CN114242921B - 一种发光场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光场效应晶体管及其制备方法，涉及半导体技术领域。发光场效应晶体管，包括电子传输层和量子点发光层，电子传输层的材料为CuInSe₂纳米晶体，量子点发光层的材料为I‑III‑VI族量子点；其中，I‑III‑VI族量子点的主要材料选自CuInS₂、AgInS₂和CuGaS₂中的至少一种。通过对电子传输层和量子点发光层的材料进行改进，电子传输层采用CuInSe₂纳米晶体，量子点发光层采用CuInS₂、AgInS₂和CuGaS₂等I‑III‑VI族量子点，可以制备得到兼具场效应晶体管的开关能力和发光二极管的电致发光特性的高性能电子器件，且不含有镉和铅元素，具有非常好的市场应用前景。

Description

一种发光场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种发光场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

薄膜电子设备作为基本构建模块，在快速发展的下一代电子设备领域中一直受到广泛的关注，例如，薄膜场效应晶体管(TFT)在柔性显示、存储单元和传感器领域有着广阔的应用前景。目前，基于多晶硅和单晶硅的TFT技术由于较高的工艺温度，在柔性器件制造领域有着较大的限制。此外，硅材料的大规模商业生产目前不可避免地涉及高能耗和高成本问题。

在过去的几十年里，科研工作者研究了金属氧化物、碳材料、有机材料等替代半导体材料，用于制备高性能薄膜电子器件。与多晶硅和单晶硅相比，这些半导体材料可以在低温条件下进行大面积制备，并且成本与硅材料相比更具优势。其中，胶体纳米晶体(NCs)是新兴的半导体材料中最有前途的新材料之一。胶体纳米晶体的电子特性、光学特性、化学性质与材料尺寸、形状和组成紧密相关。此外，通过湿法合成化学方法，胶体纳米晶体可以通过液相工艺，如旋涂、卷对卷印刷、喷墨印刷，大面积集成到各种不同基板上，从而实现薄膜电子设备的大规模和低成本生产。然而迄今为止，大多数充分研究的胶体纳米晶体材料均属于含镉和铅元素的硫族元素化物，由于组分中含有毒的重金属元素，严重限制了这类材料的应用可能。

因此，制备不含镉和铅元素且兼具场效应晶体管的开关能力和发光二极管的电致发光特性的高性能电子器件仍然有待研究。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光场效应晶体管及其制备方法，旨在制备不含镉和铅元素，且兼具场效应晶体管的开关能力和发光二极管的电致发光特性的高性能电子器件。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种发光场效应晶体管，包括电子传输层和量子点发光层，电子传输层的材料为CuInSe₂纳米晶体，量子点发光层的材料为I-III-VI族量子点；

其中，I-III-VI族量子点的主要材料选自CuInS₂、AgInS₂和CuGaS₂中的至少一种。

在可选的实施方式中，量子点发光层的主要材料材料为CuInS₂；更优选为ZnS包覆的CuInS₂核壳量子点。

在可选的实施方式中，电子传输层包括覆盖于CuInSe₂纳米晶体所形成的纳米薄膜上的乙二硫醇层；

优选地，乙二硫醇层是由CuInSe₂纳米晶体形成的纳米薄膜浸渍在乙二硫醇溶液中形成。

在可选的实施方式中，发光场效应晶体管是多层叠加形成，自上而下依次为衬底、栅极、绝缘层、电子传输层、量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层和源漏电极。

在可选的实施方式中，栅极的材料选自铝和钕掺杂铝合金中的至少一种；

优选地，绝缘层的材料选自氧化铝和钕掺杂氧化铝中的至少一种；

优选地，空穴传输层的材料选自PVK、Poly-TPD和TFB中的至少一种；

优选地，空穴注入层的材料选自PMAH、TPD和NPB中的至少一种；

优选地，源漏电极选的材料自Al、Au、Pt、Al合金、Au合金和Pt合金中的至少一种；

优选地，衬底的材料为玻璃。

第二方面，本发明提供一种发光场效应晶体管的制备方法，采用前述实施方式中任一项发光场效应晶体管中各层中的材质进行制备。

在可选的实施方式中，包括：通过逐层制备的方式形成发光场效应晶体管，发光场效应晶体管自下而上依次为衬底、栅极、绝缘层、电子传输层、量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层和源漏电极。

在可选的实施方式中，电子传输层的制备过程包括：将CuInSe₂纳米晶分散在有机溶剂中在绝缘层上进行旋涂，干燥后形成的CuInSe₂纳米薄膜，将CuInSe₂纳米薄膜浸入乙二硫醇溶液；

