CN113396490A - 包含有机半导体材料的薄膜晶体管 - Google Patents

包含有机半导体材料的薄膜晶体管 Download PDF

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A·菲奇提
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陈志华
T·邱
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Abstract

本发明涉及一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括：电介质层，所述电介质层具有第一侧和相对的第二侧；源电极、与所述源电极分开的漏电极以及设置在所述源电极和所述漏电极之间并与所述源电极和所述漏电极接触的半导体部件，所述源电极、所述漏电极和所述半导体部件设置为邻近所述电介质层的所述第一侧；以及栅电极，所述栅电极设置为邻近所述电介质层的与所述半导体部件相对的所述第二侧；其中所述半导体部件包含基于芳烃‑双(二甲酰亚胺)的一种或多种n型有机半导体材料，并且其中所述薄膜晶体管具有测量为从所述源电极到所述漏电极的最短路径的不超过20μm的沟道长度。

Description

包含有机半导体材料的薄膜晶体管
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年11月20日提交的美国临时专利申请号62/769756和2018年12月6日提交的欧洲专利申请18210830.8的权益，其每一者都全文据此以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及有机半导体材料和包含有机半导体材料的器件的领域。更具体地，本发明涉及包含基于芳烃-双(二甲酰亚胺)的n型有机半导体材料的薄膜晶体管。
背景技术
使用有机半导体作为电荷承载层的部件的电子器件可提供诸如机械灵活性、较低制造成本以及使用印刷方法的低温环境制造工艺的优点。这些优点使得器件包括电子纸、柔性有机发光二极管(OLED)、射频识别(RFID)技术、太阳能电池、发光晶体管(OLET)和传感器成为可能。这些技术的关键是薄膜晶体管(TFT)，或更具体地，是基于有机半导体(OFET)的场效应晶体管，其中当使用两个独立的电势时，半导体起到电流调制器和切换器的作用。
目前开发基于电子传输(n型)有机半导体材料的薄膜晶体管的努力受到化学不稳定性和/或不良器件性能的阻碍。具体地，常规n型有机半导体材料容易受到环境条件(例如，空气)和溶液处理的影响，从而例如有碍于将该材料配制成用于廉价印刷工艺的油墨。因此，包含此类材料的TFT是昂贵的、低效的和/或无效的。另外，包含常规n型有机半导体材料的TFT的小型化当前受到接触电阻的限制，这在减小晶体管沟道长度时限制了载流子迁移率。
因此，仍然需要可在普通溶剂中加工的稳健的n型有机半导体材料。进一步需要在短沟道晶体管中具有高载流子迁移率的n型有机半导体材料。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括：
电介质层，该电介质层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；
源电极、与源电极分开的漏电极以及设置在源电极和漏电极之间并与源电极和漏电极接触的半导体部件，源电极、漏电极和半导体部件设置为邻近电介质层的第一侧；以及
栅电极，该栅电极设置为邻近电介质层的与半导体部件相对的第二侧；
其中所述半导体部件包含选自由以下项组成的组的一种或多种化合物：
Figure BDA0003074774120000021
其中薄膜晶体管具有测量为从源电极到漏电极的最短路径的沟道长度，该沟道长度不超过20μm。
鉴于本文的公开内容，本发明的其他方面对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的具有底栅-顶接触配置的薄膜晶体管的示意性剖视图。
图2是根据本发明的一个实施例的具有底栅-底接触配置的薄膜晶体管的示意性剖视图。
图3是根据本发明的一个实施例的具有顶栅-底接触结构配置的薄膜晶体管的示意性剖视图。
图4是根据本发明的一个实施例的具有顶栅-顶接触配置的薄膜晶体管的示意性剖视图。
图5是根据本发明的一个实施例的薄膜晶体管的部分示意性顶视图。
图6是示出包含本文所述的多种n型有机半导体材料的沟道长度为50μm和10μm的薄膜晶体管之间的载流子迁移率变化(即，具有不同沟道长度的其他相同的薄膜晶体管之间的载流子迁移率差，表示为相对于较长沟道晶体管的百分比变化)的曲线图。
图7是示出本文所述的多种薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
图8是示出包含本文所述的多种n型有机半导体材料的沟道长度为50μm和20μm、10μm或5μm的薄膜晶体管的载流子迁移率变化的一组曲线图。
图9是示出本文所述的薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
图10是示出包含本文所述的多种n型有机半导体材料的沟道长度为50μm和20μm或10μm的薄膜晶体管的载流子迁移率变化的一组曲线图。
图11是示出本文所述的薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
图12是示出包含本文所述的多种n型有机半导体材料的沟道长度为50μm和20μm或10μm的薄膜晶体管的载流子迁移率变化的一组曲线图。
图13是示出本文所述的薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
图14是示出包含本文所述的多种n型有机半导体材料的沟道长度为50μm和20μm或10μm的薄膜晶体管的载流子迁移率变化的一组曲线图。
图15是示出本文所述的薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
图16是示出本文所述的薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
图17是示出包含具有各种异构体比率的半导体材料的薄膜晶体管之间的载流子迁移率变化的一组曲线图。
图18是示出包含本文所述的n型有机半导体材料的沟道长度为50μm或10μm的薄膜晶体管之间的载流子迁移率变化。
图19是示出本文所述的薄膜晶体管的输出特性的一组曲线图。
具体实施方式
本文所述的细节仅以举例方式示出，并且仅用于例示性地讨论本发明的优选实施例，其目的在于提供据信为本发明的各种实施例的原理和概念方面的最有用并且最容易理解的描述。就这一点而言，并未试图以超出对本发明的基本理解所必需的程度示出本发明的结构细节，其中结合附图和/或实例进行的描述使得如何在实践中实施本发明的多种形式对于本领域的技术人员而言显而易见。因此，在描述本发明所公开的工艺和设备之前，应当理解，本文所述的方面不限于特定的实施例、装置或构造，并因此当然可以变化。还应当理解，本文所用的术语仅出于描述特定方面的目的，并且除非本文中特别定义，否则并非旨在进行限制。
除非本文另外指明或与上下文明显相冲突，否则描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)的术语“一”和“一个”和“所述”及类似的指代物应被理解为涵盖单数和复数两者。本文中数值范围的表述仅仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的缩略方法。除非本文另外指明，否则将每个单独的值结合到本说明书中，如同在本文中单独列举的那样。范围可在本文中表示为从“约”一个特定值、和/或至“约”另一个特定值。当表达此类范围时，另一方面包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，在利用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，该特定值形成另一方面。还应当理解，每个范围的端点在相对于另一个端点和独立于另一个端点方面都是显著的。
