CN1585151A - 并五苯衍生物作为半导体材料的有机场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

并五苯衍生物作为半导体材料的有机场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种以1，2，3，4，8，9，10，11－八取代并五苯衍生物作为有机半导体材料的有机场效应晶体管(以下简称OFET)及其制备方法。OFET结构有TOP型和Bottom两种，并五苯衍生物的取代基为卤素(F－、Cl－、Br－、I－)。有机半导体的成膜包括并五衍生物直接成膜和通过并五衍生物先驱物间接成膜两种方式。制膜技术可采用真空蒸镀、旋涂、甩膜、铸膜、LB膜、印刷、喷墨打印等。本发明制备方法的条件比较宽松，制备的OFET具有理想的场效应迁移率和电流开关比，且运行稳定性好。

Description

并五苯衍生物作为半导体材料的有机场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用新型有机半导体材料的有机场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
并五苯化合物作为有机半导体被广泛应用于制备有机场效应晶体管(OFET)，该OFET的性能良好，场效应迁移率高达2.0cm2/(V.s)，且器件电流开关比高达108。不过这些结果是在近乎苛刻条件下获得，很难取得实际应用。目前以并五苯化合物为有机半导体材料的OFET存在以下问题：1)高迁移率和电流开关比都是通过高成本的真空蒸镀成膜或极端条件下形成并五苯单晶膜而获得的；(Lin Y.，et al.IEEE Electron Device Lett.，1997，18：606～608；Schon J.，et al.Science，2000，287：1022～1023；Batlogg B.，et al.Org.Electron.，2000，1：57～64)；2)与并五苯相比，并五苯衍生物很少作为OFET半导体材料且场效应迁移率和电流开关比下降很多(Wudl F.，et al.Adv.Mater.，2003，15：1090～1093)；3)采用先驱物溶液加工有机半导体成膜仅局限于并五苯本身，且制备的OFET场效应迁移率和电流开关比很低(Herwing P.，et al.Adv.Mater.，1999，11：480～483)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高工作性能，且制备条件要求宽松的有机场效应晶体管及其制备方法。
本发明提出的有机场效应晶体管，由源极、漏极、有机半导体层、介电层、基底和栅极组成，其中有机半导体层采用1，2，3，4，8，9，10，11-八取代并五苯衍生物材料。特别适于本发明的1，2，3，4，8，9，10，11-八取代并五苯衍生物的取代基为卤素(例如，F-、Cl-、Br-、I-)。
本发明中，OFET的结构有两种情况：(1)按从下往上依次为基底、栅极、介电层、半导体层、源极和漏极，简称Top型；(2)按从下往上依次为基底、栅极、介电层、源极和漏极、半导体层，简称Bottom型。
本发明中，所述的源极和漏极材料可以采用金、银、铜、铝等金属，栅极材料可采用高掺杂硅和金、银、铜、铝等金属，介电层材料可采用无机和有机介电材料，基底包括玻璃和柔性衬底。
本发明中提出的有机场效应管的制备方法，其中有机半导体层的成膜方法可以有两种：
其一，并五苯衍生物直接成膜，制备得有机半导体薄膜，并制得Top型和Bottom两种结构OFET；其二，通过并五苯衍生物先驱物间接成膜，具体是将并五苯衍生物与亲二烯试剂发生反应得到先驱物，先驱物经过溶液加工成膜以后再加热还原成并五苯衍生物膜，制得Top型和Bottom两种结构OFET。制备并五苯衍生物先驱物的亲二烯试剂可以是马来酸酐、丙烯醛、丙烯酸酯、肉桂醛、对苯醌、丁炔二酸、偶氮二甲酸酯，N-硫氧基醋酸酰胺和N-硫氧基苯胺等之一种。
本发明中，膜制备技术包括真空蒸镀、旋涂、铸膜、甩膜、LB膜、印刷、喷墨打印等。成膜温度在20℃与待成膜物质的分解温度之间。
本发明制备方法中，其它的制备步骤和条件与通常的OFET相同。
本发明制备方法的条件宽松，制得OFET具理想的场效应迁移率和电流开关比，且运行稳定性好。
本发明的OFET有Top型和Bottom两种结构，且适用于低端集成电路、有源驱动显示、传感器等领域。
具体实施方式
实施例1
(1)先在高掺杂硅栅极基底上通过磁控溅射镀上一层二氧化硅介电层，接着通过蒸镀的方法制备1，2，3，4，8，9，10，11-八氟并五苯(以下简称FP)半导体层，然后蒸镀金电极充当源极和漏极，得到最终Top型有机场效应晶体管(以下简称OFET-FP-T)；在同样制备条件下，可制备相同器件参数的Bottom型有机场效应晶体管(以下简称OFET-FP-B)。
(2)FP化合物与马来酸酐在三氧化甲基铼(CH3ReO3)作用下，在三氯甲烷中回流。经提纯得到FP可溶性先驱物，配置三氯甲烷溶液作为制备OFET半导体层旋涂液。OFET制备如下，先在高掺杂硅栅极基底上通过磁控溅射镀上一层二氧化硅介电层，接着旋涂一层FP可溶性先驱物薄膜，然后在氮气保护下淬火使FP先驱物转还原成FP，最后蒸镀金电极充当源极和漏极，得到最终Top型有机场效应晶体管(以下简称OFET-FP/马来酸酐-T)；在同样制备条件下，可制备相同器件参数的Bottom型有机场效应晶体管(以下简称OFET-FP/马来酸酐-B)。
以上制得所有OFET的有机半导体沟道长宽比W/L均为104μm/25μm。OFET器件的性能由Keithley 4200半导体特性测试仪测定，栅极操作电压在-80～+80V，漏源电压在-100～+100V之间，测试均在大气中进行。器件性能见表1。
表1 OFET性能
OFET                       载流子迁移率       阀值电压     电流开关比
                           [cm2·(V·s)-1]  (V)
OFET-FP-T                  0.09               2.2          ＞105
OFET-FP-B                  0.04               2.7          ＞105
OFET-FP/马来酸酐-T         0.03               3.0          ＞105
OFET-FP/马来酸酐-B         0.01               3.5          ＞105
实施例2
将实施例1中FP用1，2，3，4，8，9，10，11-八氯并五苯(以下简称ClP)取代，其余同实施例1。器件性能见表2。
表2 OFET性能
OFET                      载流子迁移率        阀值电压    电流开关比
                          [cm2·(V·s)-1]   (V)
OFET-ClP-T                0.06                -1.7        ＞105
OFET-ClP-B                0.04                -1.6        ＞105
OFET-ClP/马来酸酐-T       0.05                -2.0        ＞105
OFET-ClP/马来酸酐-B       0.01                -2.3        ＞105
实施例3
将实施例1中FP用1，2，3，4，8，9，10，11-八溴并五苯(以下简称BrP)取代，其余同实施例1。器件性能见表3。
表3 OFET性能
OFET                       载流子迁移率       阀值电压    电流开关比
                           [cm2·(V·s)-1]  (V)
OFET-BrP-T                 0.04               -2.0        ＞105
OFET-BrP-B                 0.02               -1.8        ＞105
OFET-BrP/马来酸酐-T        0.01               -2.5        ＞105
OFET-BrP/马来酸酐-B        0.02               -2.7        ＞105
实施例4
将实施例1中马来酸酐用N-硫氧基苯胺取代，其余同实施例1。器件性能见表4。
表4 OFET性能
OFET                          载流子迁移率        阀值电压    电流开关比
                              [cm2·(V·s)-1]   (V)
OFET-FP-T                     0.09                2.2         ＞105
OFET-FP-B                     0.04                2.7         ＞105
OFET-FP/N-硫氧基苯胺-T        0.05                2.4         ＞105
OFET-FP/N-硫氧基苯胺-B        0.02                1.8         ＞105
实施例5
将实施例2中马来酸酐用N-硫氧基苯胺取代，其余同实施例2。器件性能见表5。
表5 OFET性能
OFET                           载流子迁移率       阀值电压    电流开关比
                               [cm2·(V·s)-1]  (V)
OFET-ClP-T                     0.06               -1.7        ＞105
OFET-ClP-B                     0.04               -1.6        ＞105
OFET-ClP/N-硫氧基苯胺-T        0.04               -1.9        ＞105
OFET-ClP/N-硫氧基苯胺-B        0.02               -2.1        ＞105
实施例6
将实施例1中马来酸酐用偶氮二甲酸甲酯取代，其余同实施例1。器件性能见表6。
表6 OFET性能
OFET                            载流子迁移率        阀值电压     电流开关比
                                [cm2·(V·s)-1]   (V)
OFET-FP-T                       0.09                2.2          ＞105
OFET-FP-B                       0.04                2.7          ＞105
OFET-FP/偶氮二甲酸甲酯-T        0.05                2.1          ＞106
OFET-FP/偶氮二甲酸甲酯-B        0.04                1.9          ＞106

