CN113380953B - 基于有机晶态异质结的紫外光晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于有机晶态异质结的紫外光晶体管及其制备方法，紫外光晶体管包括自上而下依次设置的基底、绝缘层、模板层、晶态有机异质结光敏层以及源漏电极，模板层为七联苯，晶态有机异质结光敏层包括p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层，p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层依次沉积在模板层上。本发明基于有机晶态异质结的紫外光晶体管通过引入晶态有机异质结，晶态有机异质结高效的载流子输运对光的协同吸收效应以及异质结界面效应对激子分离的促进作用，使得器件的光电学性能有了显著的影响，而且制备方法简单快速，具有普适性，易于工业化生产。

Description

基于有机晶态异质结的紫外光晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及紫外光晶体管技术领域，尤其是指一种基于有机晶态异质结的紫外光晶体管及其制备方法。
背景技术
紫外光晶体管是一种可探测入射光并且可将光信号转变为电信号的电子器件，其在工业、军事、生物和环境等领域有许多重要的应用，如导弹预警和跟踪、天文观测、火灾预警、空气污染监测、生物医药等。
基于无机半导体的紫外光探测器发展较早且较为成熟，其用于吸收紫外辐射的宽禁带半导体材料包括Ⅲ族氮化物(GaN等)、金属氧化物(ZnO、MgZnO等)、SiC、钻石等。其特点有载流子迁移率高、击穿电压高、热稳定性好等，其光响应度能达到100-200mA W-1。并且，Ⅲ族氮化物材料体系包含GaN、Al N、I nN和对应的三元、四元化合物，被认为是制作光电器件的最佳材料。Ⅲ族氮化物是直接带隙材料，通过改变化合物中Ⅲ族元素的摩尔比，其带隙从0.7eV(I nN)、3.4eV(GaN)至6.2eV(Al N)可调，对应的截止波长为1800至200nm，这就实现了大范围可调的带隙，并且其还具有耐击穿、耐高温、耐辐射和响应度高等许多优点。
目前，基于半导体硅(S i)的光探测相关技术较为成熟，但应用于紫外探测时面临许多局限，这主要是由于S i的带隙仅有1.1eV，低能量的光子会干扰器件对紫外光的探测，需要用高成本的滤光片和荧光粉来过滤可见、红外光。而基于GaN等无机半导体制备的紫外光探测器虽然具有迁移率高、热稳定性好、击穿电压高和响应度高等优点，但器件制备过程复杂且高成本，难以实现柔性制备，并且材料的选择较有限。
有机材料与无机材料相比具有极多的优势，比如可修饰的化学结构、具有良好的光电学特性和可大面积柔性加工等，因此利用有机材料制备出高性能的紫外光晶体管已经成为了一个重要的研究课题。目前，基于有机单晶的紫外光晶体管可获得超高的响应度和探测率，但由于对有机单晶的精准制备较难把握使得有机单晶很难实现大面积批量生产。相比较于单晶器件，基于有机薄膜的紫外光晶体管虽可以克服单晶器件的缺点，但其薄膜结晶质量较难控制，使得器件性能难以提高到较高水平。因此，如何实现基于有机薄膜的高性能紫外光晶体管依然是极具挑战性的。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中基于有机半导体薄膜的紫外光晶体管性能低的缺点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于有机晶态异质结的紫外光晶体管，包括自上而下依次设置的基底、绝缘层、模板层、高晶态有机异质结光敏层以及源漏电极，所述模板层为七联苯，所述晶态有机异质结光敏层包括p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层，所述p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层依次沉积在所述模板层上。
在本发明的一个实施例中，所述p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层的材质为红荧烯、并五苯、6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯(T I PS-pentacene)、全氟酞菁铜、酞菁氧钒或酞菁铅、富勒烯、N,N'-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺。
