CN113809264B

CN113809264B - 发光晶体管

Info

Publication number: CN113809264B
Application number: CN202110986411.2A
Authority: CN
Inventors: 时玉萌; 周科
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2041-08-26
Also published as: CN113809264A

Abstract

本申请属于发光器件技术领域，尤其涉及一种发光晶体管，包括：半导体材料组成的发光层，设于所述发光层一侧的栅极，设于所述发光层另一侧的源极和漏极；所述栅极与所述发光层之间设有栅极绝缘层，所述栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在所述有机绝缘材料中的有机荧光染料，所述有机荧光染料与所述发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移。该发光晶体管基于荧光共振能量转移将该发光层的半导体材料形成的激子能量转移至有机荧光染料掺杂的栅极绝缘层发光，从而既可以实现电荷传输和发光层分离，同时充分发挥半导体材料的特性，使得该发光晶体管在保持其高迁移率的同时，进一步提高发光效率，因此，可以显著提高器件的发光性能。

Description

发光晶体管

技术领域

本申请属于发光器件技术领域，尤其涉及一种发光晶体管。

背景技术

发光晶体管(Light-Emitting Transistor，LET)的特性要求其使用的发光半导体同时具有高载流子迁移率和高荧光效率。然而，目前用于发光晶体管的半导体多来自于场效应晶体管(Field-Effect Transistor，FET)或有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)常用的半导体，这些半导体通常只具有一种优异的性能，即要么是具有高迁移率、要么是具有高荧光效率，而同时具有高迁移率和强荧光效率的半导体材料非常少，而新型半导体分子设计合成难度大、周期长。

目前，发光晶体管的结构与OLED类似，大多采用多层结构，如具有电子传输层、空穴传输层、发光层等结构层，其电荷传输层和发光层的分离减少了电荷对激子的淬灭，有利于提升器件效率，然而采用此结构的器件迁移率比较低，电流密度不高。当采用高迁移率半导体发光层时，其发光效率又比较低。

发明内容

本申请的目的在于提供一种发光晶体管，旨在解决如何保持发光晶体管的迁移率的同时，进一步提高发光效率的技术问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

本申请提供一种发光晶体管，所述发光晶体管包括：半导体材料组成的发光层，设于所述发光层一侧的栅极，设于所述发光层另一侧的源极和漏极；所述栅极与所述发光层之间设有栅极绝缘层，所述栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在所述有机绝缘材料中的有机荧光染料，所述有机荧光染料与所述发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移。

本申请提供的发光晶体管，其在含有有机绝缘材料的栅极绝缘层中掺杂有机荧光染料，而该有机荧光染料可以与发光层的半导体材料发生荧光共振能量转移(FRET)，因此，基于荧光共振能量转移将该发光层的半导体材料形成的激子能量转移至有机荧光染料掺杂的栅极绝缘层发光，从而既可以实现电荷传输和发光层分离，同时充分发挥半导体材料的特性，使得该发光晶体管保持其高迁移率的同时，进一步提高发光效率，因此，可以显著提高器件的发光性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的发光晶体管原理示意图；

图2是本申请实施例提供的发光晶体管一结构示意图；

图3是本申请实施例提供的发光晶体管另一结构示意图；

图4是本申请实施例提供的发光晶体管的发光颜色调控效果图。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请中，“至少一种”是指一种或者多种，“多种”是指两种或两种以上。

需要说明的是，当元件被称为“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。术语“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本申请实施例提供一种发光晶体管，其结构和发光原理如图1所示，该发光晶体管包括：半导体材料组成的发光层，设于发光层一侧的栅极，设于发光层另一侧的源极和漏极；栅极与发光层之间设有栅极绝缘层，栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在有机绝缘材料中的有机荧光染料，有机荧光染料与发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移。

本申请实施例提供的发光晶体管，发光层在相对的两侧(即上下两表面)，其中一侧(即一个表面)设置栅极，另一侧(即另一个表面)设置源极和漏极；栅极与发光层之间设置的栅极绝缘层材料包括有机绝缘材料和掺杂在有机绝缘材料中的有机荧光染料，基于荧光共振能量转移(FRET)将该发光层的半导体材料形成的激子能量转移至有机荧光染料掺杂的栅极绝缘层发光，从而既可以实现电荷传输和发光层分离，同时充分发挥半导体材料的特性，使得该发光晶体管保持其高迁移率的同时，进一步提高发光效率，因此，可以显著提高器件的发光性能。

