CN112531112B - 一种超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法。该有机薄膜晶体管包括衬底、介电层、半导体沟道层和源/漏电极，其中介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。其制备方法包括如下步骤：在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；制备源/漏电极。本发明采用铁电性氧化物作为介电层，其引入的负电容效应在有机薄膜晶体管中打破了玻尔兹曼极限，获得了室温下小于60mV/dec的亚阈值摆幅和大于38.7S/A的跨导效率，本征增益达到4.7×104，比已报导结果高一个量级以上。该有机薄膜晶体管还可制备在柔性衬底上，在柔性低功耗电路、皮肤电子、射频标签、显示驱动等领域具有广泛的潜在应用。

Description

一种超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管及其制备方法，特别涉及一种基于铁电介质层的超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法，属于有机半导体电子器件技术领域。
背景技术
有机薄膜晶体管已经广泛应用于印刷电子及可穿戴电子领域。许多重要应用，如物联网、射频电子标签、可穿戴传感器等，都要求电子器件可以在较低的工作电压内提供足够的电流来驱动电路，或者具有很高的增益，用于小信号放大。然而，与碳纳米管薄膜，二维材料和氧化物半导体等体系对比，有机薄膜晶体管仍面临诸多挑战。
首先，有机半导体迁移率通常低于无机半导体的迁移率。这导致有机晶体管较低的跨导(gm)和本征增益(Ai＝gm·r0，其中r0为输出电阻)。第二，目前为了实现有机晶体管更高的本征增益而采用的肖特基型结构，明显降低了器件的跨导，限制了其进一步的应用。第三，有机薄膜晶体管的开关往往远非理想，这导致工作电压较高。尽管已经付出了巨大的努力，但保持有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅在较大范围内接近玻尔兹曼热电子极限(60mV/dec)仍具有很大挑战。
基于此，发明人设计开发了一种超高增益有机薄膜晶体管。
发明内容
发明目的：针对现有有机薄膜晶体管存在的问题，本发明提供一种基于铁电介质层的超高增益有机薄膜晶体管，并提供了一种超高增益有机薄膜晶体管的制备方法；另外，还提供了一种柔性超高增益有机薄膜晶体管的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种超高增益有机薄膜晶体管，包括衬底、介电层、半导体沟道层和源/漏电极，其中，介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。利用铁电性氧化物薄膜作为介电层，引入的负电容效应打破了有机薄膜晶体管的玻尔兹曼限制，实现了超高增益以及超低工作电压。
优选的，铁电性氧化物薄膜为铪基铁电性氧化物薄膜、钙钛矿结构铁电氧化物薄膜中的一种。进一步优选的，铪基铁电性氧化物为铪锆氧、铪铝氧、铪镧氧、铪硅氧、铪钇氧、铪锶氧、铪钆氧、铪钕氧或铪钐氧；钙钛矿结构铁电氧化物为锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、锶钛酸钡或铋钽酸锶。有机分子薄膜可采用任何一种单层有机半导体薄膜，有机半导体材料优选有机小分子半导体或有机聚合物半导体，进一步优选2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩、并五苯等。衬底可为刚性衬底或柔性衬底，当采用柔性衬底时，可得到具有超高增益的柔性有机薄膜晶体管，从而在柔性低功耗电路、皮肤电子、射频标签、显示驱动等领域进行应用。
本发明所述的一种超高增益有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；
(2)在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；