在本发明的一个实施例中，所述晶态有机异质结光敏层的厚度为5-100nm。
在本发明的一个实施例中，所述源漏电极为选自金电极、银电极、铬电极和铝电极中的一种或两种。
此外，本发明还提供了一种上述所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在基底表面形成平整的绝缘层，之后在绝缘层的表面利用真空升华法沉积模板层材料，形成模板层；
(2)在所述模板层上先沉积p型有机半导体材料，再沉积n型有机半导体材料，形成高晶态有机异质结光敏层，在所述高晶态有机异质结光敏层上沉积源漏电极，形成基于有机晶态异质结的紫外光晶体管。
在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，通过真空升华法沉积模板层，基底的温度为100-150℃，在压力为10-4-10-5Pa、沉积速率为0.2-1nm/mi n的条件下进行。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，采用真空升华法沉积晶态有机异质结光敏层，依次沉积p型半导体材料和n型半导体材料，基底的温度为20-150℃，在压力为10-4-10-5Pa、沉积速率为0.2-1nm/mi n的条件下进行。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，通过真空热蒸镀法沉积源漏电极，沉积过程中压力为10-4-10-5Pa，沉积速率为1-5nm/mi n。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，源漏电极的图案利用掩膜版技术实现。
在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，源漏电极图案采用对电极，电极沟道长度50-100μm，宽度1000-5000μm，电极宽长比为20-50。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明基于有机晶态异质结的紫外光晶体管通过引入晶态有机异质结，高晶态有机异质结高效的载流子输运对光的协同吸收效应以及异质结界面效应对激子分离的促进作用，使得器件的光电学性能有了显著的影响，而且制备方法简单快速，具有普适性，易于工业化生产。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的结构示意图。
图2是本发明的模板层、对照组的单质p型半导体光敏层薄膜以及实施例1的原子力显微镜高度图测试图片。
图3是本发明实施例1的方法制备的紫外光晶体管所测得的光响应随紫外光强度的变化曲线。
图4是本发明实施例2的方法制备的紫外光晶体管所测得的光响应随紫外光强度的变化曲线。
图5是本发明实施例3的方法制备的紫外光晶体管所测得的光响应随紫外光强度的变化曲线。
说明书附图标记说明：1、基底；2、绝缘层；3、模板层；4、p型有机半导体光敏层；5、n型有机半导体光敏层；6、源漏电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例基于有机晶态异质结的紫外光晶体管包括自下而上依次设置的基底1、绝缘层2、模板层3、p型有机半导体光敏层4、n型有机半导体光敏层5以及源漏电极6，绝缘层2的材质为氧化硅，模板层3的材质为七联苯(p-7P)，p型有机半导体光敏层4的材质为红荧烯(rubrene),n型有机半导体光敏层5的材质为全氟酞氰铜(F16CuPc)。其制备方法具体如下：
选用重掺杂n型硅片作为基底1，其上含有300nm热氧化的二氧化硅(绝缘层2)，将基底1在丙酮，乙醇、超纯水中各超声十分钟，以除去表面的杂质，之后用高纯氮气吹干。采用真空升华法在绝缘层2的表面依次沉积厚度为7nm的p-7P、30nm的rubrene和30nm的F16CuPc，分别形成模板层3、p型有机半导体光敏层4和n型有机半导体光敏层5，沉积过程中真空度为10-4Pa，基底温度控制在100-140℃，蒸发速率为
Figure BDA0003148529830000051
