CN111106241A - 聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用，所述聚苯乙烯的重均分子量为35000～500000，将其溶于有机溶剂中通过溶胶凝胶法制得致密的聚苯乙烯薄膜层。本发明使用该聚苯乙烯薄膜层作为有机薄膜晶体管的抗辐照保护层，有效提高该晶体管的抗辐照能力。聚苯乙烯薄膜层可以吸收辐照射线的能量，产生光交联，不仅可以有效减小晶体管中半导体层受到的辐照损伤，并且通过交联提高了聚苯乙烯薄膜层的电阻率，减小了晶体管内的栅漏电流。实施例结果表明，将聚苯乙烯应用于有机薄膜晶体管中作为抗辐照保护层，有效提高晶体管的抗辐照能力，保护晶体管的沟道，使晶体管在承受7.5 Mrad的总剂量辐照后，其工作性能参数仍能保持在原来的90%以上。
Description
技术领域
本发明属于聚苯乙烯的新用途，特别涉及一种聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用。
背景技术
自1971年至1985年期间，国外发射的39颗同步卫星因各种原因造成的故障共计1589次，其中与空间辐射有关的故障有1129次，占故障总数的71%，由此可见卫星和航天器的故障主要来源于空间辐射。而在众多空间辐射效应中，空间辐射总剂量效应是引起航天器故障最主要的因素之一。总剂量效应指的是电子器件的特性发生重大变化前，器件所能承受的总吸收能量级，超过这个能量级后电子器件就不能正常工作。总剂量效应会引起电子器件的物理效应如产生电子空穴对、引发更多的界面态，造成器件的阈值电压漂移、开关速度降低、迁移率下降等影响。
在聚苯乙烯的分子结构、分子量和其聚集态的共同作用下，该材料通常不吸收某些特定射线，或者在吸收射线后会产生光交联以致其耐辐照性能反而更好。若将聚苯乙烯应用于晶体管领域，可以预见其对晶体管的抗辐照加固作用。然而，考虑到目前技术最为成熟的硅基晶体管，通常使用二氧化硅以及硅材料，分别作为晶体管的介电层与半导体层，若直接将聚苯乙烯代替上述无机材料引入硅基晶体管中，不仅需要解决聚苯乙烯与硅基晶体管中固有无机材料的兼容性问题，同时还需要考虑到纳米工艺以及新材料引入技术的昂贵成本。此外，若仅仅是将聚苯乙烯像聚酰亚胺一样作为晶体管的封装层包裹在器件表面，无法大幅度阻挡射线对器件性能的恶化。
发明内容
通过对比以不同材料作为抗辐照保护层的有机薄膜晶体管的辐照前后电学性能，看到只有聚苯乙烯在晶体管中作为抗辐照保护层时才能有效提高该晶体管抗总剂量辐照的阈值，从而本发明提出了一种聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用。
本发明的具体技术方案是：
一种聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用，所述聚苯乙烯的重均分子量为35000～500000，玻璃化温度为95～105℃，其形貌为珠子或颗粒状的固态晶体，将其溶于有机溶剂中通过溶胶凝胶法制得平整且致密的聚苯乙烯薄膜层。其特征是将该聚苯乙烯薄膜层应用于有机薄膜晶体管中作为抗辐照保护层，其位置处于薄膜晶体管的栅极和半导体层之间，通过该保护层，吸收高剂量的伽马射线，从而提高晶体管的抗辐照能力，确保晶体管在经历了高剂量的辐照之后，仍能高效工作。
所述聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用，是指对抗伽马射线的总剂量辐照。
本发明考虑到晶体管制备的成本，以及材料兼容性等多方面因素，有机薄膜晶体管成为了聚苯乙烯在晶体管抗辐照加固应用的良好载体。其低成本的溶液法制备工艺，可以轻松的将高电阻率和高介电常数的聚苯乙烯作为其晶体管的抗辐照保护层，在保证其高电学性能的同时，还能大幅提高其抗辐照性。
本发明使用聚苯乙烯薄膜层作为有机薄膜晶体管的抗辐照保护层，制备出了高抗辐照性能的晶体管。聚苯乙烯薄膜层可以吸收辐照射线的能量，产生光交联，不仅可以有效减小晶体管中半导体层受到的辐照损伤，并且通过交联提高了其电阻率，减小了晶体管内的栅漏电流，使晶体管工作更加稳定。结果表明，将聚苯乙烯应用于有机薄膜晶体管中作为抗辐照保护层，晶体管的抗总剂量辐照承受能力可以提升至7.5 Mrad以上，远高于传统的硅基晶体管的承受能力。因聚苯乙烯原料来源广泛，合成工艺成熟，应用于器件中的工艺简单、成本低，材料本身无毒等特点，可以预期本发明专利会有很高的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1及对比例1的有机薄膜晶体管的结构示意图；