优选地，CuInSe₂纳米薄膜在乙二硫醇溶液中浸渍的时间为20-40s。

在可选的实施方式中，包括：

通过磁控溅射沉积的方法在衬底上制备栅极；

通过阳极氧化方法在栅极上制备绝缘层，并对绝缘层进行图案化；

通过溶液旋涂法在绝缘层上制备电子传输层；

通过溶液旋涂法在电子传输层上制备量子点发光层；

通过溶液旋涂法在量子点发光层上制备空穴传输层；

通过溶液旋涂法在空穴传输层上制备空穴注入层；

通过真空蒸镀法沉积的方法在空穴注入层上制备源漏电极；

优选地，先对衬底进行清洗、干燥，再形成栅极。

在可选的实施方式中，在电子传输层、量子点发光层、空穴传输层和空穴注入层的制备过程中，均在旋涂之后进行退火处理。

本发明具有以下有益效果：通过对电子传输层和量子点发光层的材料进行改进，电子传输层采用CuInSe₂纳米晶体，量子点发光层采用CuInS₂、AgInS₂和CuGaS₂等I-III-VI族量子点，可以制备得到兼具场效应晶体管的开关能力和发光二极管的电致发光特性的高性能电子器件，且不含有镉和铅元素，具有非常好的市场应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的发光场效应晶体管的结构；

图2为本发明实施例提供的发光场效应晶体管的输出特性曲线；

图3为本发明对比例1提供的发光场效应晶体管的输出特性曲线。

图标：01-衬底；02-栅极；03-绝缘层；04-电子传输层；05-量子点发光层；06-空穴传输层；07-空穴注入层；08-源漏电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明实施例提供一种发光场效应晶体管，如图1所示，发光场效应晶体管是多层叠加形成，自上而下依次为衬底01、栅极02、绝缘层03、电子传输层04、量子点发光层05、空穴传输层06、空穴注入层07和源漏电极08。

具体地，衬底01的材料可以为玻璃，如一般的透明玻璃，也可以为一般现有的衬底材料，在此不做限定。

具体地，栅极02的材料选自铝和钕掺杂铝合金中的至少一种，可以为铝(Al)，也可以为钕掺杂铝合金(Al：Nd)薄膜，但不限于以上材质。

具体地，绝缘层03的材料选自氧化铝和钕掺杂氧化铝中的至少一种，可以为氧化铝(Al₂O₃)或钕掺杂氧化铝(Al₂O₃：Nd)薄膜，但不限于以上材质。

具体地，空穴传输层06的材料选自PVK(聚乙烯基咔唑)、Poly-TPD(高分子量聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺])和TFB(四氟苯)中的至少一种，可以为其中一种，也可以为两种或两种以上的混合物。但空穴传输层06的材料不限于以上几种，也可以采用现有的空穴传输层的材质。

具体地，空穴注入层07的材料选自PMAH(马来酸酐)、TPD和NPB(N,N′-二(1-萘基)-N,N′-二苯基-1,1′-联苯-4-4′-二胺)中的至少一种，可以为其中一种，也可以为两种或两种以上的混合物。同样，空穴注入层07的材料不限于以上几种，也可以采用现有的空穴注入层的材质。

具体地，源漏电极08的材料选自Al、Au、Pt、Al合金、Au合金和Pt合金中的至少一种。也就是说，源漏电极08的材料可以为金属，如Al、Au、Pt；也可以为合金，如Al合金、Au合金和Pt合金等。源漏电极08可以为单一材质，也可以为复合材质。

发明人对电子传输层04和量子点发光层05的材质进行了改进，创造性地采用I-III-VI元素作为电子传输层04和量子点发光层05的材料，获得不含有镉和铅元素的高性能电子器件。与二元II-VI族或IV-VI族半导体材料相比，I-III-VI元素(CuInS₂、AgInS₂、CuGaS₂和CuInSe₂)组成的纳米材料因其多样的特性和低毒性而备受关注。Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族硫族化合物具有激发光谱范围广、禁带宽度(～1.5eV)合适、直接带隙、以及组份元素储量丰富无毒等优点。铜铟硒(CuInSe₂)也是最有前途的I-III-VI半导体材料之一，它具有的窄直接带隙、高吸收系数、和优异的载流子传输性能。Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族硫族化合物的电子和光学性质可以通过控制纳米颗粒的尺寸、形状和组成来有效调控，从而实现理想的带隙、载流子类型、浓度。

电子传输层04和量子点发光层05，电子传输层04的材料为CuInSe₂纳米晶体，量子点发光层05的材料为I-III-VI族量子点；其中，I-III-VI族量子点的主要材料选自CuInS₂、AgInS₂和CuGaS₂中的至少一种。通过优化电子传输层04和量子点发光层05的材料，能够制备得到高性能绿色环保量子点发光场效应晶体管器件，兼具场效应晶体管的开关能力和发光二极管的电致发光特性。

