CN117750788A - 一种三维立体式互补型有机非门电路及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维立体式互补型有机非门电路及其制备方法，属于有机集成电路技术领域，所述非门电路包括衬底及依次位于其上的p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体管；所述p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体采用三维立体堆叠模式联接，共用一个栅电极作为输入端；位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管采用顶栅结构，位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管采用底栅结构，两个晶体管的漏电极相互联接，作为输出端；本发明的三维立体式非门电路，能显著缩减单元门电路的面积，为后续发展三维立体式有机集成电路电路奠定了基础，能显著提升有机集成电路的集成度，进而极大地增大其商业竞争力。
Description
技术领域
本发明属于有机集成电路技术领域，具体涉及一种三维立体式互补型有机非门电路及其制备方法。
背景技术
与无机半导体相比，有机半导体具有材料来源广、可低温制备、可溶液法加工、机械柔性好等先天性优点。近三十来，基于有机半导体制备的多种有机半导体器件，例如：有机发光二极管、有机薄膜晶体管、有机存储器、有机传感器等，受到了广泛的关注和研究。
门电路是实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，也是构建各种功能性集成电路的基本单元。非门电路是各种门电路中的一员，能实现非逻辑运算。基于有机薄膜晶体管构建出各种门电路，进而组建出各种功能性的集成电路，特别是发展出可弯曲的柔性集成电路，能作为现行硅基集成电路的有益补充，可广泛应用于价格标签、物联网、生物医疗、可穿戴电子学等领域。
近年来，由一个p型有机薄膜晶体管联接一个n型有机薄膜晶体管、构建互补型有机非门电路的报道逐年增多[ACS Appl.Mater.Interfaces 2012,4,6176；Adv.Electron.Mater.2016,2,1500385；Adv.Electron.Mater.2020,6,1901027；Sci.Adv.2020；6:eaaz5156；Adv.Electron.Mater.2023,9,2201288]。但是，这些已报道的互补型有机非门电路都采用了二维的平面模式，即：p型有机薄膜晶体管与n型有机薄膜被平行地排列布局。在二维平面模式的互补型有机非门电路中，p型有机薄膜晶体管与n型有机薄膜晶体管各自占据了一定的面积，从构架上限制了有机集成电路中、单位面积内有机薄膜晶体管数量的增加，即：从构架上严重制约了有机集成电路集成度的进一步提升。
发明内容
针对现有技术的二维平面模式互补型有机非门电路在构架上制约了有机集成电路集成度进一步提升的本质性问题，本发明提供一种三维立体式互补型有机非门电路及其制备方法，该非门电路的p型有机薄膜晶体管与n型有机薄膜晶体管采用三维立体堆叠模式联接，与现有二维平面模式的互补型非门电路相比，本发明的三维立体式互补型有机非门电路能显著地减小单元门电路的面积，极大地有利于增大有机集成电路的集成度。
本发明通过如下技术方案实现：
一种三维立体式互补型有机非门电路，包括衬底及依次位于其上的p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体管；所述p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体采用三维立体堆叠模式联接，共用一个栅电极作为输入端；其中，位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管采用顶栅结构，从下到上依次包括源电极/漏电极、聚合物半导体层、聚合物栅绝缘层及栅电极；位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管采用底栅结构，从下到上依次包括栅电极、聚合物栅绝缘层、小分子半导体层及源电极/漏电极；位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管与位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管的漏电极相互联接，作为输出端；所述非门电路在进行非逻辑运算时，p型有机薄膜晶体管的源电极联接工作电压，n型有机薄膜晶体管的源电极作为接地端。