沉积后将处理后的基底1与掩膜版组合置于真空热蒸镀设备，将厚度为40nm银沉积到基片上完成源漏电极制备，得到基于有机晶态异质结的紫外光晶体管。其中，电极图案采用对电极，电极沟道长度50μm，宽度1000μm。
将上述方法所制备的紫外光晶体管置于一个自制密闭腔体中，并采用Keith l ey4200半导体测试系统测试其光响应能力。LED光束从器件上方垂直射入沟道表面，光源波长为365nm，通过调控光束光强的不同来表征器件的紫外光响应能力。同时以只有p型半导体rubrene光敏层的单质光晶体管器件作为对照，采用同样的方法进行测试。
图2为光敏层薄膜在模板层3(图2a)、不含有n型有机半导体光敏层5(图2b)和含有n型有机半导体光敏层5(图2c)的形貌对比，对比三幅图可以发现，本发明中利用分子模板法所获得的单质薄膜和异质结薄膜均表现出结晶并且连续的形态。图3为本发明实施例的方法制备的紫外光晶体管所测得的光响应随紫外光强度的变化曲线，可以观察到当紫外光(365nm)照射时，单质器件和异质结器件均出现了明显的光响应，并且通过对比可以发现，引入异质结之后，器件的响应度发生了一个数量级的提升，表明异质结器件具有很好的紫外响应性，说明本发明的异质结光晶体管可以极大地改善器件的光响应性。
实施例2
请参阅图1所示，本实施例基于有机晶态异质结的紫外光晶体管包括自下而上依次设置的基底1、绝缘层2、模板层3、p型有机半导体光敏层4、n型有机半导体光敏层5以及源漏电极6，绝缘层2的材质为氧化硅，模板层3的材质为七联苯(p-7P)，p型有机半导体光敏层4的材质为红荧烯(rubrene),n型有机半导体光敏层5的材质为富勒烯(C60)。其制备方法具体如下：
选用重掺杂n型硅片作为基底1，其上含有300nm热氧化的二氧化硅(绝缘层2)，将基底1在丙酮，乙醇、超纯水中各超声十分钟，以除去表面的杂质，之后用高纯氮气吹干。采用真空升华法在绝缘层2的表面依次沉积厚度为7nm的p-7P、30nm的rubrene和30nm的C60，分别形成模板层3、p型有机半导体光敏层4和n型有机半导体光敏层5，沉积过程中真空度为10-4Pa，基底温度控制在100-140℃，蒸发速率为
Figure BDA0003148529830000061
沉积后将处理后的基底1与掩膜版组合置于真空热蒸镀设备，将厚度为40nm银沉积到基片上完成源漏电极制备，得到基于有机晶态异质结的紫外光晶体管。其中，电极图案采用对电极，电极沟道长度50μm，宽度1000μm。
将上述方法所制备的的紫外光晶体管置于一个自制密闭腔体中，并采用Keith ley 4200半导体测试系统测试其光响应能力。LED光束从器件上方垂直射入沟道表面，光源波长为365nm，通过调控光束的光强的不同来表征器件的紫外光响应能力。同时以只有p型半导体rubrene光敏层的单质光晶体管器件作为对照，采用同样的方法进行测试。图4为本发明实施例的方法制备的紫外光晶体管所测得的光响应随紫外光强度的变化曲线，可以观察到当紫外光(365nm)照射时，单质器件和异质结器件均出现了明显的光响应，并且通过对比可以发现，引入异质结之后，随着光强的增加，异质结器件的光响应度均大于单质器件，且响应度最大值由2200A/W上升至12400A/W。
实施例3
请参阅图1所示，本实施例基于有机晶态异质结的紫外光晶体管包括自下而上依次设置的基底1、绝缘层2、模板层3、p型有机半导体光敏层4、n型有机半导体光敏层5以及源漏电极6，绝缘层2的材质为氧化硅，模板层3的材质为七联苯(p-7P)，p型有机半导体光敏层4的材质为红荧烯(rubrene),n型有机半导体光敏层4的材质为N,N’-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺(PTCD I-C8)。其制备方法具体如下：
选用重掺杂n型硅片作为基底1，其上含有300nm热氧化的二氧化硅(绝缘层2)，将基底1在丙酮，乙醇、超纯水中各超声十分钟，以除去表面的杂质，之后用高纯氮气吹干。采用真空升华法在绝缘层2的表面依次沉积厚度为7nm的p-7P、30nm的rubrene和30nm的PTCDI-C8，分别形成模板层3、p型有机半导体光敏层4和n型有机半导体光敏层5，沉积过程中真空度为10-4Pa，基底温度控制在100-140℃，蒸发速率为
Figure BDA0003148529830000071
沉积后将处理后的基底1与掩膜版组合置于真空热蒸镀设备，将厚度为40nm银沉积到基片上完成源漏电极制备，得到基于有机晶态异质结的紫外光晶体管。其中，电极图案采用对电极，电极沟道长度50μm，宽度1000μm。