除非本文另外指明或以其他方式与上下文明显相冲突，否则本文所述的所有方法均可按任何合适的步骤顺序执行。本文所提供的任何及所有实例或示例性语言(例如，“诸如”)仅仅旨在是为了更好地示出本发明，并且除非另外要求，否则对本发明的范围不构成限制。本说明书中的语言不应理解为指示任何非要求保护的元素是实践本发明所必不可少的。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，字词“包括”和“包含”等应被理解为具有包含性的含义，而不应被理解为具有排他性或穷举性的含义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上使用。使用单数或复数的字词也分别包括复数和单数。此外，在本专利申请中使用的字词“本文”、“上文”、“下文”以及类似意义的字词应当是指整个专利申请，而不是指本专利申请的任何特定部分。
如本领域的普通技术人员将理解的，本文所公开的每个实施例可包括其中具体所述的要素、步骤、成分或部件，基本上由所述要素、步骤、成分或部件组成，或由所述要素、步骤、成分或部件组成。如本文所用，过渡术语“包括”或“包含”意指包括但不限于并且允许甚至大量包括未指定的要素、步骤、成分或部件。过渡短语“由……组成”不包括未指定的任何要素、步骤、成分或部件。过渡短语“基本上由……组成”将实施例的范围限制为指定的要素、步骤、成分或部件以及对实施例无实质性影响的那些要素、步骤、成分或部件。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中所用的表示成分的量、诸如分子量的特性、反应条件等等的所有数字在所有情况下均应理解为被术语“约”修饰。因此，除非指明是相反情况，否则说明书和所附权利要求中提出的数值参数是可能根据通过本发明寻求获得的所需特性而改变的近似值。至少，而且并非试图将等同原则的适用范围限制在权利要求书的范围内，每个数值参数至少应该根据所报告有效数字的数量，通过应用普通舍入技术来解释。当需要进一步澄清时，术语“约”具有本领域技术人员在与所述数值或范围一起使用时合理地归属于它的含义，即，在本领域典型的精确度范围内，表示稍大于或稍小于所述数值或范围。
虽然在本发明的广泛范围内所示的数字范围和参数为近似值，但具体实施例中所示的数值会尽可能准确地报告。但是，任何数值固有地含有某些必然产生自它们各自测量值范围内的标准偏差的误差。
本文所公开的发明的替代要素或实施例的分组不应理解为限制性的。每个组成员可以单独引用和受权利要求书保护或与组中的其他成员或其中发现的其他要素以任何组合方式引用和受权利要求书保护。预期组的一个或更多个组员可以由于方便和/或专利性的原因包含在组中或从组中删除。当任何此类添加或删除发生时，说明书被视为包含修改的组，从而实现对所附权利要求书中使用的所有Markush形式的组的书面说明。
本文描述了本发明的一些实施例，包括本发明人已知的实施本发明的最佳模式。当然，这些所述的实施例的变型形式对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。本发明人期望技术人员在适当的情况下使用此类变型形式，并且本发明人打算以不同于本文具体描述的方式实践本发明。因此，本发明包括适用法律允许的随附权利要求书中所述主题的所有修改和等同形式。此外，除非另外指明或以其他方式与上下文明显相冲突，否则本发明涵盖上述元素在其所有可能变型形式中的任意组合。
此外，在整个说明书中，对专利和印刷出版物进行了大量引用。每篇引用的参考文献和印刷出版物全文分别以引用方式并入本文中。
最后，应当理解，本文所公开的发明的实施例是对本发明原理的例示性说明。可以采用的其他修改处于本发明的范围内。因此，以举例方式但并非限制性地，可根据本文的教导来利用本发明的替代构造。因此，本发明不限于所显示和描述的内容。
本公开涉及式I的n型有机半导体材料：
Figure BDA0003074774120000071
其中
R1为-C2H5、-C3H7或-C4H9；并且
R2为-CN并且R3为-H；或
R2为-H并且R3为-CN。
本公开证明了此类材料是稳健的和可溶液处理的，并且可在短沟道薄膜晶体管中表现出出乎意料的高载流子迁移率。
如本文所用，“可溶液处理的”或“经溶液处理的”是指材料(例如，本发明的化合物)经由各种液相法(即，其中材料溶解在溶液中)进行处理的能力。如本文所用，“p型半导体材料”或“p型半导体”是指具有空穴作为多数电流载流子的半导体材料。如本文所用，“n型半导体材料”或“n型半导体”是指具有电子作为多数电流载流子的半导体材料。如本文所用，术语“载流子迁移率”是指电荷载流子(例如，空穴或电子)在电场影响下移动穿过材料(例如，分别为p型半导体材料或n型半导体材料)的速度。当参考场效应器件时，“载流子迁移率”可与“场效应迁移率”互换使用。
因此，本发明的一个方面是一种薄膜晶体管。在图1中以示意性剖视图示出了这种薄膜晶体管的实施例。图1的晶体管被配置为底栅-顶接触结构类型的场效应晶体管1a。晶体管1a包括电介质层8，该电介质层具有第一侧18和相对的第二侧28。邻近电介质层的第一侧(例如，以各种方式与电介质层的第一侧接触或在电介质层的第一侧的1微米、500nm或200nm内)设置有半导体部件6(包含根据式I的n型有机半导体材料)、源电极2和漏电极4。在图1的配置中，半导体部件6抵靠电介质层8设置，并且源电极2和漏电极4抵靠与电介质层8相对的半导体部件6设置；如下文可见并且如本领域普通技术人员所理解的，其他配置是可能的。半导体部件6设置在源电极2和漏电极4之间并与源电极和漏电极接触。栅电极10设置为邻近电介质层的与半导体部件相对的第二侧(例如，与电介质层的第二侧接触或在电介质层的第二侧的1微米、500nm或200nm内)。薄膜晶体管具有在半导体部件中测量为从源电极到漏电极的最短路径的沟道长度，在图1中由双箭头指示。值得注意的是，在本公开的特别期望的实施例中，沟道长度不超过20μm。如在薄膜半导体器件中常见的，各种部件一起设置在基底12上。
图2、图3和图4分别示出了另外三种常见的场效应晶体管结构(底栅-底接触(1b)、顶栅-底接触(1c)和顶栅-顶接触(1d))，这三种场效应晶体管结构各自包括栅极电介质层(8′、8〃和8′″)、半导体部件(6′、6″和6′″)(包含根据式I的n型有机半导体材料)、栅电极(10′、10〃和10′″)、源电极(2′、2〃和2′″)、漏电极(4′、4〃和4′″)。在图2至图4的配置的每一个中，半导体部件与源电极和漏电极接触，并且栅极电介质部件在一侧上半导体部件接触并且在相对侧上与栅电极接触。这些结构由基底(12′、12〃和12′″)支撑。沟道长度(期望不超过20微米)在每个图中由双箭头指示。
本领域的普通技术人员将理解，如本文另外描述的，在薄膜晶体管中可包括其他部件。例如，具有(例如，图1和图2的)顶栅配置的薄膜晶体管可包括抵靠与电介质层相对的栅电极设置的阻挡层或钝化层。在另一示例中，具有(例如，图3和图4的)底栅配置的薄膜晶体管可包括抵靠半导体部件和/或与电介质层相对的源极和漏极电极布置的阻挡层或钝化层。
根据本发明一个实施例的薄膜晶体管装置的部分示意顶视图以图5提供。该视图仅示出源电极和漏电极(52,54)与半导体部件56的重叠。箭头57表示沟道长度。沟道宽度由箭头58指示并且在垂直于长度的方向上测量为半导体部件设置在源电极和漏电极之间的距离。