进一步地，所述衬底的材质为玻璃、硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯或聚醚砜中的一种或多种。
进一步地，所述源电极/漏电极、栅电极的材质为氧化铟锡、金、银、铜、铝中的一种或多种。
进一步地，所述聚合物栅绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
进一步地，所述聚合物半导体层为3-己基取代聚噻吩、{[N,N′-双(2-辛基十二烷醇)萘-1,4,5,8-双-(二甲酰亚胺)-2,6-二基]-5,5′-(2,2′-双噻吩)}共聚物、(9,9-辛基芴-苯并噻二唑)共聚物、2,20-[(2,5-双(2-辛基十二烷基)-3,6-二氧基-2,3,5,6-四氢吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二基]二噻吩-5,50-二基-alt-噻吩[3,2-b]噻吩-2,5-二基中的一种或多种。
进一步地，所述小分子半导体层为并五苯、酞菁铜、酞菁锌、富勒烯、氟代酞菁铜、6,13-双(三异丙基硅侧乙炔基)、2,7-双辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘[2,3-b:2′，3′-f]噻吩[3,2-b]噻吩中的一种或多种。
进一步地，所述源电极/漏电极、栅电极的厚度为20-120纳米；聚合物栅绝缘层的厚度为100-1000纳米；聚合物半导体层与小分子半导体层的厚度为20-100纳米。
另一方面，本发明还提供了一种三维立体式互补型有机非门电路的制备方法，包括如下步骤：采用真空热沉积技术或溶液法技术，在衬底表面依次制备源电极/漏电极、聚合物半导体层、聚合物栅绝缘层、栅电极、聚合物栅绝缘层、小分子半导体层、源电极/漏电极，得到三维立体式互补型有机非门电路。
进一步地，所述制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：采用真空热沉积技术在衬底表面制备源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化；
步骤2：配置聚合物半导体溶液，在所述步骤(1)得到的源电极/漏电极表面以溶液法制备聚合物半导体层；然后对聚合物半导体层进行热处理，以除去聚合物半导体层中的残余溶剂；热处理的温度为80-160℃；时间为20-60分钟；所述的聚合物半导体溶液的质量浓度为0.3％-1％；
步骤3：配置聚合物栅绝缘层的溶液，在所述步骤(2)得到的聚合物半导体层表面以溶液法制备聚合物栅绝缘层；然后对聚合物栅绝缘层进行热处理，以除去聚合物栅绝缘层中的残余溶剂；热处理的温度为80-180℃；时间为30-120分钟；所述的聚合物栅绝缘层溶液的质量浓度为2％-15％；
步骤4：在所述步骤(3)得到的聚合物栅绝缘层表面，采用真空热沉积技术制备栅电极，通过掩模版对其图形化；
步骤5：配置聚合物栅绝缘层的溶液，在所述步骤(4)得到的栅电极表面以溶液法制备聚合物栅绝缘层；然后对聚合物栅绝缘层进行热处理，以除去聚合物栅绝缘层中的残余溶剂；热处理的温度为80-180℃；时间为30-120分钟；所述的聚合物栅绝缘层溶液的质量浓度为2％-15％；
步骤6：采用硅掩模板覆盖在前述步骤(5)得到的聚合物绝缘层表面、需要保护部分的区域，采用氧等离子体技术刻蚀掉其它不需要保护部分的聚合物半导体层和聚合物绝缘层，对前述步骤得到的聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行图形化处理，以暴漏出前述步骤所得的源电极/漏电极的部分区域；
步骤7：在所述步骤(6)得到的图形化的聚合物栅绝缘层表面，采用真空热沉积技术制备小分子半导体层，通过掩模版对其图形化；
步骤8：在所述步骤(7)得到的小分子半导体层表面，采用真空热沉积技术制备源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化；得到三维立体式互补型有机非门电路。
进一步地，所述溶液法包括旋涂、刮涂、喷涂或滴涂。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明的一种三维立体式互补型有机非门电路及其制备方法，与现有二维平面模式的互补型有机非门电路相比，采用三维堆叠模式、将一个p型有机薄膜晶体管与一个n型有机薄膜晶体管相联接，构建出三维立体式的互补型性有机非门电路，能显著地减小单元门电路的面积，进而显著有利于增大有机集成电路的集成度；克服了二维平面模式的互补型有机非门电路在构架上对有机集成电路集成度限制的本质问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明提供的三维立体式有机非门电路的结构示意图；
