量子点发光层和第三电极。
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