在一些实施例中，量子点发光层05的主要材料为CuInS₂；更优选为ZnS包覆的CuInS₂核壳量子点。CuInS₂和CuInSe₂纳米材料由于其可以具有相似的晶体结构和元素组成，因此当两种材料制备为薄膜时，通过材料和界面调控，大大促进器件的迁移率、载流子传输、俄歇复合性能，提高电子器件的性能。

需要说明的是，ZnS包覆的CuInS₂核壳量子点的制备方法为现有技术，CuInSe₂纳米晶体的制备方法也为现有技术，在此均不做过多赘述。

在一些实施例中，电子传输层04包括覆盖于CuInSe₂纳米晶体所形成的纳米薄膜上的乙二硫醇层；乙二硫醇层是由CuInSe₂纳米晶体形成的纳米薄膜浸渍在乙二硫醇溶液中形成。通过乙二硫醇对CuInSe₂纳米晶电子传输层进行表面钝化，改善CuInSe₂纳米晶电子传输层与CuInS₂量子点发光层间的界面结构，提升器件性能。

本发明实施例提供一种发光场效应晶体管的制备方法，采用前述发光场效应晶体管中各层中的材质进行制备，特别是通过电子传输层04和量子点发光层05材质的选择，制备新型高性能绿色环保量子点发光场效应晶体管器件。

在实际操作过程中，通过逐层制备的方式形成发光场效应晶体管，如图1所示，发光场效应晶体管自下而上依次为衬底01、栅极02、绝缘层03、电子传输层04、量子点发光层05、空穴传输层06、空穴注入层07和源漏电极08。

进一步地，制备方法包括如下步骤：

(1)通过磁控溅射沉积的方法在衬底01上制备栅极02；

(2)通过阳极氧化方法在栅极02上制备绝缘层03，并对绝缘层03进行图案化；

(3)通过溶液旋涂法在绝缘层03上制备电子传输层04；

(4)通过溶液旋涂法在电子传输层04上制备量子点发光层05；

(5)通过溶液旋涂法在量子点发光层05上制备空穴传输层06；

(6)通过溶液旋涂法在空穴传输层06上制备空穴注入层07；

(7)通过真空蒸镀法沉积的方法在空穴注入层07上制备源漏电极08。

需要说明的是，各层的制备方法的具体操作步骤可以参照现有技术，电子传输层04、量子点发光层05、空穴传输层06和空穴注入层07均是采用溶液旋涂法进行制备，栅极02、绝缘层03和源漏电极08分别是采用磁控溅射沉积、阳极氧化方法和真空蒸镀法沉积的方法进行制备。

在一些实施例中，为获得致密的薄膜，在电子传输层04、量子点发光层05、空穴传输层06和空穴注入层07的制备过程中，均在旋涂之后进行退火处理。

在一些实施例中，先对衬底01进行清洗、干燥，再形成栅极02，以保证衬底01和栅极02之间的结合力。

为提高电子传输层04和量子点发光层05之间的界面传输性能，减少结构缺陷，电子传输层04的制备过程包括：将CuInSe₂纳米晶分散在有机溶剂中在绝缘层03上进行旋涂，干燥后形成的CuInSe₂纳米薄膜，将CuInSe₂纳米薄膜浸入乙二硫醇溶液；浸渍的时间为20-40s。

具体地，CuInSe₂纳米薄膜在乙二硫醇溶液中的浸渍时间可以为20s、25s、30s、35s、40s等，也可以为以上相邻时间值之间的任意值。

需要说明的是，通过将CuInSe₂纳米薄膜在乙二硫醇溶液中进行浸渍，乙二硫醇会对CuInSe₂纳米薄膜表面进行钝化和配体交换，使得CuInSe₂纳米薄膜表面覆盖一层短碳链的乙二硫醇配体，该层配体可以提高与CuInS₂量子点发光层的界面传输性能，减少结构缺陷。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种发光场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用透明玻璃进行清洗、干燥预处理，作为衬底。

(2)通过磁控溅射沉积方法，在透明玻璃上沉积制备栅极；栅极的材料为铝。

(3)通过阳极氧化方法，在栅极表面制备绝缘层，并进行图形化；绝缘层的材料为氧化铝。

(4)通过溶液旋涂法，在绝缘层上继续制备电子传输层：将CuInSe₂纳米晶分散在有机溶剂(乙醇)中在绝缘层上进行旋涂，室温下干燥后，将旋涂形成的CuInSe₂纳米薄膜浸入乙二硫醇溶液当中30s，进行退火处理。