图中：衬底1、源电极3/漏电极2、聚合物半导体层4、聚合物栅绝缘层5、栅电极6、聚合物栅绝缘层7、小分子半导体层8、源电极9/漏电极10；
图2为本发明提供的三维立体式互补型有机非门电路的电路图；
图3为本发明实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路中、底部n型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流—源漏电压特性；
图4为本发明实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路中、底部n型有机薄膜晶体管在不同源漏电压下的源漏电流—栅电压特性；
图5为本发明实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路中、顶部p型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流—源漏电压特性；
图6为本发明实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路中、顶部p型有机薄膜晶体管在不同源漏电压下的源漏电流—栅电压特性；
图7为本发明实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路在输入端给定的、不同输入电压下，在输出端测得的输出电压；
图8为本发明实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路中、底部p型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流—源漏电压特性；
图9为本发明实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路中、底部p型有机薄膜晶体管在不同源漏电压下的源漏电流—栅电压特性；
图10为本发明实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路中、顶部n型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流—源漏电压特性；
图11为本发明实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路中、顶部n型有机薄膜晶体管在不同源漏电压下的源漏电流—栅电压特性；
图12为本发明实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路在输入端给定的、不同输入电压下，在输出端测得的输出电压。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1及图2所示，本发明提供了一种三维立体式互补型有机非门电路，包括衬底及依次位于其上的p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体管；所述p型有机薄膜晶体管及n型有机薄膜晶体采用三维立体堆叠模式联接，共用一个栅电极作为输入端；其中，位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管采用顶栅结构，从下到上依次包括源电极/漏电极、聚合物半导体层、聚合物栅绝缘层及栅电极；位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管采用底栅结构，从下到上依次包括栅电极、聚合物栅绝缘层、小分子半导体层及源电极/漏电极；位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管与位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管的漏电极相互联接，作为输出端；所述非门电路在进行非逻辑运算时，p型有机薄膜晶体管的源电极联接工作电压，n型有机薄膜晶体管的源电极作为接地端。
由图1可知，本发明提供的三维立体式互补型有机非门电路从下到上依次包括衬底1、源电极3/漏电极2、聚合物半导体层4、聚合物栅绝缘层5、栅电极6、聚合物栅绝缘层7、小分子半导体层8、源电极9/漏电极10。