半导体部件包含选自以下项的一种或多种化合物：N,N’-双[1-甲基丙基]-1,7-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(1A)；N,N’-双[1-乙基丙基]-1,6-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(1B)；N,N’-双[1-甲基丁基]-1,7-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(2A)；N,N’-双[1-甲基丁基]-1,6-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(2B)；N,N’-双[1-甲代戊基]-1,7-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(3A)；以及N,N’-双[1-甲基丁基]-1,6-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(3B)：
Figure BDA0003074774120000091
这种类型的化合物的各种合成方法以及其使用的各种细节(包括溶液处理以形成薄膜半导体器件)在美国专利号7,671,202、7,902,363、8,404,844和9,147,850中有所描述，其每一者都全文据此以引用方式并入本文。
在如本文另外描述的某些实施例中，半导体部件由至少75重量％的一种或多种化合物形成。例如，在某些此类实施例中，半导体部件由至少80重量％、或至少85重量％、或至少90重量％、或至少92.5重量％、或至少95重量％、或至少97.5重量％、或至少98重量％、或至少98.5重量％、或至少99重量％、或至少99.5重量％的一种或多种化学物形成。在如本文另外描述的某些实施例中，半导体部件基本上由一种或多种化合物组成。
例如，在如本文另外描述的某些实施例中，半导体部件包含化合物1A和/或1B，例如，区域异构化合物1A和1B两者的混合物。在某些此类实施例中，半导体部件由至少75重量％(例如，至少90重量％、或至少95重量％、或至少98重量％)的化合物1A和/或1B(例如，区域异构化合物1A和1B的混合物)形成。在某些此类实施例中，半导体部件基本上由化合物1A和/或1B(例如，化合物1A和1B的混合物)组成。在其他实施例中，半导体部件由至少2重量％(例如，至少5重量％、或至少10重量％、或至少25重量％、或至少40重量％)的化合物1A和/或1B(例如，区域异构化合物1A和1B两者的混合物)形成。在某些此类实施例中，半导体部件可在基体聚合物中提供，例如，聚苯乙烯、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(α-乙烯萘)、聚(乙烯基甲苯)、聚乙烯、顺-聚丁二烯、聚丙烯、聚异戊二烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚(4-甲基苯乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(2-甲基-1,3-丁二烯)、聚(对苯二甲)、聚(α-α-α′-α′四氟邻苯二腈-对苯二甲)、聚[1,1-(2-甲基丙烷)双(4-苯基)碳酸酯]、聚(甲基丙烯酸环己酯)、聚(氯苯乙烯)、聚(2,6-二甲基-1,4-苯醚)、聚异丁烯、聚(乙烯基环已烷)、聚(肉桂酸乙烯酯)、聚(4-乙烯基联苯)、聚碳酸酯、聚亚苯基和环烯烃聚合物，诸如商标名为TOPAS的那些。例如，半导体部件可由至少80重量％、或至少90重量％、或甚至至少95重量％的化合物1A和/或1B和基体聚合物形成。
在如本文另外描述的某些实施例中，化合物1A和1B的摩尔比(即，1A:1B)为例如至少2:1、至少3:1、至少4:1、至少5:1、或至少6:1。在某些此类实施例中，摩尔比1A:1B在2:1至50:1的范围内，例如，在3:1至50:1、或3.5:1至50:1、或4:1至50:1、或5:1至50:1、或6:1至50:1、或5:1至25:1、或6:1至10:1的范围内。
在另一示例中，在如本文另外描述的某些实施例中，半导体部件包含化合物2A和/或2B，例如，区域异构化合物2A和2B两者的混合物。在某些此类实施例中，半导体部件由至少75重量％(例如，至少90重量％、或至少95重量％、或至少98重量％)的化合物2A和/或2B(例如，区域异构化合物1A和2B的混合物)形成。在某些此类实施例中，半导体部件基本上由化合物2A和/或2B(例如，化合物2A和2B的混合物)组成。在其他实施例中，半导体部件由至少2重量％(例如，至少5重量％、或至少10重量％、或至少25重量％、或至少40重量％)的化合物2A和/或2B(例如，区域异构化合物2A和2B两者的混合物)形成。在某些此类实施例中，半导体部件可在基体聚合物中提供，例如，聚苯乙烯、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(α-乙烯萘)、聚(乙烯基甲苯)、聚乙烯、顺-聚丁二烯、聚丙烯、聚异戊二烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚(4-甲基苯乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(2-甲基-1,3-丁二烯)、聚(对苯二甲)、聚(α-α-α′-α′四氟邻苯二腈-对苯二甲)、聚[1,1-(2-甲基丙烷)双(4-苯基)碳酸酯]、聚(甲基丙烯酸环己酯)、聚(氯苯乙烯)、聚(2,6-二甲基-1,4-苯醚)、聚异丁烯、聚(乙烯基环已烷)、聚(肉桂酸乙烯酯)、聚(4-乙烯基联苯)、聚碳酸酯、聚亚苯基和环烯烃聚合物，诸如商标名为TOPAS的那些。例如，半导体部件可由至少80重量％、或至少90重量％、或甚至至少95重量％的化合物1A和/或1B和基体聚合物形成。
在如本文另外描述的某些实施例中，化合物2A和2B的摩尔比(即，2A:2B)为例如至少2:1、至少3:1、至少4:1、至少5:1、或至少6:1。在某些此类实施例中，摩尔比2A:2B在2.5:1至50:1的范围内，例如，在3:1至50:1、或3.5:1至50:1、或4:1至50:1、或5:1至50:1、或6:1至50:1、或5:1至25:1、或6:1至10:1的范围内。
在另一示例中，在如本文另外描述的某些实施例中，半导体部件包含化合物3A和/或3B，例如，区域异构化合物3A和3B两者的混合物。在某些此类实施例中，半导体部件由至少75重量％(例如，至少90重量％、或至少95重量％、或至少98重量％)的化合物3A和/或3B(例如，区域异构化合物3A和3B两者的混合物)形成。在某些此类实施例中，半导体部件基本上由化合物3A和/或3B(例如，化合物3A和3B的混合物)组成。在其他实施例中，半导体部件由至少2重量％(例如，至少5重量％、或至少10重量％、或至少25重量％、或至少40重量％)的化合物3A和/或3B(例如，区域异构化合物3A和3B两者的混合物)形成。在某些此类实施例中，半导体部件可在基体聚合物中提供，例如，聚苯乙烯、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(α-乙烯萘)、聚(乙烯基甲苯)、聚乙烯、顺-聚丁二烯、聚丙烯、聚异戊二烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚(4-甲基苯乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(2-甲基-1,3-丁二烯)、聚(对苯二甲)、聚(α-α-α′-α′四氟邻苯二腈-对苯二甲)、聚[1,1-(2-甲基丙烷)双(4-苯基)碳酸酯]、聚(甲基丙烯酸环己酯)、聚(氯苯乙烯)、聚(2,6-二甲基-1,4-苯醚)、聚异丁烯、聚(乙烯基环已烷)、聚(肉桂酸乙烯酯)、聚(4-乙烯基联苯)、聚碳酸酯、聚亚苯基和环烯烃聚合物，诸如商标名为TOPAS的那些。例如，半导体部件可由至少80重量％、或至少90重量％、或甚至至少95重量％的化合物1A和/或1B和基体聚合物形成。
在如本文另外描述的某些实施例中，化合物3A和/或3B的摩尔比(即，3A:3B)为例如至少2:1、至少3:1、至少4:1、至少5:1、或至少6:1。在某些此类实施例中，摩尔比3A:3B在2.5:1至50:1的范围内，例如，在3:1至50:1、或3.5:1至50:1、或4:1至50:1、或5:1至50:1、或6:1至50:1、或5:1至25:1、或6:1至10:1的范围内。