一般在发光晶体管器件中掺杂材料会影响其载流子迁移率，然而本申请实施例中通过掺杂与发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移的有机荧光染料，这样在不影响发光层的半导体材料的载流子迁移率的前提下，可进一步提高器件的发光效率。在一个实施例中，上述有机荧光染料选自高分子聚合物或小分子材料。具体地，半导体材料的发射光谱和有机荧光染料的吸收光谱有重叠，从而该有机荧光染料与发光层的半导体材料进行荧光共振能量转移。

其中，高分子聚合物选自聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-alt-(苯并[2,1,3]噻二唑-4,8-二基)](F8BT)、聚[{2,5-二(3′,7′-二甲基辛氧基)-1,4-苯乙炔}-co-{3-(4′-(3”,7”-二甲基辛氧基)苯基)-1,4-苯乙炔}-co-{3-(3′-(3”,7”-二甲基辛氧基)苯基)-1,4-苯乙炔}](SY-PPV，Super yellow)中的至少一种；而小分子材料选自1,2:8,9-二苯并五苯(1,2:8,9-dibenzopentacene，DBP)、罗丹明6G(又称碱性红1，分子式C₂₈H₃₀N₂O₃)中的至少一种。该栅极绝缘层中的有机绝缘材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)和聚酰亚胺(Polyimide，PI)中的至少一种。

进一步地，有机荧光染料的掺杂浓度为0.001％-30％，即有机荧光染料的质量为有机绝缘材料的质量的0.001％-30％，本年申请实施例可以通过调节有机荧光染料的掺杂浓度，来调节发光晶体管的发光性能。具体地，该有机荧光染料的掺杂浓度可以为0.001％％、0.01％、0.1％、1％、5％、10％、15％、20％等值。优选地，掺杂浓度为0.01％-10％，更优选掺杂浓度为5％-10％。

上述栅极绝缘层中，该有机绝缘材料可以与有机荧光染料混合溶解制成栅极绝缘层。在一个实施例中，栅极绝缘层是单层结构，为有机绝缘材料和掺杂在有机绝缘材料中的有机荧光染料组成的有机绝缘层。在另一个实施例中，栅极绝缘层为双层结构，包括层叠的有机绝缘层和无机绝缘层，有机绝缘材料和有机荧光染料组成有机绝缘层，无机绝缘层位于栅极与有机绝缘层之间。双层结构的栅极绝缘层中，无机绝缘层的材料为无机绝缘材料，具体如氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铝等中的至少一种。栅极绝缘层的厚度可以为10nm～3um，进一步为可以为100nm～2um。其中，栅极绝缘层为层叠的有机绝缘层和无机绝缘层双层结构时，无机绝缘层厚度可以为100～1000nm，而有机绝缘层厚度为30～50nm。

更进一步地，源极和漏极沿背离发光层表面的方向设有掺杂有机荧光染料的源漏极绝缘层。通过掺杂有机荧光染料的源漏极绝缘层和掺杂有机荧光染料的栅极绝缘层共同和发光层的半导体材料发生荧光共振能量转移，从而更好地提高发光晶体管的发光效率。

在一个实施例中，发光层中的半导体材料选自有机半导体材料或无机半导体材料。具体选用高载流子迁移率和高发光强度的半导体材料，充分利用高迁移率半导体和高发光材料的特性，具体选用的有机半导体材料选自2,6-二苯基蒽(2,6-diphenylanthracene，DPA)、并五苯、红荧烯、石墨烯和碳纳米管中的至少一种，选用的无机半导体材料选自二硫化钨(WS₂)和硒化钨(WSe)，中的至少一种。发光层的厚度可以为1nm～1um。