在本实施例中，所述的衬底的材质包括玻璃、硅、聚对萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚醚砜和纸张中的一种或多种。
在本实施例中，所述的栅电极、源电极和漏电极的材质为氧化铟锡、银、金、铜、铝中的一种或多种。所述栅电极、源电极和漏电极的厚度优选为20-120纳米。
所述聚合物栅绝缘层5与聚合物栅绝缘层7的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。聚合物栅绝缘层5与聚合物栅绝缘层7的厚度优选为100-1000纳米。
所述的聚合物半导体层的材质为3-己基取代聚噻吩、{[N,N′-双(2-辛基十二烷醇)萘-1,4,5,8-双-(二甲酰亚胺)-2,6-二基]-5,5′-(2,2′-双噻吩)}共聚物、(9,9-辛基芴-苯并噻二唑)共聚物、2,20-[(2,5-双(2-辛基十二烷基)-3,6-二氧基-2,3,5,6-四氢吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二基]二噻吩-5,50-二基-alt-噻吩[3,2-b]噻吩-2,5-二基；聚合物半导体层的优选厚度为20-100纳米。
所述的小分子半导体层的材质为并五苯、酞菁铜、酞菁锌、富勒烯、氟代酞菁铜、6,13-双(三异丙基硅侧乙炔基)、2,7-双辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘[2,3-b:2′，3′-f]噻吩[3,2-b]噻吩。小分子半导体层的厚度优选为20-100纳米。
在本实施例中，所有物质均为市售商品。
本实施例提供了一种三维立体式互补型有机非门电路的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)商业购买的玻璃、覆盖有二氧化硅绝缘层的硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜等作为衬底；在衬底上，采用真空热沉积技术制备源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化；
(2)配置聚合物半导体溶液，在所述步骤(1)得到的源电极/漏电极表面，以溶液法(旋涂、刮涂、滴涂)工艺制备聚合物半导体层；然后对聚合物半导体层进行热处理，以除去聚合物半导体层中残余的溶剂；热处理的温度为80-160℃；时间为20-60分钟；所述的聚合物半导体溶液的质量浓度为0.3％-1％；通过对溶液的浓度、及具体的溶液法工艺制备参数(旋涂或刮涂的速率，溶剂氛围等)的调节，可以优化调整得到的聚合物半导体层的厚度；
(3)配置聚合物栅绝缘层的溶液，在所述步骤(2)得到的聚合物半导体层表面，以溶液法(旋涂、刮涂、滴涂)工艺制备聚合物栅绝缘层；然后对聚合物栅绝缘层5进行热处理，以除去聚合物栅绝缘层中残余的溶剂；热处理的温度为80-180℃；时间为60-120分钟；所述的聚合物栅绝缘层5溶液的质量浓度为2％-15％；通过对溶液的浓度、及具体的溶液法工艺制备参数(旋涂或刮涂的速率，溶剂氛围等)的调节，可以优化调整得到的聚合物半导体层的厚度；
(4)在所述步骤(3)得到的聚合物栅绝缘层表面，采用真空热沉积技术制备栅电极，通过掩模版对其图形化；
(5)配置聚合物栅绝缘层的溶液，在所述步骤(4)得到的栅电极表面，以溶液法(旋涂、刮涂、滴涂)工艺制备聚合物栅绝缘层；然后对聚合物栅绝缘层进行热处理，以除去聚合物栅绝缘层中残余的溶剂；热处理的温度为80-180℃；时间为60-120分钟；所述的聚合物栅绝缘层7溶液的质量浓度为2％-15％；通过对溶液的浓度、及具体的溶液法工艺制备参数(旋涂或刮涂的速率，溶剂氛围等)的调节，可以优化调整得到的聚合物半导体层的厚度；
(6)采用硅掩模板覆盖在前述步骤(5)得到的聚合物绝缘层表面、需要保护部分区域，采用氧等离子体技术刻蚀掉不需要保护部分的聚合物半导体层和聚合物绝缘层，对前述步骤得到的聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行图形化处理，以暴漏出前述步骤(1)所得的源电极3/漏电极2的部分区域；氧等离子体刻蚀的时间视聚合物半导体层和聚合物绝缘层的整体厚度做适当调整。
(7)在所述步骤(6)得到的、图形化的聚合物栅绝缘层表面，采用真空热沉积技术制备小分子半导体层，通过掩模版对其图形化；
(8)在所述步骤(7)得到的小分子半导体层表面，采用真空热沉积技术制备源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化；完成三维立体式互补型有机非门电路的制备。