如上所述，如本文另外描述的有利薄膜晶体管的沟道长度不超过20μm，例如，在3-20μm、或5-20μm、或8-20μm、或10-20μm的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，沟道长度不超过18μm，例如在3-18μm、或5-18μm、或8-18μm、或10-18μm的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，沟道长度不超过15μm，例如在3-15μm、或5-15μm、或8-15μm、或10-15μm的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，沟道长度不超过14μm，例如在3-14μm、或5-14μm、或8-14μm、或10-14μm的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，沟道长度不超过13μm，例如在3-13μm、或5-13μm、或8-13μm、或10-13μm的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，沟道长度不超过12μm，例如在3-12μm、或5-12μm、或8-12μm、或10-12μm的范围内。
本领域普通技术人员将参考期望的器件性质、化合物性质、器件架构和制造工艺来选择半导体部件的厚度。在如本文另外描述的某些实施例中，半导体部件具有在10nm至100nm的厚度。例如，在某些此类实施例中，半导体部件厚度在10nm至90nm、或10nm至80nm、或10nm至70nm、或10nm至60nm、或20nm至100nm、或30nm至100nm、或40nm至100nm、或20nm至90nm、或20nm至80nm、或20nm至70nm、或20nm至60nm的范围内。在某些此类实施例中，沟道长度不超过18μm(例如，不超过15μm)。
如本文另外描述的薄膜晶体管具有垂直于半导体部件厚度和沟道长度的沟道宽度。在如本文另外描述的某些实施例中，沟道宽度多达4mm，例如，多达3mm、多达2mm、或多达1mm。在某些此类实施例中，沟道宽度在0.01mm至4mm的范围内。例如，在某些实施例中，沟道宽度在0.01mm至3mm、或0.01mm至2mm、或0.01mm至1mm、或0.01mm至0.5mm、或0.01mm至0.3mm、或0.01mm至0.2mm、或0.01mm至0.15mm、或0.01mm至0.1mm、或0.015mm至4mm、或0.015mm至2mm、或0.015mm至1mm、或0.015mm至0.5mm、或0.015mm至0.2mm、或0.015mm至0.1mm的范围内。
如上所述，如本文另外描述的薄膜晶体管包括源电极、漏电极和栅电极。在如本文另外描述的某些实施例中，源电极、漏电极和栅电极中的一者或多者包含金属或金属合金，该金属或金属合金包括铜、铝、金、银、铂、钯、钼、镍或其任何混合物，或导电聚合物，诸如聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)。在如本文另外描述的某些实施例中，源电极、漏电极和栅电极中的每一者独立地包括金层、银层、铜层或钼层。在如本文另外描述的某些实施例中，源电极、漏电极和栅电极中的一者或多者独立地包括银层。在某些此类实施例中，源电极、漏电极和栅电极中的每一者包括银层。在某些此类实施例中，源电极和漏电极中的一者或多者(例如，每一者)进一步包括接触改性层(例如，设置为邻近半导体部件，以便于电荷注入)，诸如自组装单分子层。在某些此类实施例中，栅电极进一步包括接触改性层(例如，设置为邻近电介质层)。
如本文另外描述的薄膜晶体管的源电极、漏电极和栅电极中的每一者独立地具有在半导体部件厚度方向上的厚度。在如本文另外描述的某些实施例中，源电极、漏电极和栅电极中的每一者独立地具有在30nm至500nm范围内的厚度。
如上所述，如本文另外描述的薄膜晶体管包括电介质层。在某些实施例中，电介质层具有至少2.5或甚至至少4的介电常数。在如本文另外描述的某些实施例中，电介质层的介电常数在2.5-25的范围内，例如在2.5-15、2.5-10、或2.5-7、或4-25、或4-15、或4-10、或4-7的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，电介质层的箔电容在3nF/cm2至30nF/cm2的范围内。例如，在某些此类实施例中，电介质层的箔电容在3nF/cm2至22.5nF/cm2、或3nF/cm2至20nF/cm2、或3nF/cm2至17.5nF/cm2、或3nF/cm2至15nF/cm2、或3nF/cm2至12.5nF/cm2、或3nF/cm2至10nF/cm2、或5nF/cm2至30nF/cm2、或7.5nF/cm2至30nF/cm2、或10nF/cm2至30nF/cm2、或12.5nF/cm2至30nF/cm2、或15nF/cm2至30nF/cm2、或17.5nF/cm2至30nF/cm2、或20nF/cm2至30nF/cm2、或5nF/cm2至25nF/cm2、或7.5nF/cm2至20nF/cm2、或10nF/cm2至15nF/cm2的范围内。在如本文另外描述的某些实施例中，电介质层包含选自电介质聚合物和无机(例如，金属氧化物)电介质材料的一种或多种电介质材料(例如，作为混合物，或作为两种或多种亚层)。如本文所用，术语“电介质材料”是指具有大约10-6S cm-1或更小电导率的材料。在某些此类实施例中，电介质层(包括电介质聚合物层和无机电介质材料层)进一步包括夹层(即，用于改善层兼容性)。在如本文另外描述的某些实施例中，电介质层包含选自以下项的一种或多种电介质聚合物：氟化对二甲苯、氟聚芳醚、含氟聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(α-乙烯萘)、聚(乙烯基甲苯)、聚乙烯、顺-聚丁二烯、聚丙烯、聚异戊二烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚(四氧乙烯)、聚(氯三氟乙烯)、聚(2-甲基-1,3-丁二烯)、聚(对苯二甲)、聚(α-α-α′-α′-四氟邻苯二腈-对苯二甲)、聚[1,1-(2-甲基丙烷)双(4-苯基)碳酸酯]、聚(甲基丙烯酸环己酯)、聚(4-氯苯乙烯)、聚(2,6-二氯苯乙烯)、聚(4-溴苯乙烯)、聚(2,6-二甲基-1,4-苯醚)、聚异丁烯、聚(乙烯基环已烷)、聚(亚芳基醚)、聚亚苯基、聚(乙烯/四氟乙烯)、聚(乙烯/三氟氯乙烯)、氟化乙烯/丙烯共聚物、聚苯乙烯-α-甲基苯乙烯共聚物、乙烯/乙酸乙酯共聚物、聚(苯乙烯/丁二烯)、聚(苯乙烯/2,4-二甲基酸)、聚丙烯-co-1-丁烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(2-甲基丙烯酸羟乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸苄酯)、聚(乙烯基苯酚)、聚(乙烯醇)、聚(乙烯醇-乙烯)、聚(异丁烯/甲基丙烯酸甲酯)、聚(乙烯基苯酚/甲基丙烯酸甲酯)、聚(氯乙烯)、多糖诸如2-羟乙基纤维素、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、乙基纤维素；氰化(乙氧基化)多糖诸如蓝藻多糖(例如，
Figure BDA0003074774120000151