图2是普通商用金属-氧化物-半导体（MOS）硅基晶体管在0.6Mrad总剂量的伽马射线辐照前后电学特性对比图；
图3是抗辐照保护层材料为聚四氟乙烯（PTFE）的有机薄膜晶体管在不同总剂量的伽马射线辐照前后电学特性对比图；
图4是抗辐照保护层材料为聚苯乙烯（PS）的有机薄膜晶体管在不同总剂量的伽马射线辐照前后电学特性对比图。
具体实施方式
本发明表明由高分子材料制得的有机薄膜晶体管具有比传统硅晶体管更强的抗总剂量辐照能力，不仅如此，当选用聚苯乙烯作为晶体管的抗辐照保护层材料时，晶体管可以在承受超高剂量的伽马射线辐照过后，仍能保持辐照前的良好电学性能。基于上述现象，提出了聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用。
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
实施例1
抗辐照保护层材料为聚苯乙烯（PS）的薄膜晶体管制备
1）将一种新型的苯并噻二唑聚合物(IDT-BT)与氯苯以5mg/ml的质量体积比进行配置；将聚苯乙烯与乙酸丁酯以60mg/ml的质量体积比进行配置；配置所得的两种溶液于60℃加热板上溶解24小时。
2）大小为1.5cm×1.5cm的玻璃片经过去离子水、丙酮、乙醇等分别超声20分钟，用氮气枪吹干后作为衬底。
3）采用热蒸发的方式利用掩膜版在衬底上镀出沟道长60μm，宽为1200μm，且厚度为50nm的金电极以作为源电极和漏电极。将所得的源漏电极放到紫外臭氧清洗机里在60℃下清洗60分钟，以提高电极的功函数，降低电极与半导体层间的接触电阻。
4）将已配置好的IDT-BT溶液，以5000rpm的转速在步骤3）所制备的源电极和漏电极上进行旋涂，以制备晶体管的半导体层。旋涂完成后，将样品放在温度为50℃的加热板上加热退火3小时。
5）将配制完的浓度配比为60mg/ml的聚苯乙烯溶液以转速3000rpm在步骤4）所得的样品上表面进行旋涂，以制备晶体管的抗辐照保护层，旋涂完成后，将样品放在温度为40℃的加热板上退火16小时。
6）利用常规的真空热蒸发法通过掩膜版在步骤5）所得的样品上表面制备60nm的金，作为栅电极；至此，一种抗辐照保护层材料为聚苯乙烯的有机薄膜晶体管制备完毕。其结构如图1所示。
对比例1
抗辐照保护层材料为聚四氟乙烯（PTFE）的薄膜晶体管制备
1）将一种新型的苯并噻二唑聚合物IDT-BT与氯苯以5mg/ml的质量体积比进行配置；将聚四氟乙烯与全氟萘烷以60mg/ml的质量体积比进行配置；配置所得的溶液于60℃加热板上溶解24小时。
2）大小为1.5cm×1.5cm的玻璃片经过去离子水、丙酮、乙醇等分别超声20分钟，用氮气枪吹干后作为衬底。
3）采用热蒸发的方式利用掩膜版在衬底上蒸镀出沟道长60μm，宽为1200μm，且厚度为50nm的金电极以作为源电极和漏电极。将所得的源电极和漏电极放到紫外臭氧清洗机里在60℃下清洗60分钟，以调控电极的功函数。
4）将已配置好的IDT-BT溶液，以5000rpm的转速在步骤3）所处理过后的源电极和漏电极上进行旋涂，以制备晶体管的半导体层。旋涂完成后，将样品放在温度为50℃的加热板上加热退火3小时。
5）将配制完的浓度配比为60mg/ml的聚四氟乙烯溶液以转速3000rpm在步骤4）所得的样品上表面进行旋涂，以制备晶体管的抗辐照保护层。旋涂完成后，将样品放在温度为40℃的加热板上退火16小时。
6）利用常规的真空热蒸发法在步骤5）所得的样品上表面制备60nm的金，作为栅电极；至此，一种抗辐照保护层材料为聚四氟乙烯的有机薄膜晶体管制备完毕。
实施例1与对比例1所制得的晶体管的结构如图1所示。
实施例2
不同种类晶体管辐照前后电学性能对比
1）使用半导体参数分析仪测试普通商用MOS硅基晶体管、以及对比例1及实施例1所制作的抗辐照保护层材料为PTFE的有机薄膜晶体管和抗辐照保护层材料为PS的有机薄膜晶体管，基于所得的转移特性曲线来提取晶体管的迁移率、开关比和亚阈值摆等电学参数，作为晶体管辐照前的参考参数。
