CN112599672B - 一种石墨烯增强薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域。一种石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：在衬底上制备石墨烯薄膜；石墨烯薄膜图形化；在图形化后的石墨烯薄膜表面制备底电极；在底电极和石墨烯薄膜表面生长有机半导体材料，形成功能层；在功能层表面采用电子束蒸镀制备顶电极；在顶电极和功能层表面旋涂PMMA薄膜，形成保护层。本发明制备方法具有良好的可控性，通过在衬底上预设石墨烯薄膜，可诱导有机半导体材料的有序取向，提高了有机半导体材料的成膜质量，从而有效提高了器件的整体性能。制备而成的薄膜晶体管具有双层电极结构，电子注入效率高，可提高晶体管的饱和输出电流和整体性能。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种石墨烯增强薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
有机薄膜晶体管是一种利用有机材料代替传统无机材料的半导体器件。和传统无机半导体材料相比，有机材料具有更多的优点，例如在室温条件下就可以通过旋涂、喷墨打印聚合物和有机小分子材料得到有源层，制作温度低实现低成本化。而且有机材料具有原料易得、可大面积化、柔性化等优点，所以未来的发展前景广阔。但有机薄膜晶体管的载流子迁移率还与传统的薄膜晶体管材料有一定的差距，提高有机薄膜晶体管的迁移率一直是该领域追求的目标。
有机薄膜晶体管的研究核心为有机半导体材料，在研究如何改善有机晶体管性能的过程中人们发现了有机半导体材料的性能对器件的载流子迁移率有很大影响。有机分子通过范德华力结合在一起，分子间的电子云几乎不重叠，所以在有机材料中，载流子主要是通过分子间π-π键的堆叠进行链间跳跃传输。因此增强分子间的π-π键堆叠，改善分子排列的规整性和有序性是提高载流子迁移率的关键。
器件结构对晶体管性能的影响也不容忽视。有机薄膜晶体管一般采用上电极或者下电极结构。相对于下电极结构的机薄膜晶体管，上电极结构的晶体管具有更好的性能。但由于有机半导体材料特殊的迁移率各向异性，使得上电极结构的器件要受到材料厚度的影响。半导体层材料越厚器件增加的附加电阻也就越大，为了减小这个因为迁移率各向异性引起的问题，通过减小材料厚度来减小这个附件厚度的影响，但材料厚度的减小又增加了器件的不稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，该制备方法具有良好的可控性，通过在衬底上预设石墨烯薄膜，可诱导有机半导体材料的有序取向，提高了有机半导体材料的成膜质量，从而有效提高了器件的整体性能。制备而成的薄膜晶体管具有双层电极结构，电子注入效率高，可提高晶体管的饱和输出电流和整体性能。
本发明的技术方案如下：
一种石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
S1.在衬底上制备石墨烯薄膜；
S2.石墨烯薄膜图形化；
S3.在图形化后的石墨烯薄膜表面采用光刻或蒸镀制备底电极；
S4.在底电极和石墨烯薄膜表面生长有机半导体材料，形成功能层；
S5.在功能层表面电子采用电子束蒸镀制备顶电极；
S4.在顶电极和功能层表面旋涂PMMA薄膜，形成保护层。
进一步的，步骤S1中，所述衬底材料包括硅、氧化硅、玻璃或塑料；所述石墨烯薄膜的制备方法为原位生长或转移，可在衬底上原位生长1-2层石墨烯薄膜，或采用转移的方式把生长于其它衬底上的石墨烯薄膜转移至目标衬底。
进一步的，步骤S2中，所述石墨烯薄膜图形化的方法包括蒸镀、光刻、纳米压印或丝网印刷，可采用漏板蒸镀牺牲层的方式蒸镀，或在石墨烯薄膜表面上旋涂光刻胶后光刻得到图形。