其中，当栅极绝缘层中的有机荧光染料为聚合物F8BT时，半导体层的半导体材料为2,6-二苯基蒽DPA；当栅极绝缘层中的有机荧光染料为Super yellow时，半导体层的半导体材料为DPA；当栅极绝缘层中的有机荧光染料为1,2:8,9-二苯并五苯DBP时，半导体层的半导体材料为DPA。

在一个实施例中，如图2所示，该发光晶体管包括(图2的A)：从下到上依次设置的基板、栅极、栅极绝缘层、发光层、源极和漏极；其中，栅极形成于基板上，栅极绝缘层形成于基板上并覆盖栅极，发光层形成于栅极绝缘层上，源极和漏极形成于发光层上。栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在有机绝缘材料中的有机荧光染料，有机荧光染料与发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移。

或者，在另一个实施例中，如图2所示，该发光晶体管包括(图2的B)：从下到上依次设置的基板、源极和漏极、发光层、栅极绝缘层、栅极；其中，源极和漏极形成于基板上，发光层形成于基板上并覆盖源极和漏极，栅极绝缘层形成于发光层上，栅极形成于栅极绝缘层上。栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在有机绝缘材料中的有机荧光染料，有机荧光染料与发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移。

进一步地，栅极绝缘层与发光层之间设有电子传输层，发光层与源极和漏极之间设有空穴传输层。通过电子传输层和空穴传输层对载流子的传输，可以进一步减少了电荷对激子的淬灭，有利于提升器件效率。如图3所示，该发光晶体管包括(图3的A)：从下到上依次设置的基板、栅极、栅极绝缘层、电子传输层、发光层、空穴传输层、源极和漏极；或者，该发光晶体管包括(图3的B)：从下到上依次设置的基板、源极和漏极、空穴传输层、发光层、电子传输层、栅极绝缘层、栅极。上述器件中，栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在有机绝缘材料中的有机荧光染料，有机荧光染料与发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移。

在一个实施例中，可以通过源漏电压或者栅压调控发光层的半导体材料和栅极绝缘层的有机荧光染料光谱的比例，来调控器件的发光波长。

本申请提供的发光晶体管中，栅极的材料选用高导电材料，可以为硅或者常见金属电极(金、银、铜、铝等)，也可以为石墨烯、碳纳米管、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)等，厚度10nm～10um。为了减少注入势垒，在电极和发光层之间可以沉积一层超薄的缓冲层，调节电荷注入，如氟化铯、碳酸铯、氟化锂、氧化锌等；厚度1nm～10nm。源极和漏极的材料选用铂、金、银、ITO等，为了减少注入势垒，在电极和发光层之间可以沉积一层超薄的缓冲层调节电荷注入，如三氧化钼、C60等。厚度1nm～10nm。

下面结合具体实施例进行说明。

实施例1

一种发光晶体管，如图3A所示，从下到上依次包括：基板(硅片)、栅极、栅极绝缘层、电子传输层、发光层、空穴传输层、源极和漏极。

其中，

栅极：材料为Si，厚度为200nm；

栅极绝缘层：依次层叠的无机绝缘层(材料为SiO₂，厚度300nm)和有机绝缘层(材料为PMMA和掺杂在PMMA中的聚合物F8BT，聚合物F8BT的掺杂浓度为10％，厚度为50nm)；

发光层为DPA半导体薄膜，厚度为50nm；

源极材料：Au和MoO₃，厚度为100nm；

漏极材料：Ca和CsF，厚度为100nm。

实施例2

一种发光晶体管，如图3A所示，从下到上依次包括：基板(玻璃)、栅极、栅极绝缘层、电子传输层、发光层、空穴传输层、源极和漏极。

其中，

栅极：材料为Al，厚度为100nm；

栅极绝缘层：依次层叠的氮化硅无机绝缘层和有机绝缘层；有机绝缘层的材料为PMMA和掺杂在PMMA中的Super yellow的掺杂浓度为5％，氮化硅绝缘层厚度为100nm，有机绝缘层厚度为30nm；

