CN114899314A - 一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，制备方法包括以下具体步骤：步骤1：溶液的制备，包括半导体溶液的配置和溶液的溶解步骤；步骤2：器件的制备，包括衬底的清洗、半导体薄膜和源漏电极的制备以及栅极的制备步骤，源漏电极的制备采用常规的真空热蒸发法利用不锈钢掩膜版在衬底上蒸镀50nm的金作为源漏电极，本发明与现有制备工艺相比，可以在保证器件工作状态最佳的情况下，确认可以使用的最薄半导体层厚度，大大减小了半导体材料的使用浪费，优化了有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅、阈值电压以及接触电阻。
Description
技术领域
本发明属于电子材料及器件技术领域，特别涉及一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法。
背景技术
随着科技的发展以及半导体工艺制程越来越精细，半导体芯片的面积越来越小，市场对半导体器件的性能要求越来越高，如何提高器件的性能，减小器件的工艺 成本成为了目前电子工艺界急需要解决的重要问题，有机薄膜晶体管由于其性能优秀、制备成本低、可大面积生产等特点，迎合了市场以及制造业的需求，已广泛适用于低投资成本大面积应用的消费类电子以及有源矩阵显示阵列，然而其基本制造工艺业界仍没有统一的标准，如何在最简单的工艺下制作出性能最优的有机薄膜晶体管，这个问题有待解决。
目前，制作有机薄膜晶体管最常用的成膜方法为旋涂法，它具有设备简单、生产能力强、制备的薄膜面积大、厚度均匀等特点，其旋涂薄膜的厚度很大程度受旋涂的速度以及溶液浓度的影响，进而使得在不同的工艺参数下获得了不同厚度的半导体薄膜，因此对底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管产生了不同的影响。
对于底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管来说，目前并没有统一的标准，一方面，较厚的半导体层，增加了电极中电荷垂直传输至电荷沟道的距离，不仅阻碍了电荷的传输同时还造成了半导体材料的浪费，增大了工业生产成本，另一方面较薄的半导体层，使得薄膜不连续且薄膜质量较差，进而严重影响器件的性能，因此需要提供一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了寻找底栅顶接触结构下，共聚物作为半导体层的器件的最佳有源层厚度，在不同溶液浓度、旋涂转速下，得到不同的半导体层厚度，并在不同半导体层厚度下得到器件性能参数，在性能参数对比之后，进而寻找到该结构下的最佳有源半导体层厚度为13-30nm，在该厚度下，器件的性能最佳，参数最优，且提高了材料利用率，与顶栅底接触结构的最佳有源层厚度相比，其材料利用率提高了至少25%。
实现本发明目的的具体技术方案：
一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，该制备方法包括以下具体步骤：
溶液的制备
A1：半导体溶液的配置
将半导体材料与有机溶剂按照5-7mg/ml的质量体积比进行配置；所述半导体材料为高分子量的有机共轭聚合物，具体为：1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物（DPPT-TT）；有机溶剂为二氯苯；
A2：溶液的溶解
将配置的半导体溶液放在加热台上 80℃静置溶解24小时；
步骤 2：器件的制备
B1：衬底的清洗
衬底的清洗，衬底是氧化硅片,即Si+ SiO2，选择SiO2衬底，SiO2衬底的底部是Si，
SiO2的厚度为300nm，将其置于去离子水、酒精中分别超声5分钟，重复两轮，然后用氮气枪
吹干，选择
衬底，将衬底置于去离子水、酒精中分别超声5分钟，两轮四次，而后用氮气
枪将其吹干；
B2：半导体薄膜的制备
通过移液枪将已配置好的半导体溶液在衬底上表面铺满，先在500rpm的转速下匀胶5秒，再在1000rpm至2000rpm的转速下匀胶60秒，以确保制得的半导体薄膜厚度范围为13nm-30nm；
B3：源漏电极的制备
采用常规的真空热蒸发法利用不锈钢掩膜版在衬底上蒸镀50nm的金作为源漏电极；
B4：栅极的制备
用酒精擦拭器件周边，静置片刻，待酒精全部挥发，而后使用塑料镊将制备的器件
进行隔离；并用金刚笔在器件上方（除器件之外的区域）将
划开，使得其下方的Si裸露
出来；在该位置涂敷导电银胶并粘附铜箔，置于加热台加热15min左右使导电银胶固化，得
到所述有机薄膜晶体管，至此一种高性能的底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管已制备完
毕。
本发明的进一步改进在于：步骤2中，所述热蒸发电流为 130-150A，蒸发速率为0.01-0.06nm/s。
本发明的进一步改进在于：所述高分子有机共轭聚合物为1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物（DPPT-TT），其对应的CAS号为 1260685-66-2，其具有下式结构：
本发明的有益效果：
本发明在研究了高分子共轭聚合物旋涂时的不同溶液配比和转速也即不同半导体层厚度下，确定了当半导体厚度为13-30nm时，才能获得电学性能最优的有机薄膜晶体管器件，并且给出了能获得该厚度半导体层薄膜的相对应的工艺参数，与现有制备工艺相比，在保证器件工作状态最佳的情况下，确认了可以使用的最薄半导体层厚度，大大减小了半导体材料的使用浪费，优化了有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅、阈值电压以及接触电阻。
附图说明
图 1 为本发明制备的有机薄膜晶体管的结构示意图；
图 2 为本发明不同厚度有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅与阈值电压均值统计图；
图 3 为本发明不同厚度有机薄膜晶体管的接触电阻均值统计图；
图 4 为本发明是不同厚度有机薄膜晶体管的迁移率均值统计图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