(3)在半导体沟道层表面制备源/漏电极。
上述步骤(1)中，优选的，利用原子层沉积技术，在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜。采用原子层沉积法制备铁电性氧化物薄膜的方法可为：将衬底放置在原子层沉积腔体中，抽真空，将腔体温度升高，然后通入金属源及氧化源，在衬底表面沉积得到均匀的铁电性氧化物薄膜。生长温度根据铁电性氧化物的性质调节，如采用铪锆氧时，生长温度优选为150℃左右。进一步优选的，介电层还包括非铁电性氧化物薄膜，步骤(1)中，铁电性氧化物薄膜生长完成后，可在其表面继续生长非铁电性氧化物薄膜，用作电容匹配；较优的，非铁电性氧化物薄膜为氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化铪、氧化钛等；其厚度优选为0～6nm。
上述步骤(2)中，单层有机分子薄膜可以由任何一种有机半导体材料制得，优选有机小分子半导体材料或有机聚合物半导体材料，如并五苯、2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩等。
作为一个优选例，利用溶液半月形剪切法制备半导体沟道层。制备过程具体可为：先将有机半导体材料配制成生长溶液，然后，将生长溶液注入到介电层和刮板的相交处，控制刮板向一个方向连续移动，完成有机分子的成长。当采用2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩作为有机分子时，生长溶液采用的溶剂可为四氢萘，由四氢萘来溶解2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩。生长溶液配置好后，最好放置在水浴中持续加热，确保溶液内有机分子溶解充分，减少有机薄膜上的成核点。
上述步骤(2)中，源/漏电极可以选择多种金属，如金，铂，银，以及钛/金等，制备方法可为热蒸镀，电子束蒸镀以及范德华转移法等。作为一个优选例，源/漏电极采用金电极，利用范德华转移法制备。
本发明所述的柔性超高增益有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
(1)在刚性衬底上制备柔性薄膜作为柔性衬底，接着在柔性衬底上制备金属层作为栅极；
(2)在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；
(3)在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；
(4)在半导体沟道层表面制备源/漏电极，得到具有柔性衬底的有机薄膜晶体管；
(5)将制备好的有机薄膜晶体管从刚性衬底上剥离，得到具有超高增益的柔性有机薄膜晶体管。
发明原理：根据Landau-Devonshire理论，单畴铁电性材料的吉布斯自由能密度(U)由下式得出：U＝αP2+βP4+γP6-E·P，其中P为极化，E为电场。通过使dU/dP＝0，可以获得连续的P-E曲线：E＝2αP+4βP3+6γP5，其包括响应于外部电场的铁电材料的所有可能的极化状态。在此P-E曲线中，有一部分呈现负P-E斜率，从物理上讲，其代表了负电容区域，即表明铁电性材料可以引入负电容效应。本发明中有机薄膜晶体管的介电层采用铁电氧化物，其可以引入负电容效应，使得器件的亚阈值摆幅打破了玻尔兹曼限制，实现超低的工作电压；同时，负电容效应可以有效的提高晶体管器件的跨导，且会在一定电压范围内引入负微分电阻效应，使得器件存在一个无穷大的输出电阻。跨导的提高以及超高的输出电阻，有效的提高了晶体管的本征增益，从而实现了超高增益的有机薄膜晶体管。
有益效果：与现有有机薄膜晶体管相比，本发明的优点为：(1)本发明的超高增益有机薄膜晶体管采用铁电氧化物作为介电层，结合有机分子薄膜半导体层，使得有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅低于60mV/dec，跨导效率大于38.7S/A，且可在1V电压下工作；(2)本发明的有机薄膜晶体管的本征增益达到4.7×104，这是纪录级结果，高于目前包括有机半导体，二维材料，碳纳米管，氧化物半导体等体系同类结构已报导的结果；(3)本发明可以制备柔性超高增益有机薄膜晶体管，为有机薄膜晶体管在低功耗以及可穿戴电子领域的应用奠定了基础。