发光层为DPA半导体薄膜，厚度为50nm；

源极材料：Au和MoO₃，厚度为100nm；

漏极材料：Al和CsCO₃，厚度为100nm。

对比例1

一种发光晶体管，从下到上依次包括：硅片基板、栅极、栅极绝缘层、电子传输层、发光层、空穴传输层、源极和漏极。

其中，栅极绝缘层为依次层叠的厚度为300nm的SiO₂层和厚度为50nm的PMMA层。其他层和实施例1相同。

对比例2

一种发光晶体管，从下到上依次包括：玻璃基板、栅极、栅极绝缘层、电子传输层、发光层、空穴传输层、源极和漏极。

其中，栅极绝缘层是依次层叠的厚度为100nm的氮化硅无机绝缘层和厚度为30nm的PMMA层。其他层和实施例2相同。

性能测试

(1)通过不同电压调控实施例1的发光晶体管的发光颜色，其效果如图4所示。其中，A是波长(wavelength)对应强度(intensity)谱图，B是色坐标图。

(2)对实施例1-2和对比例1-2的器件的迁移率和外量子效率测试，结果如表1所示。

表1

上述结果证明，本申请实施例的发光晶体管，因其栅极绝缘层中掺杂有与发光层的半导体材料发生荧光共振能量转移的有机荧光染料，其不仅维持了半导体材料的载流子迁移率，还进一步提高了外量子点效率。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种发光晶体管，其特征在于，所述发光晶体管包括：

半导体材料组成的发光层，设于所述发光层一侧的栅极，设于所述发光层另一侧的源极和漏极；所述栅极与所述发光层之间设有栅极绝缘层，所述栅极绝缘层的材料包括有机绝缘材料和掺杂在所述有机绝缘材料中的有机荧光染料，所述有机荧光染料与所述发光层的半导体材料能发生荧光共振能量转移，基于荧光共振能量转移将所述发光层的半导体材料形成的激子能量转移至有机荧光染料掺杂的所述栅极绝缘层发光；

所述有机荧光染料选自高分子聚合物或小分子材料，所述高分子聚合物选自聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-alt-(苯并[2,1,3]噻二唑-4,8-二基)]和聚[{2,5-二(3′,7′-二甲基辛氧基)-1,4-苯乙炔}-co-{3-(4′-(3”,7”-二甲基辛氧基)苯基)-1,4-苯乙炔}-co-{3-(3′-(3”,7”-二甲基辛氧基)苯基)-1,4-苯乙炔}]中的至少一种，所述小分子材料选自1,2:8,9-二苯并五苯和罗丹明6G中的至少一种；

所述栅极绝缘层包括层叠的有机绝缘层和无机绝缘层，所述有机绝缘材料和所述有机荧光染料组成所述有机绝缘层，所述无机绝缘层位于所述栅极与所述有机绝缘层之间。

2.如权利要求1所述的发光晶体管，其特征在于，所述有机绝缘材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。

3.如权利要求1所述的发光晶体管，其特征在于，所述有机荧光染料的掺杂浓度为0.001%-30%。

4.如权利要求1所述的发光晶体管，其特征在于，所述半导体材料选自有机半导体材料或无机半导体材料。

5.如权利要求4所述的发光晶体管，其特征在于，所述有机半导体材料选自2,6-二苯基蒽、并五苯、红荧烯、石墨烯和碳纳米管中的至少一种；和/或，

所述无机半导体材料选自二硫化钨和硒化钨中的至少一种。

6.如权利要求1-5任一项所述的发光晶体管，其特征在于，所述源极和漏极沿背离所述发光层表面的方向设有掺杂所述有机荧光染料的源漏极绝缘层。

7.如权利要求1-5任一项所述的发光晶体管，其特征在于，所述栅极绝缘层与所述发光层之间设有电子传输层，所述发光层与所述源极和漏极之间设有空穴传输层。

8.如权利要求1-5任一项所述的发光晶体管，其特征在于，所述栅极形成于基板上，所述栅极绝缘层形成于所述基板上并覆盖所述栅极，所述发光层形成于所述栅极绝缘层上，所述源极和漏极形成于所述发光层上；或者，

所述源极和漏极形成于基板上，所述发光层形成于所述基板上并覆盖所述源极和漏极，所述栅极绝缘层形成于所述发光层上，所述栅极形成于所述栅极绝缘层上。