参阅图 1，本发明所述的有机薄膜晶体管为底栅顶接触结构，自下而上的包括衬底，即栅电极1 、绝缘层2、半导体层3和源漏电极4，所述栅电极1为片状固体材料，所述绝缘层2上方通过旋涂的方式涂有半导体层3作为器件的有源层，所述半导体层3上方通过热蒸镀的方法形成的源漏电极4作为器件源极与漏极；
以下本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。
在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
实施例 1
1）半导体溶液的配置，将半导体材料与高沸点有机溶剂按照不同的质量体积比进行配置，即将 1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物（DPPT-TT）与二氯苯分别以 5mg/ml、10mg/ml 的质量体积比进行配置；
2）溶液的溶解，将配置好的半导体溶液放在加热板上加热至80℃，静置溶解 24小时；
3）衬底的清洗，衬底的清洗，衬底是氧化硅片,即Si+ SiO2，选择SiO2衬底，SiO2衬
底的底部是Si，将其置于去离子水、酒精中分别超声5分钟，重复两轮，然后用氮气枪吹干；
选择SiO2衬底，即大小约为 2.5cm×2.5cm 的
片经过去离子水、乙醇分别超声5分钟，
两轮四次，后用氮气枪吹干，氮气吹干后作为衬底；
4）将已配制好的浓度配比分别为5mg/ml、10mg/ml的 1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物（DPPT-TT）溶液，各自以 1000rpm、2000rpm的转速进行旋涂，旋涂完成后，将样品放在 250℃的加热板上纯氩气环境下加热退火30min；
5）采用热蒸发的方式利用掩膜版在半导体层上镀出沟道长100μm，宽为1200μm 且厚度为50nm的金电极以作为源漏电极；
6）步骤 4）中所制得的半导体薄膜厚度如表1所示,由表1可知，半导体薄膜厚度很大程度受溶液配比浓度以及旋涂转速影响，可以依据表中所提供的参数， 有序的制备出厚度均值范围从8nm至106nm的半导体薄膜。
表1
7）将步骤5）所做的器件，用酒精擦拭其周边，静置片刻，待酒精全部挥发，而后使
用塑料镊将制备的器件进行隔离；并用金刚笔在器件上方（除器件之外的区域）将
划
开，使得其下方的Si裸露出来；在该位置涂敷导电银胶并粘附铜箔，置于加热台加热15min
左右使导电银胶固化，得到所述有机薄膜晶体管。至此，一种高性能的底栅顶接触结构的有
机薄膜晶体管已制备完毕。
实施例1中所制备的有机薄膜晶体管的电学参数如下所示：图2是不同厚度有机薄膜晶体管的迁移率均值统计图；图3是不同厚度有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅与阈值电压均值统计图；图4是不同厚度有机薄膜晶体管的接触电阻均值统计图。
对比图 2、图 3、图 4 可知，随着半导体薄膜厚度从薄变厚，其迁移率先是升高，而后降低。阈值电压随厚度增加而增加，而亚阈值摆幅则与此相反，其先是随厚度增加而降低，而后趋于稳定。
接触电阻随厚度增加，先是降低，而后增加。与顶栅交错相比，在底栅交错中并不会受到接触效应的影响。将所有参数综合考虑之后，得出的结论是，通过配制半导体溶液浓度范围为 5mg/ml的共轭聚合物溶液，使其涂膜转速范围为 1000rpm 至 2000rpm，获得的半导体薄膜厚度才是器件工作的半导体薄膜最佳厚度13-30nm。
实验结果：
这种方法制作的有机薄膜晶体管，在几乎不影响迁移率的条件下，做到了对器件的阈值电压、亚阈值摆幅以及接触电阻的最优化同时还节省了半导体材料的使用，提高了材料利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：半导体溶液的配置，将半导体材料与有机溶剂按照5-7mg/ml的质量体积比进行配置；
步骤二：溶液的溶解，将步骤一中的半导体溶液加热至80℃，静置溶解24小时；
步骤三：衬底的清洗，选择SiO2衬底，将其置于去离子水、酒精中分别超声5分钟，重复两轮，然后用氮气枪吹干；
步骤四：通过移液枪将步骤二中的半导体溶液在步骤三中的衬底上表面铺满，先在500rpm的转速下匀胶5秒，再在1000rpm至2000rpm的转速下匀胶60秒，制备出厚度均值范围从8nm至106nm的半导体薄膜；
步骤五：在步骤四中的衬底上蒸镀50nm的金作为源漏电极；
步骤六：用酒精擦拭步骤五所得的器件周边，静置，待酒精完全挥发，使用塑料镊将器件隔离，用金刚笔在器件上方（器件之外的区域）将SiO2划开，使得在SiO2下方的Si裸露出来，在该位置涂敷导电银胶并粘附铜箔，加热13-18min使导电银胶固化，得到高性能的底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管。
2.根据权利要求1所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤五中，热蒸发电流为130-150A，蒸发速率为 0.01-0.06nm/s。
3.根据权利要求1所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的半导体材料为高分子量的有机共轭聚合物。
4.根据权利要求3所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述高分子量的有机共轭聚合物为1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物。
5.根据权利要求1所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的有机溶剂为二氯苯。
6.根据权利要求1所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤四中的半导体薄膜厚度为13nm-30nm。
7.根据权利要求1所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤三中SiO2的厚度为300nm。
8.根据权利要求1所述的一种高性能底栅交错聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于：有机溶剂为二氯苯。
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