CN116390500A - 基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管及其制备方法，属于微电子材料及器件技术领域，所述方法包括：首先在衬底上方蒸镀一层镍形成源漏电极，继而通过旋涂的方式在其上方依次形成有机半导体有源层和栅介质层，然后通过蒸镀的方式在栅介质层上方形成栅电极，本发明使用镍作为源漏电极，相较于传统使用金作为源漏电极的器件，其载流子迁移率有所提升，器件的阈值电压明显降低，尤其是在空气暴露的条件下，依然能够保持稳定的电学特性，主要电学参数衰减相对采用常规金电极的器件大幅降低。本申请所提供的制备方法提升了顶栅底接触聚合物场效应晶体管的电学性能及稳定性，具有工艺简单，操作便捷，成本低，稳定性高的特点。
Description
技术领域
本发明属于微电子材料与器件技术领域，具体涉及一种基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
近年来，有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor,OFET)已经广泛使用在有机显示中的e-paper、射频识别标签等领域，其中柔性集成电路、透明显示器件、传感、存储领域具有广阔的应用前景，来受到越来越多学术界和工业界的重视。但OFET作为未来柔性电子学研究的基石之一，还没有被充分开发到实际应用中，这是因为在互补电路中，对P型和N型器件都要求高性能和高稳定性，相较于发展成熟的P型聚合物场效应晶体管，对于N型聚合物场效应晶体管，同时实现高性能和高稳定性一直具有挑战性。
金属和有机半导体之间的接触本质上是一种具有相当大肖特基势垒高度(例如，>0.2eV)的接触，这限制了电荷注入，降低了器件的性能。制备的有机半导体层，虽然有栅介质层作为隔绝外界的保护层，但晶体管久置于空气中，仍不可避免地吸收空气中的水分；对于N型有机半导体材料，水氧相当于P型掺杂剂，严重影响器件的稳定性。
在目前N型聚合物场效应晶体管的应用研究中，金是最常用的源漏电极材料，这得益于其独特的物理性质，如优良的导电性、良好的稳定性，且与大多数N型半导体很好地兼容；然而金的高成本、较高的功函数以及器件久置空气中所表现出较强的双极性，使得器件电学稳定性较差，限制了在实际电路中的应用。从能带角度考虑，大多数N型有机半导体的LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)能级在3-4eV，传统作为源漏电极的金功函数在5.1eV，金半接触后产生的势垒较大；而如果采用功函数极低的金属作为电极(例如钙、钾等)，由于这些金属在空气环境中极不稳定，所以制备出来的器件稳定性很差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于镍电极的高稳定性N型聚合物场效应晶体管及其制备方法，通过使用镍作为源漏电极，相较于使用金作为源漏电极的器件，提升了顶栅底接触聚合物场效应晶体管的电学性能及稳定性，尤其是在空气暴露的条件下，依然能够保持稳定的电学特性，主要电学参数衰减相对采用常规金电极的器件大幅降低。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管，从上到下依次包括栅电极、栅介质绝缘层、有机半导体层、镍源漏电极层以及玻璃衬底，镍源漏电极层使用热蒸镀方式制备形成于玻璃衬底上表面，所述有机半导体层是将半导体溶液旋涂在所述源漏电极层之上，所述栅介质绝缘层是将栅介质溶液旋涂在所述有机半导体层之上，所述栅电极通过热蒸镀方式制备形成于栅介质绝缘层之上。
进一步的，所述镍源漏电极层厚度为50nm。
进一步的，所述半导体溶液是半导体材料聚(2,7-双(2-辛基十二烷基)苯并[LMN][3,8]邻二氮杂菲-1,3,6,8(2H,7H)-四酮-4,9-二基)([2,2']二噻吩基-5,5'-二基与溶剂邻二氯苯以7mg/mL的质量体积比配制得到。
进一步的，所述栅介质溶液是栅介质材料聚甲基丙烯酸甲酯与有机溶剂丙烯酸正丁酯以100mg/mL的质量体积比配制得到。
进一步的，所述栅电极为铝栅电极。
本发明还提供上述基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：清洗玻璃衬底；
步骤S2：制备镍源漏电极层：采用热蒸镀技术，先将镍金属颗粒放置于真空蒸发舟二上，再把不锈钢源漏掩膜版清洗洁净后盖在玻璃衬底之上送入蒸镀仪的腔体，使用机械泵和分子泵将蒸镀仪腔体内抽至真空条件，然后对真空蒸发舟二进行加热，热蒸镀制备形成镍源漏电极层；
步骤S3：制备有机半导体层：将半导体溶液旋涂在制备有源漏电极的衬底上，然后退火处理得到有机半导体薄膜，即有机半导体层；