进一步的，步骤S3中，所述底电极为金电极；所述底电极的制备方法为光刻或蒸镀，可通过光刻的图形化工艺制备底电极，或采用漏板的方式直接在石墨烯薄膜表面蒸镀底电极材料。预置的石墨烯薄膜作为底电极的过渡层，有效改善了底电极的接触电阻，从而提升器件的整体性能。
进一步的，步骤S4中，所述有机半导体材料包括P3HT或并五苯；所述有机半导体材料的生长方法包括真空蒸镀、旋涂或打印。图形化后的石墨烯可诱导有机半导体材料有序生长，优化材料的生长形貌和颗粒大小，提高材料的一致性。
进一步的，步骤S5中，所述顶电极为金电极；电子束蒸镀所述顶电极时采用漏板图形化工艺，初始10nm采用快速蒸镀，此方式可让金颗粒能渗透到有机半导体材料内，实现顶电极和底电极的自然导通。
一种由所述的制备方法制备而成的石墨烯增强薄膜晶体管，由下至上依次设有衬底、石墨烯薄膜、底电极、功能层、顶电极和保护层；所述功能层位于所述底电极表面和所述石墨烯薄膜未被所述底电极覆盖的表面；所述保护层位于所述顶电极表面和所述功能层未被所述顶电极覆盖的表面。
进一步的，所述底电极厚度为35-45nm，所述功能层最大厚度为50-60nm，所述顶电极厚度45-55nm，所述保护层最大厚度为0.5-20μm。
进一步的，所述石墨烯薄膜上图形化有沟道，所述沟道两侧的石墨烯薄膜呈梳齿形交叉配合。石墨烯薄膜在沟道交叉设置可降低沟道间距，减少器件的沟道电阻，提高晶体管的饱和输出电流。
进一步的，所述沟道宽为5-10μm。
本发明具有如下有益效果：
本发明石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，通过在衬底材料上预至图形化的石墨烯薄膜，以碳族石墨烯材料作为有机半导体材料生长的诱导材料，有助于提高有机半导体材料的成膜性能和器件的整体性能。石墨烯薄膜具有良好的导电性和透光性，可提高电极的电注入效率，石墨烯薄膜应用于光电器件，特别是透明的光电器件上可提高器件的透光水平和整体性能。石墨烯薄膜是柔性薄膜，与器件的柔性设计兼容，可提高器件的整体性能。本发明制备方法制备而成的薄膜晶体管，器件结构采用顶电极和底电极的双层电极结构，有效缩短了电极与沟道之间的距离，在减少器件附加电阻的同时不影响功能层的厚度，保证了器件性能的稳定，可提升器件的电子注入效率，提高器件的整体性能。
附图说明
图1为本发明石墨烯增强薄膜晶体管的截面结构示意图；
图2为本发明石墨烯增强薄膜晶体管的结构俯视图；
1.衬底，2.石墨烯薄膜，21.沟道，3.底电极，4.功能层，5.顶电极，6.保护层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
一种石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
S1.在衬底上制备石墨烯薄膜，可在衬底上原位生长1-2层石墨烯薄膜，或采用转移的方式把生长于其它衬底上的石墨烯薄膜转移至目标衬底；
S2.石墨烯薄膜图形化，所述石墨烯薄膜图形化可采用漏板蒸镀牺牲层的方式蒸镀，或在石墨烯薄膜表面上旋涂光刻胶后光刻得到图形，或采用纳米压印、丝网印刷等图形化方法；
S3.在图形化后的石墨烯薄膜表面制备底电极，可通过光刻的图形化工艺制备底电极，或采用漏板的方式直接在石墨烯薄膜表面蒸镀底电极材料；
S4.通过真空蒸镀、旋涂或打印的方法，在底电极和石墨烯薄膜表面生长有机半导体材料，形成功能层；
S5.在功能层表面电子采用电子束蒸镀制备顶电极，蒸镀电极时采用漏板图形化工艺，初始10nm采用快速蒸镀；
S4.在顶电极和功能层表面旋涂PMMA薄膜，形成保护层。
一种由上述制备方法制备而成的石墨烯增强薄膜晶体管，如图1-2所示，由下至上依次设有衬底1、石墨烯薄膜2、底电极3、功能层4、顶电极5和保护层6；所述功能层4位于所述底电极3表面和所述石墨烯薄膜2未被所述底电极3覆盖的表面；所述保护层6位于所述顶电极5表面和所述功能层4未被所述顶电极6覆盖的表面；所述石墨烯薄膜2上图形化有沟道21，所述沟道21两侧的石墨烯薄膜2呈梳齿形交叉配合。