2）设置实验条件1，该实验条件下晶体管距离钴-60放射源70cm，以控制该位置的剂量率为1.2kGy/h；设置实验条件2，该实验条件下晶体管距离钴-60放射源25cm，以控制该位置的剂量率为4.15kGy/h；设置实验条件3，该实验条件下晶体管距离钴-60放射源10cm，以控制该位置的剂量率为10.3kGy/h；设置实验条件4，该实验条件下晶体管距离钴-60放射源5cm，以控制该位置的剂量率为15.1kGy/h。
3）将若干个普通商用MOS硅晶体管、以PTFE为抗辐照保护层材料的晶体管和以PS为抗辐照保护层材料的晶体管放置在实验条件1、2、3、4中，控制辐照时间为5小时。晶体管统一沿着从衬底到栅极的方向，指向钴-60放射源进行摆放，控制伽马射线从晶体管栅极到衬底的方向进行辐照。所得实验条件1、2、3、4下的晶体管所受的辐照总剂量分别为0.6Mrad、2Mrad、5Mrad、7.5Mrad。
4）再次使用半导体参数分析仪测试步骤3）中辐照过后的晶体管，对其辐照前后电学性能进行对比分析。
实施例2中，不同种类晶体管辐照前后电学性能进行对比分析图如下所示：图2是普通商用MOS硅晶体管在0.6Mrad总剂量的伽马射线辐照前后特性对比图；图3是抗辐照保护层材料为聚四氟乙烯（PTFE）的有机薄膜晶体管在不同总剂量的伽马射线辐照前后特性对比图；图4是抗辐照保护层材料为聚苯乙烯（PS）的有机薄膜晶体管在不同总剂量的伽马射线辐照前后特性对比图。
由图2可见，普通未经抗辐照加固处理的硅晶体管，在仅承受0.6Mrad总剂量的伽马射线辐照后，其转移特性曲线已从原来的光滑曲线变成了一条直线。这表示该晶体管已不具备栅压控制能力，已不能正常工作。这是因为其低抗辐照性能的绝缘层（二氧化硅），在仅0.6 Mrad总剂量的伽马射线辐照后，其基本的物理特性如绝缘性、刚性等已被改变。由于其低绝缘性，导致晶体管工作时被完全击穿。
对比图2、3可见, 以PTFE为抗辐照保护层材料的有机薄膜晶体管有着比常规硅晶体管更优越的抗辐照性能，然而在其辐照总剂量超过0.6Mrad后，其阈值电压已开始漂移，超过5Mrad后，甚至其迁移率、开关比以及亚阈值摆幅等参数已开始严重退化，这个时候该晶体管的已失去了它的栅控能力，其抗辐照性能仍有提升空间。
对比图2、3、4可见，以PS为抗辐照保护层材料的有机薄膜晶体管确实有着非常优异的抗辐照性能。只有以PS为抗辐照保护层的晶体管在承受了7.5Mrad的总剂量辐照后，仍能保持与辐照前几乎一致的电学性能。通过统计超过15个以上的不同抗辐照保护层的薄膜晶体管的电学性能，看出以PS为抗辐照保护层的薄膜晶体管的迁移率、开关比、阈值电压与亚阈值摆幅在7.5 Mrad总剂量辐照前后变化率小于10%，对于以PTFE为抗辐照保护层的薄膜晶体管，其上述值的变化率均超过了60%。由此可见，将聚苯乙烯薄膜层应用于薄膜晶体管中作为的抗辐照保护层，可以确保晶体管在经历了超过7.5Mrad的总计量辐照之后，仍能保持优秀的工作性能。
本发明首次将绝缘栅场效益管的抗伽马射线辐照总剂量提升至7.5Mrad以上，充分发挥了聚苯乙烯的抗辐照作用，使其与其他高分子聚合物结合，制作出了稳定高效的抗总剂量辐照的晶体管。将聚苯乙烯应用在薄膜晶体管作为抗辐照保护层，可以大幅度的提高晶体管的抗辐照能力，为我国的航空航天以及军用器件提供了更多的选择。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (2)
1.一种聚苯乙烯在有机薄膜晶体管抗辐照中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述聚苯乙烯的重均分子量为35000～500000，玻璃化温度为95～105℃，其形貌为珠子或颗粒状的固态晶体，将其溶于有机溶剂中通过溶胶凝胶法制得致密的聚苯乙烯薄膜层；将该聚苯乙烯薄膜层应用于有机薄膜晶体管中作为抗辐照保护层，其位置处于薄膜晶体管的栅极和半导体层之间，通过该保护层，吸收高剂量的伽马射线，提高晶体管的抗辐照能力，使晶体管在经历高剂量的辐照后，仍能正常工作。
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