CN116744758A - 一种降低有机场效应晶体管接触电阻的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，涉及有机电子学技术领域。方法包括以下步骤：对有机场效应晶体管中底电极器件在氧气氛围下进行微波退火处理；所述微波退火处理的功率为100w‑290w、时间为10‑18s。本发明利用在氧气中进行微波退火的策略对制备好的底电极器件进行处理，改善金属与半导体薄膜接触质量，提升了电荷注入区域的注入效率，使得金属与有机半导体界面处的缺陷消除，进而缓解了费米钉扎作用，改善载流子注入效率，达到改善底电极器件性能，降低接触电阻的目的。
Description
技术领域
本发明涉及有机电子学技术领域，特别是涉及一种降低有机场效应晶体管接触电阻的方法。
背景技术
有机场效应晶体管是柔性电子器件的重要组成部分，具有柔性、低成本、大面积、批量生产等优点，可用于多种潜在的应用领域。随着有机场效应晶体管的发展，电极与有机半导体之间的接触电阻成为阻碍有机场效应晶体管应用的瓶颈。接触电阻的大小决定了电荷注入效率，极大地影响器件的性能。一般来说，较大的接触电阻往往会导致非理想的传输特性，即所谓的“扭结”或“双斜率”行为，从而影响了电学参数提取的精确度，特别是有效迁移率。在有机场效应晶体管中，欧姆接触通常是理想的接触状态，但电极与有机半导体之间的接触通常是具有显著接触电阻的肖特基接触，这对器件小型化和制备高迁移率的有机场效应晶体管至关重要。此外，由于相对较大的接触电阻，在现有的有机场效应晶体管中很难实现高于10MHz的传输频率。因此，在有机场效应晶体管中追求低的接触电阻尤其是低于10Ω·cm对有机场效应晶体管领域的基础研究和实际应用都具有重要意义，同时也面临着巨大的挑战，这在底接触有机场效应晶体管中尤其困难。
目前，降低底接触器件接触电阻的方法有很多种。例如直接更换功函数更匹配的金属来降低注入势垒；以及在金属表面修饰自组装单分子层来改变金属功函数，如五氟苯硫酚；还有在电极和有机半导体之间插入一个薄的缓冲层的方法，以防止金属扩散到有机半导体层。这些方法成功地降低了接触电阻，提高了器件的性能，但它们不可避免地引入了额外的步骤和溶剂，使工艺复杂，不利于柔性器件的制造。更重要的是，这些方法得到的接触电阻仍然远大于10Ω·cm，远高于无机晶体管得到的接触电阻。有研究表明，这一现象可能源于靠近电极与有机半导体界面的有机半导体的无序形态和结构缺陷，即电极与有机半导体界面的表面态诱导的费米能级钉扎效应可能是限制接触电阻降低的主要因素。由于众所周知的费米能级钉扎效应，势垒对金属功函的依赖性较弱，因此是不可调的。费米能级钉扎效应使得针对功函数的调节无效，这严重限制了任何旨在降低注入势垒高度的方法的效果。然而，目前还没有有效的策略来解决这一问题。
发明内容
基于上述内容，本发明提供一种降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，利用在氧气气氛下微波退火的策略高效、快速、简单并且显著地降低有机场效应晶体管中底电极器件的接触电阻。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，包括以下步骤：
对有机场效应晶体管中底电极器件在氧气氛围下进行微波退火处理；
所述微波退火处理的功率为100-290w、时间为10-18s，更优选的，微波退火处理的功率为280w、时间为15s。
在氧气氛围下，微波退火时间、功率低于上述记载范围时对接触电阻降低效果不明显，当微波退火时间、功率高于上述范围的时候，会破坏半导体分子，影响电荷传输，起不到降低接触电阻的作用，所以在功率100-290w、时间10-18s的范围内最佳。
进一步地，所述有机场效应晶体管中底电极器件的制备方法包括以下步骤：
选用基底制备栅极导电电极，在栅极导电电极上制备绝缘介电层；
构筑源极和漏极；
构筑有机半导体薄膜。
进一步地，所述基底为柔性或硬质基底。
进一步地，所述源极和漏极的构筑方法为热蒸镀法；所述源极和漏极的构筑速率为优选的为/>
进一步地，所述源极和漏极的厚度在10nm-100nm之间，优选的为15-30nm，更优选的为20nm；所述源极和漏极采用Au、Ag、Pt中的一种。
进一步地，所述有机半导体薄膜为有机小分子半导体或聚合物半导体。
进一步地，所述小分子半导体为C10-DNTT、C6-DPA、DPA、DNTT、C60、PTCDI、PTCDA、NTCDA、PDCTI-8CN2、α-六噻吩中的一种；所述聚合物半导体为P3HT和/或PBTTT-C14。