将上述方法所制备的的紫外光晶体管置于一个自制密闭腔体中，并采用Keith ley4200半导体测试系统测试其光响应能力。LED光束从器件上方垂直射入沟道表面，光源波长为365nm，通过调控光束的光强的不同来表征器件的紫外光响应能力。同时以只有p型半导体光敏层的单质光晶体管器件作为对照，采用同样的方法进行测试。图5为本发明实施例的方法制备的光晶体管所测得的光响应随紫外光强度的变化曲线，可以观察到当紫外光(365nm)照射时，单质器件和异质结器件均出现了明显的光响应，并且通过对比可以发现，引入异质结之后，随着光强的增加，异质结器件的光响应度均大于单质器件。
本发明基于有机晶态异质结的紫外光晶体管通过引入晶态有机异质结，高晶态有机异质结高效的载流子输运对光的协同吸收效应以及异质结界面效应对激子分离的促进作用，使得器件的光电学性能有了显著的影响。
本发明通过利用分子模板生长法获得高结晶薄膜和引入有机晶态异质结，从而获得了高性能的紫外光晶体管，制备方法简单快速，具有普适性，易于工业化生产。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于有机晶态异质结的紫外光晶体管，其特征在于：包括自上而下依次设置的基底、绝缘层、模板层、晶态有机异质结光敏层以及源漏电极，所述模板层为七联苯，所述晶态有机异质结光敏层包括p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层，所述p型有机半导体光敏层和n型有机半导体光敏层依次沉积在所述模板层上；
所述p型有机半导体光敏层材质为红荧烯；n型有机半导体光敏层的材质为全氟酞菁铜或N,N'-二正辛烷基-3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺。
2.根据权利要求1所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管，其特征在于：所述晶态有机异质结光敏层的厚度为5-100 nm。
3.根据权利要求1所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管，其特征在于：所述源漏电极为选自金电极、银电极、铬电极和铝电极中的一种或两种。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在基底表面形成平整的绝缘层，之后在绝缘层的表面利用真空镀膜法沉积模板层材料，形成模板层；
（2）在所述模板层上先沉积p型有机半导体材料，再沉积n型有机半导体材料，形成晶态有机异质结光敏层，在所述晶态有机异质结光敏层上沉积源漏电极，形成基于有机晶态异质结的紫外光晶体管。
5.根据权利要求4所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，通过真空升华法沉积模板层，基底的温度为100-150 ℃，在压力为10-4-10-5 Pa、沉积速率为0.2-1 nm/min的条件下进行。
6.根据权利要求4所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，采用真空升华法沉积晶态有机异质结光敏层，依次沉积p型半导体材料和n型半导体材料，基底的温度为20-150 ℃，在压力为10-4-10-5 Pa、沉积速率为0.2-1 nm/min的条件下进行。
7.根据权利要求4所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，通过真空热蒸镀法沉积源漏电极，沉积过程中压力为10-4-10-5 Pa，沉积速率为1-5 nm/min。
8.根据权利要求4所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，源漏电极的图案利用掩膜版技术实现。
9.根据权利要求8所述的基于有机晶态异质结的紫外光晶体管的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，源漏电极图案采用对电极，电极沟道长度50-100 μm，宽度1000-5000 μm，电极宽长比为20-50。
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