步骤S4：制备栅介质绝缘层：将栅介质溶液旋涂铺满在步骤S3得到的有机半导体层上方表面，退火处理形成栅介质薄膜，即栅介质绝缘层；
步骤S5：制备栅电极：利用不锈钢掩模版在步骤S4得到的栅介质绝缘层上方热蒸镀铝层作为栅电极。
进一步的，步骤S2中热蒸镀电流为150～170A，速率为0.02nm/s。
进一步的，步骤S5中热蒸镀电流为100～120A，速率为0.02nm/s。
进一步的，所述栅电极的厚度为100nm。
本发明的技术方案能产生以下的技术效果：
1.本发明的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管使用镍作为源漏电极材料，优化了半导体有源层和金属电极之间的接触，使得聚合物场效应晶体管器件的阈值电压明显降低，载流子迁移率得到了提高，且当器件暴露在空气中后电学参数衰减相较于采用常规金电极的场效应晶体管器件大幅降低，提高了N型聚合物晶体管的电学性能及稳定性。
2.本发明的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管相较于传统金电极作为源漏电极的场效应晶体管，在没有降低电学性能的同时，能有效降低制备成本；且本发明的制备工艺步骤简单，操作简便，易于广泛应用。
附图说明
图1为本发明的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的截面结构示意图；
图2为对比例与实施例所制备的聚合物场效应晶体管的转移特性曲线对比图；
图3为对比例所制备的聚合物场效应晶体管在空气中暴露五天后的转移特性曲线对比图；
图4为实施例所制备的聚合物场效应晶体管在空气中暴露五天后的转移特性曲线对比图；
图5为实施例与对比例所制备的聚合物场效应晶体管的M-TLM曲线。
具体实施方式
为了相关技术领域人员更好的理解本发明专利的内容，下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的内容不限于下述的实例。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，在实施例中各层均以矩形表示，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
图1为本发明的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的截面结构示意图，如图1所示，本申请的N型聚合物场效应晶体管为顶栅底接触结构，从上到下依次是栅电极、栅介质绝缘层、有机半导体层、镍源漏电极层和玻璃衬底。其具体制备流程如下：
1)清洗玻璃衬底
将玻璃衬底依次置于去离子水、酒精中，分别用超声清洗机清洗20分钟，然后用氮气枪吹干，放在100℃加热台上加热15分钟，最后使用UV臭氧清洗30分钟；
2)制备镍源漏电极层
采用热蒸镀技术，先将镍金属颗粒放置于真空蒸发舟二上，再把不锈钢源漏掩模版清洗洁净后盖在玻璃片之上送入蒸镀仪的腔体，使用机械泵和分子泵将蒸镀仪腔体内抽至真空10-5～10-4Pa条件；然后旋转调节功率控制旋钮，对蒸发舟进行加热，最后热蒸镀电流达到150～170A，以0.02nm/s的速率制备厚度为50nm的镍源漏电极；最后缓慢降低功率，待腔体冷却30分钟充入氮气打开腔体取出晶体管；
3)制备有机半导体层
使用气吹清洁玻璃衬底表面，通过移液枪将已经配制好的半导体溶液即N2200溶液在上述镍源漏电极层上铺满，采用旋涂仪先以500rpm的速度预旋涂10s，然后以2000rpm的速度旋涂60s；旋涂结束后，以80℃预退火5分钟，再以200℃退火20分钟，结束后冷却1小时。
所述N2200溶液是将有机半导体材料与有机溶剂以7mg/mL的质量体积比进行配制，其中，所述半导体材料为聚(2,7-双(2-辛基十二烷基)苯并[LMN][3,8]邻二氮杂菲-1,3,6,8(2H,7H)-四酮-4,9-二基)([2,2']二噻吩基-5,5'-二基，即聚合物N2200，所述有机溶剂为邻二氯苯，即DCB溶液；并将配制好的半导体溶液放在100℃的加热台上静置加热48小时以上进行溶解。
4)制备栅介质绝缘层
使用气吹清洁半导体薄膜表面，通过移液枪将已经配制好的栅介质溶液即PMMA溶液在上述制备的有机半导体层之上铺满，采用旋涂仪先以500rpm的速度预旋涂5s，然后以2000rpm的速度旋涂60s；旋涂结束后，以80℃退火12h。
所述PMMA溶液是将栅介质材料与有机溶剂以100mg/mL的质量体积比进行配制，其中，所述半导体材料为聚甲基丙烯酸甲酯，即聚合物PMMA；所述有机溶剂为丙烯酸正丁酯，即N-BA溶液；然后将配置好的栅介质溶液放在80℃加热台上静置加热24小时以上进行溶解。
5)制备栅电极