进一步地，所述有机半导体薄膜的构筑方法为热蒸镀法、旋涂法、提拉法、滴注法中的一种；所述有机半导体薄膜的构筑速率为优选的为/>
进一步地，所述有机半导体薄膜为多晶薄膜，厚度在1nm-1000nm之间，优选的为15-30nm，更优选的为20nm。
本发明技术方案之二，一种提高有机场效应晶体管底电极器件迁移率的方法，对有机场效应晶体管中底电极器件在氧气气氛下进行微波退火处理；所述微波退火处理的功率为280w、时间为15s。
本发明技术方案之三，一种低接触电阻底电极器件的制备方法，包括以下步骤：制备底电极器件，对所述底电极器件在氧气气氛下进行功率为280w、时间为15s的微波退火处理，得到所述低接触电阻底电极器件。
进一步地，所述底电极器件的制备方法包括以下步骤：
选用基底制备栅极导电电极，在栅极导电电极上制备绝缘介电层；
构筑源极和漏极；
构筑有机半导体薄膜。
进一步地，所述基底为柔性或硬质基底。
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本发明技术方案之四，一种利用上述的制备方法制得的低接触电阻底电极器件。
本发明公开了以下技术效果：
本发明利用在氧气气氛下微波退火的策略对制备好的底电极器件进行处理，改善金属与半导体薄膜接触质量，使得金属与半导体处的电荷注入效率提高，金属与有机半导体界面附近的缺陷消除，进而缓解了费米钉扎作用，改善载流子注入效率，达到改善底电极器件性能，降低接触电阻的目的。
本发明方法通过在氧气气氛下微波退火的策略对制备好的底电极器件进行处理，改善金属与半导体的接触质量，提高了载流子的注入效率，从而提高了器件性能。同时，由于底电极器件的有机半导体层的基底是栅绝缘层和源漏金属电极两种介质，在其上生长的有机半导体层的结构和性质不同，从而影响器件性能。所以，一般来说顶电极器件的性能优于底电极器件。而通过在氧气氛围中微波退火的策略，能够成功提升底电极器件性能，并且超过顶电极器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明微波退火的示意图。
图2为实施例1-3制备的Au-C10-DNTT器件的电学性能(转移曲线与输出曲线)。
图3为实施例1-3制备的Au-C10-DNTT器件的沟道长度与宽度归一化的总电阻Ron之间的函数(VGS＝-60V)。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例中所用原材料如无特殊说明均可自购买途径获得。
本发明实施例中所用有机半导体分子C10-DNTT，结构式为：纯度：99％，来源：上海大然化学有限公司。
本发明实施例中所用有机半导体分子DNTT，结构式为：
纯度：99％，来源：上海大然化学有限公司。
本发明实施例中所用金属：金(Au)，纯度99.999％；银(Ag)，纯度：99.999％。
本发明实施例中微波源：格兰仕微波炉(输出功率为280w)。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
步骤1，选用含300nm二氧化硅及500μm重掺杂硅的硅片，尺寸为1cm×1cm。以500μm重掺杂硅为栅极，在300nm二氧化硅上以真空气相法修饰十八烷基三氯硅烷(OTS)，120摄氏度修饰1小时，以300nm二氧化硅及OTS为介电层。
步骤2，用热蒸镀法在修饰OTS的二氧化硅介电层表面蒸镀Au源漏电极，蒸镀速率为厚度为20nm。
步骤3，在含源漏Au电极的介电层上热蒸镀C10-DNTT薄膜20nm，蒸镀速率为得到底电极器件。
步骤4，将制备好的底电极器件在氧气气氛下进行微波退火，微波退火功率280w、时间15s。得到Au-C10-DNTT底电极器件。
对本实施例所制备的微波退火后的Au-C10-DNTT底电极器件进行电学测试(见图2中b、e，图3)，发现其具有高的迁移率(9.40cm2 V-1s-1)，以及低的接触电阻(3.7Ω·cm)。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，省略步骤4，即省略在氧气气氛下微波退火的步骤。
对本实施例所制备的未进行微波退火处理的Au-C10-DNTT底电极器件(微波退火前Au-C10-DNTT底电极器件)进行电学测试(见图2中a，d和图3)，发现其迁移率较低(1.25cm2V-1s-1)，以及接触电阻较大(5508Ω·cm)。
实施例3
步骤1，同实施例1步骤1。