附图说明
图1为实施例1中原子层沉积铪锆氧薄膜介电层后衬底的原子力显微镜图；
图2为实施例1中铪锆氧薄膜的铁电性能表征，其中，(a)为铪锆氧薄膜的振幅-电压蝴蝶回线，(b)为铪锆氧薄膜的相位-电压电滞回线；
图3为实施例1制备的有机薄膜晶体管的结构示意图；
图4为实施例1制备的有机薄膜晶体管的电学性能表征；其中(a)为器件的转移特性曲线，(b)为根据器件的转移特性曲线得到的亚阈值摆幅-源漏电流的依赖关系图；
图5为实施例1制备的有机薄膜晶体管的本征增益；
图6为实施例2制备的有机薄膜晶体管的电学性能表征；其中(a)为器件的转移特性曲线，(b)为根据器件的转移特性曲线得到的亚阈值摆幅-源漏电流的依赖关系图；
图7为实施例3制备的柔性有机薄膜晶体管的电学特性表征，其中(a)为器件转移特性曲线，(b)为根据器件转移特性曲线得到的亚阈值摆幅-源漏电流的依赖关系图；
图8为实施例3制备的柔性有机薄膜晶体管的本征增益。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种超高增益有机薄膜晶体管，通过铁电性氧化物薄膜作为介电层，引入负电容效应实现，其打破了晶体管的玻尔兹曼热学限制，首次实现了亚阈值摆幅低于60mV/dec，且具有超高跨导和本征增益，跨导效率大于38.7S/A的有机薄膜晶体管，本征增益达到4.7×104。同时，本发明的超高增益有机薄膜晶体管可采用柔性衬底，实现柔性超高增益有机薄膜晶体管，为有机薄膜晶体管在低功耗以及可穿戴电子领域的应用奠定了基础。
实施例1
本实施例制备基于单层2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩分子薄膜的超高增益有机薄膜晶体管，并进行性能测试。
制备过程如下：
1)将硅衬底清洗后放入原子层沉积腔体中，对腔体抽真空，升温至150℃，保持60min后，以四(二甲胺基)铪和四(二甲胺基)锆作为金属源，水作为氧化源，铪源、锆源及氧化源每次脉冲时间分别为200ms、35ms和30ms，两次脉冲之间的清洗时间为30s。生长一次铪锆氧的程序为，先通一个锆源脉冲，然后一个水源脉冲，其后为一个铪源脉冲，最后为一个水源脉冲，此为一个生长周期。设定循环次数，例如设定100个循环，开始生长铪锆氧薄膜，厚度约为22nm。待铪锆氧生长结束后，以三甲基铝作为金属源，水作为氧化源，脉冲时间分别设定为25ms和20ms，将循环次数设定为20，开始生长氧化铝，厚度约2nm。
氧化物生长结束后，将衬底放入快速退火炉内，在450℃的条件下快速退火1min。图1是退火结束后，氧化物薄膜表面的原子力显微镜照片，粗糙度约为0.3nm，可见，生长得到的铪锆氧薄膜平整均匀。使用压电原子力显微镜对氧化物薄膜进行了表征，图2(a)和(b)分别为氧化物薄膜的振幅-电压蝴蝶回线和相位-电压电滞回线，表明其具有很好的铁电特性，可以为有机薄膜晶体管引入负电容效应。
2)在氧化物衬底上，使用溶液半月形剪切法生长单层有机分子薄膜。首先，配制生长所用的溶液，由溶剂四氢萘来溶解2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩，浓度为0.2mg/mL。然后，将溶液注入到衬底和刮板的相交处。此时，衬底和刮板的温度都设置为65℃，间距为100μm，刮板的倾斜角度为15°，速度为2～3μm/s。通过电动位移台，控制上刮板向一个方向连续移动，完成有机晶体的生长。本实施例中生长的单层2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩分子薄膜的厚度约为4nm。