采用热蒸镀技术，先将铝金属颗粒放置于真空蒸镀舟二上，再把不锈钢源漏掩模版清洗洁净后盖在上述制备得到的栅介质绝缘层并送入蒸镀仪的腔体，使用机械泵和分子泵将蒸镀仪腔体内抽至真空10-5～10-4Pa条件；打开蒸发舟工作，调节功率控制的旋钮逐渐增大蒸发功率；使热蒸镀电流达到100～120A，以0.02nm/s的速率制备厚度为100nm的铝栅电极；最后缓慢降低功率，待腔体冷却30分钟充入氮气打开腔体取出晶体管。
对比例
本发明在对比例中使用真空蒸镀的方法制备基于金为源漏电极的聚合物场效应晶体管，其中半导体溶液、栅介质溶液的配制与上述实施例中相同。对比例的具体制备流程如下：
A1、清洗玻璃衬底
将玻璃衬底依次置于去离子水、酒精中，分别用超声清洗机清洗20分钟，然后用氮气枪吹干，放在100℃加热台上加热15分钟，最后使用UV臭氧清洗30分钟。
A2、制备源漏电极
采用热蒸镀技术，先将金和镍金属颗粒分别放置于真空蒸发舟二和舟一上，再把不锈钢源漏掩模版清洗洁净后盖在玻璃衬底之上送入蒸镀仪的腔体，使用机械泵和分子泵将蒸镀仪腔体内抽至真空10-5～10-4Pa条件；然后旋转调节功率控制旋钮，先对蒸发舟一进行加热，热蒸镀电流达到100～120A，以0.02nm/s的速率先制备厚度为5nm的镍金属粘附层；然后缓慢降低功率，功率降为零后再对蒸发舟二进行加热，热蒸镀电流达到100～120A，以0.02nm/s的速率制备厚度为50nm的金源漏电极；最后缓慢降低功率，待腔体冷却30分钟充入氮气打开腔体取出。
A3、制备半导体薄膜
使用气吹清洁玻璃片表面，通过移液枪将已经配制好的半导体溶液即N2200溶液在源漏电极层上表面铺满，采用旋涂仪先以500rpm的速度预旋涂10s，然后以2000rpm的速度旋涂60s；旋涂结束后，以80℃预退火5分钟，再以200℃退火20分钟，到时间后冷却1小时。
A4、制备栅介质薄膜
使用气吹清洁半导体薄膜表面，通过移液枪将已经配制好的栅介质溶液即PMMA溶液在有机半导体层上表面铺满，采用旋涂仪先以500rpm的速度预旋涂5s，然后以2000rpm的速度旋涂60s；旋涂结束后，以80℃退火12h。
A5、制备栅极
采用热蒸镀技术，先将铝金属颗粒放置于真空蒸镀舟二上，再把不锈钢源漏掩模版清洗洁净后盖在上述栅介质绝缘层之上并送入蒸镀仪的腔体，使用机械泵和分子泵将蒸镀仪腔体内抽至真空10-5～10-4Pa条件；打开蒸发舟工作，调节功率控制的旋钮逐渐增大蒸发功率；最后热蒸镀电流达到100～120A，以0.02nm/s的速率制备厚度为100nm的铝栅电极；最后缓慢降低功率，待腔体冷却30分钟充入氮气打开腔体取出晶体管。
相关性能测试
图2为本发明的对比例与实施例所制得的聚合物场效应晶体管的转移特性曲线对比图，参阅图2可得，实施例基于镍作为源漏电极所制备的聚合物场效应晶体管转移特性曲线的性能可以媲美传统的对比例基于金作为源漏电极的晶体管，有些电学参数甚至超越后者。如表1所示，列出了两种器件的迁移率、亚阈值摆幅、阈值电压以及接触电阻等电学参数，以及两种器件在空气中暴露五天后各种电学参数的变化。对于对比例的聚合物场效应晶体管，其迁移率为0.111cm2/V·s、亚阈值摆幅为1.920V/dec、阈值电压达到1.079V，接触电阻则达到了8.450×102Ω·cm；而对于本发明实施例的聚合物场效应晶体管，其迁移率为0.115cm2/V·s、亚阈值摆幅为2.201V/dec、阈值电压为0.160V。虽然对比例与实施例所制备的晶体管性能相差无几，但制备成本低了很多，为以后的大规模应用提供了方向。
图3和图4分别为对比例和实施例所制备的器件暴露空气五天前后各自的转移特性曲线对比图。两种器件在暴露空气五天后均进行了退火处理，该处理中各项电学参数指标如表1所示，在经过五天的空气暴露后，对比例制备的聚合物场效应晶体管阈值电压从1.079V上升到17.314V、迁移率从0.111cm2/V·s下降到0.033cm2/V·s、亚阈值摆幅从1.920V/dec上升到4.652V/dec、开关比三个从1.583×106下降到2.068×103，且曲线表明器件产生了明显的双极性。而实施例所制备的器件除了阈值电压有所增加，其余各项参数基本稳定不变。
表1性能参数对比
图5为实施例与对比例所制备的聚合物场效应晶体管的M-TLM曲线，可以看出在Vg-Vt＝45V时候，实施例和对比例的接触电阻分别为1.134×105和3.340×105Ω·cm。