)、苯并环丁烯基聚合物、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(4-乙烯基吡啶)、聚(4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸丁酯)、聚(4-乙烯基吡啶-共苯乙烯)、聚(1-乙烯基吡咯烷酮-苯乙烯)、聚(1-乙烯基吡咯烷酮-乙酸乙烯酯)、聚(偏二氟乙烯)、聚丙烯腈、聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚(丙烯腈-丙烯酸甲酯)、聚丙烯酰胺、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚(2-乙基-2-恶唑啉)、聚乙烯吡咯烷酮、聚(p五氟苯乙烯)、聚(二甲基硅氧烷)、聚(四氢呋喃)、聚(甲基乙烯基醚)、聚(甲基乙烯基醚-马来酸酐)、聚(乙基乙烯基醚)、聚(乙烯-马来酸酐)、聚(烯丙胺)、聚(乙亚胺)、聚(醋酸乙烯酯)、聚(肉桂酸乙烯酯)、聚(硬脂酸乙烯酯)、聚(丙酸乙烯酯)、聚(甲酸乙烯酯)、聚(乙二醇)、聚(丙二醇)、聚(苯乙烯-丙烯腈)、聚(马来酸酐-alt-1-十八烷)、聚(甲基丙烯酸四氢呋喃酯)、聚(碳酸双酚A)、聚(碳酸亚丙酯)、聚(1,4-对苯二甲酸丁二醇酯)、聚(间苯二甲酸二烯丙基酯)、聚(六氟环氧丙烷)、聚(氟环氧丙烷-全氟甲醛)和全氟(1-丁烯基乙烯基醚)均聚物(例如，
Figure BDA0003074774120000152
)。
在如本文另外描述的某些实施例中，薄膜晶体管进一步包括支撑上述各种器件部件的基底。本领域普通技术人员将理解，可使用多种材料作为基底。在如本文另外描述的某些实施例中，薄膜晶体管包括包含塑料层、半导体层(例如，硅层)和/或玻璃层的基底。例如，在某些此类实施例中，基底包含塑料层，该塑料层包含以下项中的一种或多种：聚酯(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚碳酸酯)、聚烯烃(诸如聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯)、聚苯硫醚(诸如聚苯硫醚)、聚酰胺、聚芳酰胺、聚醚醚酮、聚酰亚胺、丙烯酸树脂和聚甲基丙烯酸甲酯。在另一示例中，在某些实施例中，基底包含玻璃层，诸如钠钙玻璃、石英和
Figure BDA0003074774120000161
也可使用诸如硅的半导体基底。在如本文另外描述的某些实施例中，基底进一步包含缓冲层或平坦化层(例如，设置为邻近器件层的叠堆，以改进层兼容性)。
有利地，本发明的发明者已确定本文所述的n型有机半导体材料的使用可在短沟道薄膜晶体管(例如，沟道长度为至多20μm、或至多15μm、或至多10μm)中表现出相对高的载流子迁移率。例如，在某些实施例中，如本文另外描述的薄膜晶体管(即，沟道长度不超过20μm)的载流子迁移率是沟道长度为50μm的其他相同晶体管的载流子迁移率的至少50％。在某些此类实施例中，如本文另外描述的薄膜晶体管的载流子迁移率是沟道长度为50μm的其他相同晶体管的载流子迁移率的至少55％、或至少60％、或至少65％、或至少70％、或至少75％或至少80％。
本文所述的薄膜晶体管可通过本领域技术人员已知的各种沉积工艺中的一种或多种来制造。例如，如本文另外描述的薄膜晶体管的半导体部件、源电极和漏电极可通过诸如例如溅射、离子辅助沉积(IAD)、物理气相沉积、印刷(例如，柔性版印刷、照相平版印刷、照相凹版印刷、喷墨、移印等)、滴铸、浸涂、刮涂、辊涂和旋涂的工艺来形成。例如，包含如本文所述的有机n型半导体材料的涂料配方可经由溶液相在源电极和漏电极之间沉积到基底上以形成顶栅薄膜晶体管的半导体部件。在各种方面和实施例中，电触点(例如，源电极、漏电极和/或栅电极)可通过诸如热蒸发、射频或电子束溅射、柔性版印刷、照相平版印刷、照相凹版印刷、喷墨、移印、丝网印刷、滴铸、浸涂、刮涂、辊涂、旋涂的工艺来形成。本领域普通技术人员将选择提供期望结构的过程和参数(例如，配置、半导体部件厚度、沟道长度等)。
实例
下面的实例说明本发明的具体实施例及其各种用途。它们仅用于解释目的，不应被视为限制本发明。
器件制造
根据已知方法制备n型有机半导体材料1-3和对比材料C4-C8(见下表1)。在顶栅-底接触晶体管配置中对材料进行评估。基底材料为玻璃(PGO玻璃)、PEN(如杜邦提供)或PI基底。使用了可商购的电介质材料(例如，
Figure BDA0003074774120000171
聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)等)。电触点为Au、Ag、Cu或Mo。除金属蒸发和溅射以外的所有器件制造工艺均在环境条件下进行。
表1.n型半导体材料
Figure BDA0003074774120000172
Figure BDA0003074774120000181
实例1.薄膜晶体管A
在聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基底上制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料1-3和对比材料C4-C8中的一种。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过光刻法将溅射的Ag源极-漏极触点(30-500nm厚)图案化。沟道长度和宽度分别为10-50μm和1mm。在触点上施加接触改性层(在醚溶剂中约1-5重量％，搅炼5分钟，旋干)以改善半导体/接触界面。将这些基底用半导体材料涂覆，通过旋涂进行沉积(在碳氢化合物混合物中浓度为约1-10mg/mL，700-2000rpm，膜在加热板上以约110℃干燥5分钟)。典型的半导体膜厚度为20-60nm。接着，对电介质层进行旋涂(约20-200mg/mL，700-2000rpm)。膜的介电常数(ε)为约3.0-3.2。膜的箔电容为约4nF/cm2。通过对溅射的Ag层(30-150nm厚)进行光刻图案化以形成栅极触点来完成器件A-1、A-2、A-3、A-C3、A-C4、A-C5、A-C6、A-C7和A-C8(见下表2)。
实例2.薄膜晶体管B
在聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基底上制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料1-2和对比材料C5-C6中的一种。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过光刻法将溅射的Ag源极-漏极触点(30-500nm厚)图案化。沟道长度和宽度分别为5-50μm和1mm。在触点上施加接触改性层(在醚溶剂中约1-5重量％，搅炼5分钟，旋干)以改善半导体/接触界面。将这些基底用半导体材料涂覆，通过旋涂进行沉积(在碳氢化合物混合物中浓度为约1-10mg/mL，700-2000rpm，膜在加热板上以约110℃干燥5分钟)。典型的半导体膜厚度为20-60nm。接着，对
Figure BDA0003074774120000191
电介质层进行旋涂(AGC CTL-809M，1500-3000rpm)。膜的介电常数(ε)为约2.4，并且箔电容为约3nF/cm2。通过借由阴影掩模对图案化的Au栅极触点(约100nm厚)进行气相沉积来完成器件B-1,B-2,B-C5和B-C6(见下表3)。
实例3.薄膜晶体管C
在聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基底上制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料2-3、对比材料C5和对比材料C7中的一种。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过光刻法将热蒸发的Au金属源极-漏极触点(30-500nm厚)图案化。沟道长度和宽度分别为10-50μm和1mm。在触点上施加接触改性层(在醚溶剂中约1-5重量％，搅炼5分钟，旋干)以改善半导体/接触界面。将这些基底用半导体材料涂覆，通过旋涂进行沉积(在碳氢化合物混合物中浓度为约1-10mg/mL，700-2000rpm，膜在加热板上以约110℃干燥5分钟)。典型的半导体膜厚度为20-60nm。接着，对PMMA电介质层进行旋涂(在乙酸混合物中30～100mg/ml，1500-3000rpm)。膜的介电常数(ε)为约3.3，并且箔电容为约4nF/cm2。通过借由阴影掩模对图案化的Au栅极触点(约100nm厚)进行气相沉积来完成器件C-2,C-3,C-C5和C-C7(见下表4)。