3)先利用金属与有机半导体的范德华力，图形化有机的半导体沟道层；然后利用范德华转移方法，转移源极和漏极电极。首先，将100nm的金膜，转移到有机晶体薄膜形成的半导体沟道层表面，等待60min，然后再将金膜转移走，此时部分有机晶体薄膜会一起被带走，从而实现半导体沟道层的图形化。接着在图形化好的源漏电极上旋涂1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯，在150℃条件下烘烤5min；再利用释放温度为90℃的热释放胶带将聚合物和金电极一起揭起，转移到图形化好的半导体沟道层上，即得到基于单层2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩分子薄膜的有机薄膜晶体管。
图3为本实施例制备的有机薄膜晶体管的结构示意图，本实施例制备的有机薄膜晶体管的沟道宽度和长度分别为180μm和5μm。
对制备好的有机薄膜晶体管进行电学测试。图4(a)是器件的转移特性曲线，曲线对应的源漏电压为-1.0V。图4(b)是根据转移特性曲线，计算得到的器件亚阈值摆幅与器件电流的关系图，从图中可以看出，器件的最小亚阈值摆幅为54.5mV/dec，从-10-12到-10-10A的区间范围内，器件的亚阈值摆幅都小于60mV/dec，表明本发明制备的超高增益有机薄膜晶体管成功的打破了玻尔兹曼热学限制，可进一步促进有机薄膜晶体管的低功耗应用。图5为有机薄膜晶体管的本征增益，最高可达4.7×104，远高于目前包括有机半导体，二维材料，碳纳米管，氧化物半导体等体系同类结构已报导的结果。
实施例2
本实施例制备基于并五苯分子薄膜的超高增益有机薄膜晶体管，并进行性能测试。
制备过程如下：
1)将硅衬底清洗后放入原子层沉积腔体中，对腔体抽真空，升温至150℃，保持60min后，以四(二甲胺基)铪和四(二甲胺基)锆作为金属源，水作为氧化源，铪源、锆源及氧化源每次脉冲时间分别为200ms、35ms和30ms，两次脉冲之间的清洗时间为30s。生长一次铪锆氧的程序为，先通一个锆源脉冲，然后一个水源脉冲，其后为一个铪源脉冲，最后为一个水源脉冲，此为一个生长周期。设定循环次数，例如设定100个循环，开始生长铪锆氧薄膜，厚度约为22nm。待铪锆氧生长结束后，以三甲基铝作为金属源，水作为氧化源，脉冲时间分别设定为25ms和20ms，将循环次数设定为20，开始生长氧化铝，厚度约2nm。
氧化物生长结束后，将衬底放入快速退火炉内，在450℃的条件下快速退火1min。
2)在氧化物衬底上，剥离薄层氮化硼，然后将并五苯粉末源和氮化硼分别放置在管式炉加热区中心以及下游离源18cm的位置，加热到140℃并保持30min，得到并五苯薄膜。
3)利用范德华转移方法，转移源极和漏极电极。在图形化好的源漏电极上旋涂1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯，在150℃条件下烘烤5min；再利用释放温度为90℃的热释放胶带将聚合物和金电极一起揭起，转移到并五苯薄膜上，即得到基于并五苯薄膜的有机薄膜晶体管。
对制备好的基于并五苯薄膜的有机薄膜晶体管进行电学测试。图6(a)是器件的转移特性曲线，曲线对应的源漏电压为2.0V。图6(b)是根据转移特性曲线，计算得到的器件亚阈值摆幅与器件电流的关系图，从图中可以看出，器件的最小亚阈值摆幅为20mV/dec，从10-14到10-12A的区间范围内，器件的亚阈值摆幅都小于60mV/dec，表明本发明制备的基于并五苯薄膜的有机薄膜晶体管成功的打破了玻尔兹曼热学限制，可以进一步促进有机薄膜晶体管的低功耗应用。
实施例3
本实施例在柔性基底上制备超高增益有机薄膜晶体管，并进行性能测试。
制备过程如下：
1)在硅衬底上制备聚酰亚胺薄膜作为柔性基底。首先，在二氧化硅/硅基底上旋涂聚酰亚胺溶液(AA-49,KANEKA)，转速为1500转/分钟，时间为45s。然后，350℃烘烤1h，制备过程在氮气氛围的手套箱中完成。然后，利用电子束蒸镀，制备栅极金属。栅极金属为10nm钛和10nm的金。
2)利用原子层沉积技术，在衬底上生长铪锆氧/氧化铝作为介电层。将衬底放入原子层沉积腔体中，对腔体抽真空，升温至150℃，保持60min后，以四(二甲胺基)铪和四(二甲胺基)锆作为金属源，水作为氧化源。生长一次铪锆氧的程序为，先通一个锆源脉冲，然后一个水源脉冲，其后为一个铪源脉冲，最后为一个水源脉冲，此为一个生长周期。设定100个循环，开始生长铪锆氧薄膜，厚度约为22nm。待铪锆氧生长结束后，以三甲基铝作为金属源，水作为氧化源，将循环次数设定为20，开始生长氧化铝，厚度约2nm。生长结束后，将衬底放入快速退火炉内，在350℃的条件下快速退火1min。