(5)通过溶液旋涂法，在完成退火处理后的电子传输层上继续制备量子点发光层，并进行退火处理；量子点发光层的材料为ZnS包裹的CuInS₂核壳量子点。

(6)通过溶液旋涂法，在完成退火处理后的量子点发光层上继续制备空穴传输层，并进行退火处理；空穴传输层的材料为PVK。

(7)通过溶液旋涂法，在完成退火处理后的空穴传输层上继续制备空穴注入层，并进行退火处理；空穴注入层的材料为PMAH。

(8)通过真空蒸镀法沉积源漏电极于退火处理后的空穴注入层表面，源漏电极的材料为铝。

实施例2

本实施例提供一种发光场效应晶体管的制备方法，与实施例1的区别仅在于：量子点发光层的材料不同，将ZnS包裹的CuInS₂核壳量子点替换为AgInS₂。

实施例3

本实施例提供一种发光场效应晶体管的制备方法，与实施例1的区别仅在于：量子点发光层的材料不同，将ZnS包裹的CuInS₂核壳量子点替换为CuGaS₂。

对比例1

本对比例提供一种发光场效应晶体管的制备方法，与实施例1的区别仅在于：电子传输层的制备过程中，不采用乙二硫醇溶液进行浸渍，直接进行退火处理。

试验例1

测试实施例1和对比例1中得到产品的输出特性曲线，测试方法参照结果见图2和图3。

从图2可以看出，本发明实施例所制备得到的发光场效应晶体管的输出性能较好，可以大致达到一般的含镉、铅的晶体管的性能。

对比图2和图3可以看出，通过采用乙二硫醇溶液进行浸渍，可以进一步提升输出性能。

综上所述，本发明提供一种发光场效应晶体管及其制备方法，是一种结构匹配基于I-III-VI组纳米材料的量子点发光场效应晶体管，电子传输层采用CuInSe₂纳米颗粒，量子点发光层采用由ZnS包覆所述CuInS₂形成的核壳结构，其不含镉、铅等对环境影响特别大的元素，因此绿色环保，可以实现大规模的应用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种发光场效应晶体管，其特征在于，包括电子传输层和量子点发光层，所述电子传输层的材料为CuInSe₂纳米晶体，所述量子点发光层为ZnS包覆的CuInS₂核壳量子点；所述发光场效应晶体管是多层叠加形成，自上而下依次为衬底、栅极、绝缘层、所述电子传输层、所述量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层和源漏电极。

2.根据权利要求1所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述电子传输层包括覆盖于CuInSe₂纳米晶体所形成的纳米薄膜上的乙二硫醇层。

3.根据权利要求2所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述乙二硫醇层是由所述CuInSe₂纳米晶体形成的纳米薄膜浸渍在乙二硫醇溶液中形成。

4.根据权利要求3所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述栅极的材料选自铝和钕掺杂铝合金中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘层的材料选自氧化铝和钕掺杂氧化铝中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述空穴传输层的材料选自PVK、Poly-TPD和TFB中的至少一种。

7.根据权利要求3所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述空穴注入层的材料选自PMAH、TPD和NPB中的至少一种。

8.根据权利要求3所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述源漏电极的材料选自Al、Au、Pt、Al合金、Au合金和Pt合金中的至少一种。

9.根据权利要求3所述的发光场效应晶体管，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃。

10.一种发光场效应晶体管的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述发光场效应晶体管中各层中的材质进行制备。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，包括：通过逐层制备的方式形成所述发光场效应晶体管，所述发光场效应晶体管自下而上依次为衬底、栅极、绝缘层、电子传输层、量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层和源漏电极。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述电子传输层的制备过程包括：将CuInSe₂纳米晶分散在有机溶剂中在所述绝缘层上进行旋涂，干燥后形成的CuInSe₂纳米薄膜，将所述CuInSe₂纳米薄膜浸入乙二硫醇溶液。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述CuInSe₂纳米薄膜在所述乙二硫醇溶液中浸渍的时间为20-40s。

14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，包括：

通过磁控溅射沉积的方法在所述衬底上制备栅极；

通过阳极氧化方法在所述栅极上制备所述绝缘层，并对所述绝缘层进行图案化；

通过溶液旋涂法在所述绝缘层上制备所述电子传输层；

通过溶液旋涂法在所述电子传输层上制备所述量子点发光层；

通过溶液旋涂法在所述量子点发光层上制备所述空穴传输层；

通过溶液旋涂法在所述空穴传输层上制备所述空穴注入层；

通过真空蒸镀法沉积的方法在所述空穴注入层上制备所述源漏电极。

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，先对所述衬底进行清洗、干燥，再形成所述栅极。

16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，在所述电子传输层、所述量子点发光层、所述空穴传输层和所述空穴注入层的制备过程中，均在旋涂之后进行退火处理。