Claims (9)

1.一种有机场效应管，由源极、漏极、有机半导体层、介电层、基底和栅极组成，其特征在于所述的有机半导体层材料采用1，2，3，4，8，9，10，11-八取代并五苯衍生物。
2.根据权利要求1所述的有机场效应管，其特征在于所述的并五苯衍生物取代基为卤素。
3.根据权利要求1所述的有机场效应管，其特征在于其结构有两种情况：(1)按从下往上依次为基底、栅极、介电层、半导体层、源极和漏极，简称Top型；(2)按从下往上依次为基底、栅极、介电层、源极和漏极、半导体层，简称Bottom型。
4.根据权利要求1所述的有机场效应管，其特征在于所述的源极和漏极材料采用金、银、铜、铝，栅极材料采用高掺杂硅和金、银、铜、铝，介电层材料采用无机和有机介电材料，基底包括玻璃和柔性衬底。
5.一种如权利要求1所述的有机场效应管的制备方法，其特征在于有机半导体膜制备采用并五苯衍生物直接成膜或者通过并五苯衍生物先驱物间接成膜。
6.根据权利要求5所述的有机场效应管的制备方法，其特征在于所述的有机半导体膜制备包括蒸镀、旋涂、铸膜、甩膜、LB膜、印刷、喷墨打印。
7.根据权利要求5所述的有机场效应管的制备方法，其特征在于并五苯衍生物先驱物间接成膜步骤为：通过并五苯衍生物与亲二烯试剂反应得到并五苯衍生物先驱物，先驱物经过溶液加工成膜以后再加热还原成并五苯衍生物膜。
8.根据权利要求7所述的有机场效应管的制备方法，其特征在于所述的亲二烯试剂为马来酸酐、丙烯醛、丙烯酸酯、肉桂醛、对苯醌、丁炔二酸、偶氮二甲酸酯，N-硫氧基醋酸酰胺和N-硫氧基苯胺之一种。
9.根据权利要求7所述的有机场效应管的制备方法，其特征在于有机半导体膜的成膜温度在20℃与待成膜物质的分解温度之间。
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