实例4.薄膜晶体管D
在聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基底上利用金电极、银电极、铜电极和钼电极制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料3和对比材料C7中的一种。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过光刻法将热蒸发的或溅射的(Au、Ag、Cu或Mo)金属源极-漏极触点(30-500nm厚)图案化。沟道长度和宽度分别为10-50μm和1mm。为了改善半导体/接触界面，在不同的接触面上分别施加不同的接触改性层。将这些基底用半导体材料涂覆，通过旋涂进行沉积(在碳氢化合物混合物中浓度为约1-10mg/mL，700-2000rpm，膜在加热板上以约110℃干燥5分钟)。典型的半导体膜厚度为20-60nm。接着，对PMMA电介质层进行旋涂(在乙酸混合物中30～100mg/ml，1500-3000rpm)。膜的介电常数(ε)为约3.3，并且箔电容为约4nF/cm2。通过借由阴影掩模对图案化的栅极触点(Au、Ag、Cu或Mo；约100纳米厚)进行气相沉积来完成器件D-3-Au、D-3-Ag、D-3-Cu、D-3-Mo、D-C7-Au、D-C7-Ag、D-C7-Cu和D-C7-Mo(见下表5)。
实例5.薄膜晶体管E
在PEN基底上经由照相凹版印刷和喷墨印刷制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料2和对比材料C5中的一种。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过光刻法将溅射的Ag源极-漏极触点(30-500nm厚)图案化。沟道长度和宽度分别为10-50μm和1mm。在触点上施加接触改性层(在醚溶剂中约1-5重量％，搅炼5分钟，旋干)以改善半导体/接触界面。将这些基底用半导体材料涂覆，通过凹版印刷进行沉积(碳氢化合物混合物中的浓度为约0.2-2％，Norbert SchlafliLabratester打印机，节距尺寸71um，目尺寸140行/cm，单元体积7.2ml/m2，印刷速度0.1m/s)或喷墨印刷(碳氢化合物溶剂中的浓度为约0.2-2％w/w，Fujifilm Dimatix DMP-2850打印机，液滴尺寸＝10pL)。然后，将半导体膜在110℃下在加热板上干燥5分钟。典型的半导体膜厚度为20-100nm。接着，对
Figure BDA0003074774120000201
电介质层进行旋涂(AGC CTL-809M，1500-3000rpm)。膜的介电常数(ε)为约2.4，并且箔电容为约3nF/cm2。通过借由阴影掩模对图案化的Au栅极触点(约100nm厚)进行气相沉积来完成器件E-2-Grav、E-2-Ink、E-C5-Grav和E-C5-Ink(见下表6)。
实例6.薄膜晶体管F
在玻璃基底上制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料2和对比材料C7中的一种。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过光刻法将溅射的Ag源极-漏极触点(30-500nm厚)图案化。沟道长度和宽度分别为10-50μm和0.1mm。将这些基底用半导体材料涂覆，通过旋涂进行沉积(在碳氢化合物混合物中浓度为约1-10mg/mL，700-2000rpm，膜在加热板上以约110℃干燥5分钟)。典型的半导体膜厚度为20-60nm。接着，将电介质层旋涂(20～200mg/mL，700-2000rpm)并暴露于UV光。薄膜的介电常数为约12，并且膜的箔电容为约20nF/cm2，是实例2-5的电介质层的约5-7倍。通过借由阴影掩模对图案化的Ag栅极触点(约100nm厚)进行气相沉积来完成器件F-2和F-C7(见下表7)。
实例7.薄膜晶体管G
在玻璃基底上制造其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含：约63-93摩尔％的N,N’-双[1-甲基丁基]-1,7-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(化合物2A)和余量N,N’-双[1-甲基丁基]-1,6-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(化合物2B)的混合物，或者约72-94摩尔％的N,N’-双[2-乙基己基]-1,7-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(化合物C5A)和余量N,N’-双[2-乙基己基]-1,6-双氰基丙烯-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺)(化合物C5B)的对比混合物。将基底用平坦化膜涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。通过阴影掩模对热蒸发的Au源极-漏极触点(50nm厚)进行图案化。沟道长度和宽度分别为50μm和0.1mm。在触点上施加接触改性层(在醚溶剂中约1-5重量％，搅炼5分钟，旋干)以改善半导体/接触界面。将这些基底用半导体材料涂覆，通过旋涂进行沉积(在碳氢化合物混合物中浓度为约1-10mg/mL，700-2000rpm，膜在加热板上以约110℃干燥5分钟)。典型的半导体膜厚度为20-60nm。接着，对电介质层进行旋涂(约20-200mg/mL，700-2000rpm)。膜的介电常数(ε)为约3.0-3.2，并且膜的箔电容为约4nF/cm2。通过热蒸发的Au层(50nm厚)形成栅极触点来完成器件。
实例8.薄膜晶体管H
在PEN基底上经由照相凹版印刷制造具有不同沟道长度的其他相同的顶栅-底接触薄膜晶体管，这些薄膜晶体管包含半导体材料2。将基底用平坦化层涂覆。将平坦化材料的二氧六环溶液旋涂(80-110mg/mL；1500-2000rpm)到基底上以提供约300-500nm厚的层。将该膜用UV光(λ＝300nm)交联并在热板上干燥(110℃，10分钟)以提供稳健、完全不溶的平坦化层。对Ag源极-漏极触点(30-500nm厚)进行凹版印刷(Inktek Ag胶体墨水，NorbertSchlafli Labratester打印机，节距尺寸71um，目尺寸140行/cm，单元体积7.2ml/m2，印刷速度0.1m/s)，然后在氮气炉进行120℃/10分钟热退火。沟道长度和宽度分别为20-50μm和1mm。在触点上施加接触改性层(在醚溶剂中约1-5重量％，搅炼5分钟，旋干)以改善半导体/接触界面。将这些基底用半导体材料涂覆，通过凹版印刷进行沉积(碳氢化合物混合物中浓度约0.2-2％w/w，Norbert Schlafli Labratester打印机，节距尺寸71um，目尺寸140行/cm，单元体积7.2ml/m2，印刷速度0.1m/s)。然后将半导体膜在110℃下在加热板上干燥5分钟。典型的半导体膜厚度为20-100nm。接着，对电介质层进行凹版印刷(醚溶剂中浓度约0.5-5％w/w，Norbert Schlafli Labratester打印机，节距尺寸71um，目尺寸140行/cm，单元体积7.2ml/m2，印刷速度0.1m/s)。膜的介电常数(ε)为3.0～3.2，并且膜的箔电容为约3.2nF/cm2。通过对图案化的Ag栅极触点进行凹版印刷来完成器件H-2(Inktek Ag胶体墨水，Norbert Schlafli Labratester打印机，约100nm厚)。