3)利用半月形溶液剪切法，在氧化物衬底上生长2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩单层有机晶体作为半导体沟道层。首先，配制生长用的溶液，由溶剂四氢萘来溶解2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩，浓度为0.2mg/mL。然后，将溶液注入到衬底和刮板的相交处。此时，衬底和刮板的温度都设置为65℃，间距为100μm，刮板的倾斜角度为15°，速度为2～3μm/s。通过电动位移台，控制上刮板向一个方向连续移动，完成有机晶体的生长。
4)利用金属与有机半导体之间的范德华力，图形化有机半导体沟道层，然后利用范德华转移方法，转移器件电极。首先，将100nm的金膜，转移到半导体沟道层表面，等待60min，然后再将金膜转移走，此时部分有机晶体薄膜会一起被带走，从而实现半导体沟道层的图形化；接着在图形化好的器件电极上旋涂1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯，在150℃条件下烘烤5min，再利用热释放胶带将聚合物和金电极一起揭起，转移到图形化好的半导体沟道层上。
5)将制备好的器件从硅衬底上剥离，成为柔性的有机薄膜晶体管。
对制备好的柔性超高增益有机薄膜晶体管进行电学测试。图7(a)是器件的转移特性曲线，曲线对应的源漏电压为-1.0V。图7(b)是根据转移特性曲线，计算得到的器件亚阈值摆幅与器件电流的关系图，从图中可以看出，器件的最小亚阈值摆幅为55.8mV/dec，从-10-13到-10-9A的区间范围内，器件的亚阈值摆幅都小于60mV/dec。图8是柔性有机薄膜晶体管的本征增益，最高可达1.5×104。电学测试结果表明，本发明制备的柔性超高增益有机薄膜晶体管的电学性能不亚于在刚性衬底上的器件，为有机薄膜晶体管在可穿戴电子领域的应用奠定了基础。

Claims (4)

1.一种本征增益达4.7×104且跨导效率大于38.7 S/A的有机薄膜晶体管，其特征在于，该薄膜晶体管包括衬底、介电层、半导体沟道层和源/漏电极，其中，所述介电层包括铪锆氧薄膜和生长在铪锆氧薄膜表面、用作电容匹配的氧化铝薄膜，所述半导体沟道层为单层2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩分子薄膜，该分子薄膜由溶液半月形剪切法生长得到。
2.根据权利要求1所述的本征增益达4.7×104且跨导效率大于38.7 S/A的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底。
3.一种权利要求1-2任一所述本征增益达4.7×104且跨导效率大于38.7 S/A的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；
（2）在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；
（3）在半导体沟道层表面制备源/漏电极。
4.一种权利要求1-2任一所述本征增益达4.7×104且跨导效率大于38.7 S/A的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在刚性衬底上制备柔性薄膜作为柔性衬底，接着在柔性衬底上制备金属层作为栅极；
（2）在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；
（3）在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；
（4）在半导体沟道层表面制备源/漏电极，得到具有柔性衬底的有机薄膜晶体管；
（5）将制备好的有机薄膜晶体管从刚性衬底上剥离，得到具有超高增益的柔性有机薄膜晶体管。
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