实施例和对比例结果表明，采用镍作为源漏电极的器件性能相比于金作为源漏电极的器件性能，基本能持平，但是暴露空气中五天之后，相比于对比例中选择传统金属金作为源漏电极材料，本发明采用镍作为源漏电极能优化半导体有源层和电极的接触、提高N型聚合物场效应晶体管的电学稳定性。由于半导体吸收空气中的水氧相当于进行了P掺杂，而金的功函数又靠近HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)能级，这就使得电荷既可以往上跃迁进入LUMO能级又能往下跃迁进入HOMO能级，同时，金与N2200之间的相互扩散导致比较严重的接触缺陷，产生的间隙态导致双极性电荷的注入，使得器件表现出较强的双极性。而实施例曲线基本没有太大变化，这主要得益于金属-半导体接触的优化，镍具有更低的功函数，会更接近有机层材料的LUMO能级，金半接触能带弯曲后，具有更小的电荷注入势垒，而其远离HOMO能级，所以即使对N2200进行了P掺杂也可以表现出很好的单极性，从而器件性能全面提升。另一方面，镍在空气中迅速氧化，生成的氧化镍是一种具有良好热稳定性和化学稳定性的本征宽带隙P型半导体。这种超薄、稳定的氧化物层充当扩散阻挡层，将镍和N2200隔开，间隙态和双极性电荷注入被消除。
因此，本发明的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管能使得N型聚合物场效应晶体管的电学性能得到提高，显著增强聚合物场效应晶体管的环境稳定性，解决接触电极制备中的相关问题。同时，由于本发明晶体管的制备方法简单，成本较低，电极材料Ni与基底之间良好的附着力，对实现高性能高稳定性聚合物场效应晶体管的广泛应用有深刻的意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰、等同替换和改进等，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管，其特征在于，从上到下依次包括栅电极、栅介质绝缘层、有机半导体层、镍源漏电极层以及玻璃衬底，镍源漏电极层使用热蒸镀方式制备形成于玻璃衬底上表面，所述有机半导体层是将半导体溶液旋涂在所述源漏电极层之上，所述栅介质绝缘层是将栅介质溶液旋涂在所述有机半导体层之上，所述栅电极通过热蒸镀方式制备形成于栅介质绝缘层之上。
2.根据权利要求1所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管，其特征在于，所述镍源漏电极层厚度为50nm。
3.根据权利要求1所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管，其特征在于，所述半导体溶液是半导体材料聚(2,7-双(2-辛基十二烷基)苯并[LMN][3,8]邻二氮杂菲-1,3,6,8(2H,7H)-四酮-4,9-二基)([2,2']二噻吩基-5,5'-二基与溶剂邻二氯苯以7mg/mL的质量体积比配制得到。
4.根据权利要求1所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质溶液是栅介质材料聚甲基丙烯酸甲酯与有机溶剂丙烯酸正丁酯以100mg/mL的质量体积比配制得到。
5.根据权利要求1所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极为铝栅电极。
6.一种基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，用于权利要求1-5中任一项所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的制备，具体包括如下步骤：
步骤S1：清洗玻璃衬底；
步骤S2：制备镍源漏电极层：采用热蒸镀技术，先将镍金属颗粒放置于真空蒸发舟二上，再把不锈钢源漏掩膜版清洗洁净后盖在玻璃衬底之上送入蒸镀仪的腔体，使用机械泵和分子泵将蒸镀仪腔体内抽至真空条件，然后对真空蒸发舟二进行加热，热蒸镀制备形成镍源漏电极层；
步骤S3：制备有机半导体层：将半导体溶液旋涂在制备有源漏电极的衬底上，然后退火处理得到有机半导体薄膜，即有机半导体层；
步骤S4：制备栅介质绝缘层：将栅介质溶液旋涂铺满在步骤S3得到的有机半导体层上方表面，退火处理形成栅介质薄膜，即栅介质绝缘层；
步骤S5：制备栅电极：利用不锈钢掩模版在步骤S4得到的栅介质绝缘层上方热蒸镀铝层作为栅电极。
7.根据权利要求6所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S2中热蒸镀电流为150～170A，速率为0.02nm/s。
8.根据权利要求6所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S5中热蒸镀电流为100～120A，速率为0.02nm/s。
9.根据权利要求6所述的基于镍电极的高稳定性聚合物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅电极的厚度为100nm。
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