实例9.器件表征
使用Keithley 4200半导体表征系统对底栅器件执行所有的电学/TFT表征。4200SCS系统由三个源测量单元(SMU)组成，所有单元均配有远程前置放大器。测试系统的另一个主要部件是Signatone探测台。三轴电缆和探头用于所有电极，以提供第一级屏蔽。为避免曝光，并进一步降低环境噪声，采用了深色/金属盒外壳。
用标准场效应晶体管方程计算晶体管载流子迁移率(μ)。在传统的金属-绝缘体-半导体FET(MISFET)中，在不同的VG下，IDS与VDS曲线中通常存在线性和饱和状态(其中IDS是源极-漏极饱和电流，VDS为源极与漏极之间的电势，并且VG为栅极电压)。在大的VDS下，电流饱和，并由下式给出：
(IDS)sat＝(WCi/2L)μ(VG-Vt)2 (1)
其中L和W分别为器件沟道长度和宽度，Ci为栅极绝缘体的电容，并且Vt为阈值电压。通过重新排列方程(1)计算饱和状态下的迁移率(μ)：
μsat＝(2IDSL)/[WCi(VG-Vt)2] (2)
阈值电压(Vt)可估计为VG与(IDS)1/2曲线的线性部分的x截距。
表2-9总结了在环境条件下测量的器件A-F和H的性能参数，包括场效应电子迁移率(μe，饱和)、电流通断比(Ion:Ioff)。各种性能测量值在图6至图16和图18至图19中示出。
表2.器件A性能(实例1)
Figure BDA0003074774120000231
表3.器件B性能(实例2)
Figure BDA0003074774120000241
表4.器件C性能(实例3)
Figure BDA0003074774120000242
Figure BDA0003074774120000251
表5.器件B性能(实例4)
Figure BDA0003074774120000252
表6.器件B性能(实例4)
Figure BDA0003074774120000261
表7.器件E性能(实例5)
Figure BDA0003074774120000262
Figure BDA0003074774120000271
表8.器件F性能(实例6)
Figure BDA0003074774120000272
表9.器件H性能(实例8)
Figure BDA0003074774120000273
值得注意的是，半导体材料2和3的载流子迁移率显著高于对比材料C4-C8的载流子迁移率。重要的是，当沟道长度从50μm减小到<20μm时，包含半导体材料1-3的器件的性能仍然很重要，优于包含对比材料C4-C8的器件。包含材料1-3的薄膜晶体管表现出出色的场效应特性。具体地讲，上面的表2-9以及图6-16和图18-19的结果证明，包含半导体材料1-3的短沟道薄膜晶体管的载流子迁移率是具有更长沟道长度(例如，50μm)的其他相同晶体管的载流子迁移率的至少50％，而包含传统n型有机半导体的薄膜晶体管的载流子迁移率随着沟道长度的减小而显著降低。值得注意的是，该期望性能独立于电介质材料(参见，例如，实例1-3、6)、电极材料(参见例如实例4)、沟道宽度(参见，例如，实例1、6)和制造方法(参见例如实例5、8)。
图17示出器件G(实例7)的迁移率性能作为器件的半导体材料中存在的相应1,6-异构体的摩尔％的函数。结果表明，载流子迁移率进一步独立于异构体比率。
数据表明，当从50微米的沟道长度变为20微米的沟道长度时，化合物1A、1B、2A、2B、3A和3B的电子迁移率变化相对较小。相比之下，当从50微米变为20微米的沟道长度时，类似的化合物C4-C8的电子迁移率显著降低。因此，由如权利要求所述的化合物1A、1B、2A、2B、3A和3B制成的具有相对较短沟道长度(20微米或更小)的晶体管器件与非常相似的结构相比，具有出乎意料的优势。这是本领域普通技术人员所不期望的，特别是考虑到分子结构的相似性。
以下编号的实施例进一步描述了本发明的各个方面，这些实施例可在技术上或逻辑上不一致的任何组合中进行组合：
实施例1.一种薄膜晶体管，其包括：
电介质层，该电介质层具有第一侧和相对的第二侧；
源电极、与源电极分开的漏电极以及设置在源电极和漏电极之间并与源电极和漏电极接触的半导体部件，源电极、漏电极和半导体部件设置为邻近电介质层的第一侧；以及
栅电极，该栅电极设置为邻近电介质层的与半导体部件相对的第二侧；
其中所述半导体部件包含选自由以下项组成的组的一种或多种化合物：
Figure BDA0003074774120000291
其中薄膜晶体管具有测量为从源电极到漏电极的最短路径的沟道长度，该沟道长度不超过20μm。
实施例2.根据实施例1所述的晶体管，其中一种或多种化合物选自以下项：
Figure BDA0003074774120000292
实施例3.根据实施例2所述的晶体管，其中化合物1A和1B的摩尔比(即，1A:1B)为至少2:1，例如至少3:1、至少3.5:1、至少4:1、至少4.5:1、至少5:1、或至少6:1。
实施例4.根据实施例2所述的晶体管，其中化合物1A和1B的摩尔比在2:1至50:1的范围内，例如，在3:1至50:1、或3.5:1至50:1、或4:1至50:1、或5:1至50:1、或6:1至50:1、或5:1至25:1、或6:1至10:1的范围内。
实施例5.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述一种或多种化合物选自以下项：
Figure BDA0003074774120000301
实施例6.根据权利要求5所述的晶体管，其中化合物2A和2B的摩尔比(即，2A:2B)为至少2:1，例如至少3:1、至少3.5:1、至少4:1、至少4.5:1、至少5:1、或至少6:1。
实施例7.根据实施例5所述的晶体管，其中化合物2A和2B的摩尔比在2:1至50:1的范围内，例如，在3:1至50:1、或3.5:1至50:1、或4:1至50:1、或5:1至50:1、或6:1至50:1、或5:1至25:1、或6:1至10:1的范围内。
实施例8.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述一种或多种化合物选自以下项：
Figure BDA0003074774120000311
实施例9.根据权利要求8所述的晶体管，其中化合物3A和3B的摩尔比(即，3A:3B)为至少2:1。
实施例10.根据实施例9所述的晶体管，其中化合物3A和3B的摩尔比在2:1至50:1的范围内，例如，在3:1至50:1、或3.5:1至50:1、或4:1至50:1、或5:1至50:1、或6:1至50:1、或5:1至25:1、或6:1至10:1的范围内。
实施例11.根据实施例1至10中任一项所述的晶体管，其中半导体部件由至少75重量％，例如至少80重量％、或至少85重量％的一种或多种化合物形成。
实施例12.根据实施例1至10中任一项所述的晶体管，其中半导体部件由至少90重量％，例如至少95重量％、或至少98重量％的一种或多种化合物形成。
实施例13.根据实施例1至10中任一项所述的晶体管，其中半导体部件由例如聚合物基体中提供的至少2％，例如a至少5％、至少10％、至少20％、或至少35％的一种或多种化合物形成。
实施例14.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度在3-20μm的范围内，例如，在5-20μm、或8-20μm、或10-20μm的范围内。
实施例15.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度不超过18μm，例如，在3-18μm、或5-18μm、或8-18μm、或10-18μm的范围内。
实施例16.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度不超过15μm，例如，在3-15μm、或5-15μm、或8-15μm、或10-15μm的范围内。