本发明对聚合物半导体层和聚合物绝缘层的制备过程中、所使用的溶液法工艺没有特别要求，采用本领域技术人员常用方法即可。
实施例1
本实施例提供了一种三维立体式互补型有机非门电路，由一个位于底部的n型有机薄膜晶体管和一个位于顶部的p型有机薄膜晶体管、以三维立体堆叠模式联接组成，从下到上依次包括衬底、(底部)源电极/漏电极、聚合物半导体层、(底部)聚合物栅绝缘层、栅电极、(顶部)聚合物栅绝缘层、小分子半导体层、(顶部)源电极/漏电极组成。
其中，衬底为聚对萘二甲酸乙二醇酯，从市场购买得到；(底部和顶部的)源电极/漏电极为金，厚度为50纳米；聚合物半导体层为聚{[N，N′-双(2-辛基十二烷基)-萘-1,4,5,8-双(二羧酰亚胺)-2,6-二基]-alt-5,5′-(2,2'-二噻吩)}，厚度为50纳米；(底部和顶部的)聚合物栅绝缘层为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为120纳米；栅电极为铝，厚度为80纳米；小分子半导体层为并五苯，厚度为50纳米。
所述的三维立体式互补型有机非门电路的制备过程如下：
首先，将商业购买的聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底置于多源有机分子/金属气相沉积系统中，采用真空热沉积技术制备50纳米厚的金薄膜作为底部n型有机薄膜晶体管的源电极/漏电极，采用掩膜板对源电极/漏电极图形化，制备的n型有机薄膜晶体管的沟道长度和宽度分别是100微米和1000微米。
然后，将聚合物聚{[N，N′-双(2-辛基十二烷基)-萘-1,4,5,8-双(二羧酰亚胺)-2,6-二基]-alt-5,5′-(2,2'-二噻吩)}溶入甲苯，配置溶液，浓度为0.5％(质量百分比)。将溶液滴在具有源电极/漏电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底上，以溶液法旋涂工艺制备聚合物半导体层，旋涂速率1500转/分钟；旋涂的聚合物半导体层置于氮气氛围，在120℃退火，时间为30分钟，去除残余的溶剂。
将聚甲基丙烯酸甲酯溶于乙酸丁酯，配置溶液，浓度为2％(质量百分比)。将配置好的聚甲基丙烯酸甲酯溶液滴在聚合物半导体层表面，以溶液法旋涂工艺制备底部n型有机薄膜晶体管的聚合物栅绝缘层，旋涂速率为1500转/分钟。之后，将制备了聚合物栅绝缘层的衬底，放在烘箱内，于140℃，退火处理120分钟，以除去残余的溶剂。
将制备了(底部)聚合物栅绝缘层的衬底置于多源有机分子/金属气相沉积系统中，采用真空热沉积工艺，在(底部)聚合物栅绝缘层的表面制备一层铝薄膜作为栅电极，并采用掩膜板对栅电极图形化。
将配置好的聚甲基丙烯酸甲酯溶液滴在栅电极表面，以溶液法旋涂工艺制备上层p型有机薄膜晶体管的聚合物栅绝缘层，旋涂速率为1500转/分钟。之后，将制备了聚合物栅绝缘层的衬底，放在烘箱内，于140℃，退火处理120分钟，以除去残余的溶剂。
采用清洁的硅掩模板覆盖在制备好的(上层)聚合物绝缘层表面、需要保护部分的区域，采用氧等离子体技术刻蚀掉不需要保护部分的聚合物半导体层和聚合物绝缘层，对前述步骤得到的聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行图形化处理，以暴漏出前述步骤所得的(底部)源电极/漏电极的部分区域；氧等离子体刻蚀的时间为3分钟。
将对聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行完图形化后的衬底置于多源有机分子/金属气相沉积系统中，采用真空热沉积工艺，在(顶部)聚合物栅绝缘层的表面制备并五苯薄膜作为小分子半导体层，并采用掩膜板对小分子半导体层图形化。
在制备好的小分子半导体层表面，采用真空热沉积技术制备金薄膜作为顶部p型有机薄膜晶体管的源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化，制备的p型有机薄膜晶体管的沟道长度和宽度分别是100微米和1000微米。完成三维立体式互补型有机非门电路的制备。
实施例2
本实施例提供了一种三维立体式互补型有机非门电路，由一个位于底部的p型有机薄膜晶体管和一个位于顶部的n型有机薄膜晶体管、以三维立体堆叠模式联接组成，从下到上依次包括衬底、(底部)源电极/漏电极、聚合物半导体层、(底部)聚合物栅绝缘层、栅电极、(顶部)聚合物栅绝缘层、小分子半导体层、(顶部)源电极/漏电极组成。