本发明石墨烯增强薄膜晶体管3个实施例和3个对比例的材料尺寸见下表：
测试本发明石墨烯增强薄膜晶体管3个实施例和3个对比例的各项性能，测试结果见下表：
| 测试项目 | 载流子迁移率（cm<sup>2</sup>/Vs） | 阈值电压（V） | 电流开关比 |
| 实施例1 | 2.1 | 5.1 | 7.2×10<sup>4</sup> |
| 实施例2 | 1.9 | 5.4 | 6.3×10<sup>4</sup> |
| 实施例3 | 2.5 | 5.0 | 6.8×10<sup>4</sup> |
| 对比例1 | 1.1 | 5.4 | 1.9×10<sup>4</sup> |
| 对比例2 | 0.9 | 5.6 | 3.4×10<sup>3</sup> |
| 对比例3 | 0.8 | 6.0 | 2.8×10<sup>4</sup> |
可见，本发明薄膜晶体管具有良好的电学性能。
本发明薄膜晶体管的制备方法具有良好的可控性，通过在衬底上预设石墨烯薄膜，可诱导有机半导体材料的有序取向，提高了有机半导体材料的成膜质量，从而有效提高了器件的整体性能。制备而成的薄膜晶体管具有双层电极结构，电子注入效率高，可提高晶体管的饱和输出电流和整体性能。
Claims (9)
1.一种石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在衬底上制备石墨烯薄膜；
S2.石墨烯薄膜图形化；
S3.在图形化后的石墨烯薄膜表面制备底电极；
S4.在底电极和石墨烯薄膜表面生长有机半导体材料，形成功能层；
S5.在功能层表面电子采用电子束蒸镀制备顶电极；
S4.在顶电极和功能层表面旋涂PMMA薄膜，形成保护层；
所述功能层位于所述底电极表面和所述石墨烯薄膜未被所述底电极覆盖的表面；所述保护层位于所述顶电极表面和所述功能层未被所述顶电极覆盖的表面；所述石墨烯薄膜上图形化有沟道，所述沟道两侧的石墨烯薄膜呈梳齿形交叉配合。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述衬底材料包括硅、氧化硅、玻璃或塑料；所述石墨烯薄膜的制备方法为原位生长或转移。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述石墨烯薄膜图形化的方法包括蒸镀、光刻、纳米压印或丝网印刷。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述底电极为金电极，所述底电极的制备方法为光刻或蒸镀。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述有机半导体材料包括P3HT或并五苯；所述有机半导体材料的生长方法包括真空蒸镀、旋涂或打印。
6.根据权利要求1所述的石墨烯增强薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述顶电极为金电极；电子束蒸镀所述顶电极时采用漏板图形化工艺，初始10nm采用快速蒸镀。
7.一种由权利要求1-6任一项所述的制备方法制备而成的石墨烯增强薄膜晶体管，其特征在于，由下至上依次设有衬底、石墨烯薄膜、底电极、功能层、顶电极和保护层。
8.根据权利要求7所述的石墨烯增强薄膜晶体管，其特征在于，所述底电极厚度为35-45nm，所述功能层最大厚度为50-60nm，所述顶电极厚度45-55nm，所述保护层最大厚度为0.5-20μm。
9.根据权利要求7所述的石墨烯增强薄膜晶体管，其特征在于，所述沟道宽为5-10μm。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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