实施例17.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度不超过14μm，例如，在3-14μm、或5-14μm、或8-14μm、或10-14μm的范围内。
实施例18.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度不超过13μm，例如，在3-13μm、或5-13μm、或8-13μm、或10-13μm的范围内。
实施例19.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度不超过12μm，例如，在3-12μm、或5-12μm、或8-12μm、或10-12μm的范围内。
实施例20.根据实施例1至13中任一项所述的晶体管，其中沟道长度不超过10μm，例如，在3-10μm、或5-10μm、或8-10μm的范围内。
实施例21.根据实施例1至20中任一项所述的晶体管，其中半导体部件具有在10nm至100nm范围内的厚度。
实施例21.根据实施例1至20中任一项所述的晶体管，其中半导体部件具有在10nm至90nm、或10nm至80nm、或10nm至70nm、或10nm至60nm、或20nm至100nm、或30nm至100nm、或40nm至100nm、或20nm至90nm、或20nm至80nm、或20nm至70nm、或20nm至60nm范围内的厚度。
实施例22.根据实施例1至20中任一项所述的晶体管，其中沟道具有垂直于半导体部件厚度和沟道长度的宽度，该宽度多达4mm，例如，多达3mm、多达2mm、或多达1mm。
实施例23.根据实施例1至20中任一项所述的晶体管，其中沟道具有垂直于半导体部件厚度和沟道长度的宽度，该宽度在0.01mm至4mm的范围内，例如，在0.01mm至3mm、或0.01mm至2mm、或0.01mm至1mm、或0.01mm至0.5mm、或0.01mm至0.3mm、或0.01mm至0.2mm、或0.01mm至0.15mm、或0.01mm至0.1mm、或0.015mm至4mm、或0.015mm至2mm、或0.015mm至1mm、或0.015mm至0.5mm、或0.015mm至0.2mm、或0.015mm至0.1mm的范围内。
实施例24.根据实施例1至23中任一项所述的晶体管，其中源电极、漏电极和栅电极中的每一者独立地包括金层、银层、铜层或钼层。
实施例25.根据实施例1至24中任一项所述的晶体管，其中源电极、漏电极和栅电极中的一者或多者(例如，每一者)独立地包括银层。
实施例26.根据实施例1至25中任一项所述的晶体管，其进一步包括基底，该基底支撑半导体部件、电介质层、源电极、漏电极和栅电极。
实施例27.根据实施例25或实施例26所述的晶体管，其中基底包括塑料(例如，聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮或聚酰亚胺)层或玻璃层。
实施例28.根据实施例1至17中任一项所述的晶体管，其中源电极、漏电极和栅电极中的每一者独立地具有在半导体部件厚度的方向上的在30nm至500nm范围内的厚度。
实施例29.根据实施例1至18中任一项所述的晶体管，其中电介质层具有在2.5-25的范围内，例如在2.5-15、2.5-10、或2.5-7、或4-25、或4-15、或4-10、或4-7的范围内的介电常数。
实施例30.根据实施例1至29中任一项所述的晶体管，其中电介质层的箔电容在3nF/cm2至30nF/cm2的范围内。
实施例31.根据实施例1至30中任一项所述的晶体管，其载流子迁移率是沟道长度为50μm的其他相同晶体管的载流子迁移率的至少50％。
实施例32.根据实施例1至30中任一项所述的晶体管，其载流子迁移率是沟道长度为50μm的其他相同晶体管的载流子迁移率的至少65％。

Claims (15)

1.一种薄膜晶体管(1a、1b、1c、1d)，其包括：
电介质层(8、8’、8”、8”’)，所述电介质层具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；
源电极(2、2’、2”、2”’)、与所述源电极分开的漏电极(4、4’、4”、4”’)和设置在所述源电极和所述漏电极之间并与所述源电极和所述漏电极接触的半导体部件(6、6’、6”、6”’)，所述源电极、所述漏电极和所述半导体部件设置为邻近所述电介质层的所述第一侧；以及
栅电极(10、10’、10”、10”’)，所述栅电极设置为邻近所述电介质层的与所述半导体部件相对的所述第二侧；
其中所述半导体部件包含选自由以下项组成的组的一种或多种化合物：
Figure FDA0003074774110000011
Figure FDA0003074774110000021
其中所述薄膜晶体管具有不超过20μm的沟道长度，所述沟道长度被测量为从所述源电极到所述漏电极的最短路径。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述一种或多种化合物选自以下项：
Figure FDA0003074774110000022
3.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述一种或多种化合物选自以下项：
Figure FDA0003074774110000031
4.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述一种或多种化合物选自以下项：
Figure FDA0003074774110000032
5.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述半导体部件由至少75重量％的所述一种或多种化合物形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述沟道长度在3-20μm的范围内。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述沟道长度不超过10μm。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述半导体部件具有在10nm至100nm范围内的厚度。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述沟道具有垂直于所述半导体部件厚度和所述沟道长度的宽度，所述宽度在0.01mm至4mm的范围内。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述源电极、所述漏电极和所述栅电极中的每一者独立地包括金层、银层、铜层或钼层。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述源电极、所述漏电极和所述栅电极中的一者或多者独立地包括银层。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其进一步包括基底，所述基底支撑所述半导体部件、所述电介质层、所述源电极、所述漏电极和所述栅电极。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述源电极、所述漏电极和所述栅电极中的每一者独立地具有在所述半导体部件厚度的方向上的在30nm至500nm范围内的厚度。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其中所述电介质层具有在2.5-25范围内的介电常数。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的晶体管，其载流子迁移率是沟道长度为50μm的其他相同晶体管的载流子迁移率的至少50％。
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