其中，衬底为覆盖有图案化的氧化铟锡的玻璃，从市场购买得到；(底部)源电极/漏电极为氧化铟锡，厚度为60纳米；聚合物半导体层为聚{2,2'-[(2,5-双(2-辛基十二烷基)-3,6-二氧基-2,3,5,6-四氢吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酰基)]二硫基苯-5,5'-二酰基噻吩[3,2-b]噻吩-2,5-二酰基}薄膜，厚度为60纳米；(底部)聚合物栅绝缘层为聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)，厚度为320纳米；栅电极为铝，厚度为80纳米；(顶部)聚合物栅绝缘层为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为150纳米；小分子半导体层为富勒烯，厚度为40纳米；(顶部)源电极/漏电极为银，厚度为80纳米。
所述的三维立体式互补型有机非门电路的制备过程如下：
首先，将商业购买的、具有图案化的氧化铟锡源电极/漏电极的玻璃衬底采用Decon90碱性清洁剂清洗，再用去离子水超声清洗三次，每次3分钟，使其洁净；置于烘箱内，于120℃烘干30分钟，去除残余的水分。p型有机薄膜晶体管的沟道长度和宽度分别是100微米和1000微米。
然后，将聚合物半导体聚{2,2'-[(2,5-双(2-辛基十二烷基)-3,6-二氧基-2,3,5,6-四氢吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酰基)]二硫基苯-5,5'-二酰基噻吩[3,2-b]噻吩-2,5-二酰基}溶入氯苯，配置溶液，浓度为0.5％(质量百分比)。将溶液滴在洁净、烘干的具有源电极/漏电极的玻璃衬底上，以旋涂工艺制备聚合物半导体层，旋涂速率为1500转/分；旋涂的半导体层置于氮气氛围，在120℃退火，时间为40分钟，去除残余的溶剂。
将聚合物绝缘材料聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)溶于乙酸丁酯，配置溶液，浓度为4％(质量百分比)；将配置好的聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)溶液滴在聚合物半导体层表面，以溶液法旋涂工艺制备下层p型有机薄膜晶体管的聚合物栅绝缘层，旋涂速率为1500转/分钟。之后，将制备了聚合物栅绝缘层的衬底，放在烘箱内，于140℃，退火处理120分钟，以除去残余的溶剂。
将制备了(底部)聚合物栅绝缘层的衬底置于多源有机分子/金属气相沉积系统中，采用真空热沉积工艺，在(底部)聚合物栅绝缘层的表面制备一层铝薄膜作为栅电极，并采用掩膜板对栅电极图形化。
将聚甲基丙烯酸甲酯溶于乙酸丁酯，配置溶液，浓度为2％(质量百分比)。将配置好的聚甲基丙烯酸甲酯溶液滴在栅电极表面，以溶液法旋涂工艺制备上层n型有机薄膜晶体管的聚合物栅绝缘层，旋涂速率为1000转/分钟。之后，将制备了(顶部)聚合物栅绝缘层的衬底，放在烘箱内，于140℃，退火处理120分钟，以除去残余的溶剂。
采用清洁的硅掩模板覆盖在制备好的(顶部)聚合物绝缘层表面、需要保护部分的区域，采用氧等离子体技术刻蚀掉不需要保护部分的聚合物半导体层和聚合物绝缘层，对前述步骤得到的聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行图形化处理，以暴漏出前述步骤所得的源电极/漏电极的部分区域；氧等离子体刻蚀的时间为4分钟。
将对聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行完图形化后的衬底置于多源有机分子/金属气相沉积系统中，采用真空热沉积工艺，在(顶部)聚合物栅绝缘层的表面制备富勒烯薄膜作为小分子半导体层，并采用掩膜板对小分子半导体层图形化。
在制备好的小分子半导体层表面，采用真空热沉积技术制备银薄膜作为顶部p型有机薄膜晶体管的源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化，制备的n型有机薄膜晶体管的沟道长度和宽度分别是100微米和1000微米。完成三维立体式互补型有机非门电路的制备。
性能测试：
采用Agilent B1500A半导体测试分析仪对制备的三维立体式互补型有机非门电路的电学性能进行测试，所有测试在室温大气环境进行。