步骤2，用热蒸镀法在修饰OTS的二氧化硅介电层表面蒸镀C10-DNTT薄膜20nm，蒸镀速率为
步骤3，在20nm C10-DNTT薄膜表面蒸镀20nmAu源极和漏极，蒸镀速率为得到Au-C10-DNTT顶电极器件。
对本实施例所制备的Au-C10-DNTT顶电极器件进行电学测试(见图2中c,f和图3)，其迁移率为5.22cm2 V-1s-1，接触电阻为4233Ω·cm。
图1为本发明微波退火的示意图。
图2为实施例1-3制备的Au-C10-DNTT器件的电学性能。其中，a-c为微波退火前后底电极器件以及顶电极器件(VDS＝-60V,L＝200μm,W＝1000μm)的转移特性曲线，d-f为相应的输出特性曲线；a、d表示实施例2，b、e表示实施例1，c、f表示实施例3。由图2能够看出，在氧气气氛下退火后的器件性能有着显著的提升，迁移率与开态电流高于未进行微波退火时的器件，并且在氧气气氛下微波退火后的器件性能优于顶电极器件性能。
图3为实施例1-3制备的Au-C10-DNTT器件的沟道长度与宽度归一化的总电阻Ron之间的函数(VGS＝-60V)。由图3能够看出，在氧气气氛下退火后的器件获得了超低的接触电阻，远低于微波退火前的器件接触电阻，且低于顶电极器件的接触电阻。
对比例1
与实施例1不同之处仅在于，步骤4具体为：将制备好的底电极器件在空气气氛下进行微波退火，微波退火功率280w、时间15s。得到Au-C10-DNTT底电极器件。
结果：本对比例制备的Au-C10-DNTT底电极器件的迁移率为6.37cm2 V-1s-1，接触电阻为1276Ω·cm。
对比例2
与实施例1不同之处仅在于，步骤4具体为：将制备好的底电极器件在氧气气氛下进行微波退火，微波退火功率600w、时间90s。得到Au-C10-DNTT底电极器件。
结果：本对比例制备的Au-C10-DNTT底电极器件的迁移率为6.53cm2 V-1s-1，接触电阻为746Ω·cm。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对有机场效应晶体管中底电极器件在氧气氛围下进行微波退火处理；
所述微波退火处理的功率为100-290w、时间为10-18s。
2.根据权利要求1所述的降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，其特征在于，所述有机场效应晶体管中底电极器件的制备方法包括以下步骤：
选用基底制备栅极导电电极，在栅极导电电极上制备绝缘介电层；
构筑源极和漏极；
构筑有机半导体薄膜。
3.根据权利要求2所述的降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，其特征在于，所述源极和漏极的构筑方法为热蒸镀法；所述源极和漏极的厚度在10nm-100nm之间；所述源极和漏极采用Au、Ag、Pt中的一种。
4.根据权利要求2所述的降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，其特征在于，所述有机半导体薄膜为有机小分子半导体或聚合物半导体；所述小分子半导体为C10-DNTT、C6-DPA、DPA、DNTT、C60、PTCDI、PTCDA、NTCDA、PDCTI-8CN2、α-六噻吩中的一种；所述聚合物半导体为P3HT和/或PBTTT-C14。
5.根据权利要求2所述的降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，其特征在于，所述有机半导体薄膜的构筑方法为热蒸镀法、旋涂法、提拉法、滴注法中的一种。
6.根据权利要求2所述的降低有机场效应晶体管接触电阻的方法，其特征在于，所述有机半导体薄膜为多晶薄膜，厚度在1nm-1000nm之间。
7.一种提高有机场效应晶体管底电极器件迁移率的方法，其特征在于，对有机场效应晶体管中底电极器件在氧气气氛中进行微波退火处理；所述微波退火处理的功率为100-290w、时间为10-18s。
8.一种低接触电阻底电极器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备底电极器件，对所述底电极器件在氧气气氛中进行功率为100-290w、时间为10-18s的微波退火处理，得到所述低接触电阻底电极器件。
9.一种利用权利要求8所述的制备方法制得的低接触电阻底电极器件。
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