本发明实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路由底部的n型有机薄膜晶体管与顶部的p型有机薄膜晶体管以三维立体堆叠方式联接组成；在实施例1中，底部的n型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流-源漏电压特性如图3所示，在不同源漏电压下的源漏电流-栅电压特性如图4所示；在实施例1中，顶部的p型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流-源漏电压特性如图5所示，在不同源漏电压下的源漏电流-栅电压特性如图6所示。实施例1提供的三维立体式互补型有机非门电路的电路图如图2所示，共用的栅电极作为输入端，p型有机薄膜晶体管的漏电极与n型有机薄膜晶体管的漏电极相互联接作为输出端；工作电压设置为5伏特，在输入端输入的低电压(0-1.50伏特)对应于二进制的输入逻辑信号0，在输出端测得到的高输出电压(4.93-4.99伏特)，对应于二进制的输出逻辑信号1，在输入端输入的高电压(3.5-5.0伏特)对应于二进制的输入逻辑信号1，在输出端测得到的低输出电压(0.02～0.30伏特)，对应于二进制的输出逻辑信号0，如图7所示。
本发明实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路由底部的p型有机薄膜晶体管与顶部的n型有机薄膜晶体管以三维立体堆叠方式联接组成；在实施例2中，底部的p型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流-源漏电压特性如图8所示，在不同源漏电压下的源漏电流-栅电压特性如图9所示；在实施例2中，顶部的n型有机薄膜晶体管在不同栅电压下的源漏电流-源漏电压特性如图10所示，在不同源漏电压下的源漏电流-栅电压特性如图11所示。实施例2提供的三维立体式互补型有机非门电路的电路图如图2所示，共用的栅电极作为输入端，p型有机薄膜晶体管的漏电极与n型有机薄膜晶体管的漏电极相互联接作为输出端；工作电压设置为10伏特，在输入端输入的低电压(0-3.00伏特)对应于二进制的输入逻辑信号0，在输出端测得到的高输出电压(9.77-9.99伏特)，对应于二进制的输出逻辑信号1，在输入端输入的高电压(7.00-10.00伏特)对应于二进制的输入逻辑信号1，在输出端测得到的低输出电压(0.01-0.81伏特)，对应于二进制的输出逻辑信号0，如图12所示。
由测试结果可以看出在本发明提供的三维立体式互补型有机非门电路中的p型和n型有机薄膜晶体管具有很好的场效应工作特性；本发明提供的三维立体式互补型有机非门电路具有清晰、良好的非逻辑运算功能。本发明提供的三维立体式互补型有机非门电路实际所占据的面积相当于单个有机薄膜晶体管的面积；相比而言，现有的二维平面模式的互补型有机非门电路所占据的面积由两个薄膜晶体管实际占据面积组成。显而易见，与现有的二维平面模式的互补型有机非门电路相比，本发明提供的三维立体式互补型有机非门电路所占据的面积更小，因此，非常有利于提高有机集成电路的集成度。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，包括衬底及依次位于其上的p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体管；所述p型或n型有机薄膜晶体管及n型或p型有机薄膜晶体采用三维立体堆叠模式联接，共用一个栅电极作为输入端；其中，位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管采用顶栅结构，从下到上依次包括源电极/漏电极、聚合物半导体层、聚合物栅绝缘层及栅电极；位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管采用底栅结构，从下到上依次包括栅电极、聚合物栅绝缘层、小分子半导体层及源电极/漏电极；位于底部的p型或n型有机薄膜晶体管与位于顶部的n型或p型有机薄膜晶体管的漏电极相互联接，作为输出端；所述非门电路在进行非逻辑运算时，p型有机薄膜晶体管的源电极联接工作电压，n型有机薄膜晶体管的源电极作为接地端。
2.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，所述衬底的材质为玻璃、硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯或聚醚砜中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，所述源电极/漏电极、栅电极的材质为氧化铟锡、金、银、铜、铝中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，所述聚合物栅绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，所述聚合物半导体层为3-己基取代聚噻吩、{[N,N′-双(2-辛基十二烷醇)萘-1,4,5,8-双-(二甲酰亚胺)-2,6-二基]-5,5′-(2,2′-双噻吩)}共聚物、(9,9-辛基芴-苯并噻二唑)共聚物、2,20-[(2,5-双(2-辛基十二烷基)-3,6-二氧基-2,3,5,6-四氢吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二基]二噻吩-5,50-二基-alt-噻吩[3,2-b]噻吩-2,5-二基中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，所述小分子半导体层为并五苯、酞菁铜、酞菁锌、富勒烯、氟代酞菁铜、6,13-双(三异丙基硅侧乙炔基)、2,7-双辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘[2,3-b:2′，3′-f]噻吩[3,2-b]噻吩中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路，其特征在于，所述源电极/漏电极、栅电极的厚度为20-120纳米；聚合物栅绝缘层的厚度为100-1000纳米；聚合物半导体层与小分子半导体层的厚度为20-100纳米。
8.如权利要求1所述的一种三维立体式互补型有机非门电路的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：采用真空热沉积技术或溶液法技术，在衬底表面依次制备源电极/漏电极、聚合物半导体层、聚合物栅绝缘层、栅电极、聚合物栅绝缘层、小分子半导体层、源电极/漏电极，得到三维立体式互补型有机非门电路。
9.如权利要求8所述的一种三维立体式互补型有机非门电路的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：采用真空热沉积技术在衬底表面制备源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化；
步骤2：配置聚合物半导体溶液，在所述步骤(1)得到的源电极/漏电极表面以溶液法制备聚合物半导体层；然后对聚合物半导体层进行热处理，以除去聚合物半导体层中的残余溶剂；热处理的温度为80-160℃；时间为20-60分钟；所述的聚合物半导体溶液的质量浓度为0.3％-1％；
步骤3：配置聚合物栅绝缘层的溶液，在所述步骤(2)得到的聚合物半导体层表面以溶液法制备聚合物栅绝缘层；然后对聚合物栅绝缘层进行热处理，以除去聚合物栅绝缘层中的残余溶剂；热处理的温度为80-180℃；时间为30-120分钟；所述的聚合物栅绝缘层溶液的质量浓度为2％-15％；
步骤4：在所述步骤(3)得到的聚合物栅绝缘层表面，采用真空热沉积技术制备栅电极，通过掩模版对其图形化；
步骤5：配置聚合物栅绝缘层的溶液，在所述步骤(4)得到的栅电极表面以溶液法制备聚合物栅绝缘层；然后对聚合物栅绝缘层进行热处理，以除去聚合物栅绝缘层中的残余溶剂；热处理的温度为80-180℃；时间为30-120分钟；所述的聚合物栅绝缘层溶液的质量浓度为2％-15％；
步骤6：采用硅掩模板覆盖在前述步骤(5)得到的聚合物绝缘层表面、需要保护部分的区域，采用氧等离子体技术刻蚀掉其它不需要保护部分的聚合物半导体层和聚合物绝缘层，对前述步骤得到的聚合物半导体层和聚合物栅绝缘层进行图形化处理，以暴漏出前述步骤所得的源电极/漏电极的部分区域；
步骤7：在所述步骤(6)得到的图形化的聚合物栅绝缘层表面，采用真空热沉积技术制备小分子半导体层，通过掩模版对其图形化；
步骤8：在所述步骤(7)得到的小分子半导体层表面，采用真空热沉积技术制备源电极/漏电极，通过掩模版对其图形化；得到三维立体式互补型有机非门电路。
10.如权利要求9所述的一种三维立体式互补型有机非门电路的制备方法，其特征在于，所述溶液法包括旋涂、刮涂、喷涂或滴涂。
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| CN202311752957.7A Pending CN117750788A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种三维立体式互补型有机非门电路及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117750788A (zh) |
-
2023
- 2023-12-19 CN CN202311752957.7A patent/CN117750788A/zh active Pending
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