CN201100919Y - 亚微米厚度有机半导体薄膜三极管 - Google Patents

亚微米厚度有机半导体薄膜三极管 Download PDF

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Abstract

亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，涉及一种有机半导体材料为主体制作的亚微米厚度有机半导体薄膜发光三极管。目前欧美等发达国家研究的有机薄膜三极管主要是采用OTFT结构。本实用新型组成包括：玻璃基板1，玻璃基板上具有金2、酞菁铜3、铝4、酞菁铜5、金6的层状结构复合层。铝膜的厚度为20±10nm，酞菁铜的厚度上层为70±5nm，下层为130±5nm。本产品用作有机的甚至是软体衬底的显示器，随着高性能新型有机半导体材料的开发，本产品可用作高速、高电流密度特性的三极管，可以用于有机显示器、液晶面板的驱动单元，电子标签，有机集成电路芯片等更广泛的领域。

Description

亚微米厚度有机半导体薄膜三极管
技术领域：
本实用新型涉及一种有机半导体材料为主体制作的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管。
背景技术：
现有的技术中，以小分子酞菁系列色素如酞菁铜CuPc为代表的有机半导体和共轭高分子聚合物的电气特性，特别是有机电子器件的研究，在近年来得到大幅度的发展，统称为塑料电子学。目前在有机金属、有机超导、有机发光等研究领域，已经取得令人注目的研究成果。
目前欧美等发达国家研究的有机薄膜三极管主要是采用OTFT结构，由于有机半导体薄膜在室温下可以采用真空蒸镀法，旋涂和喷墨印刷，适用于柔性基板。
发明内容：
本实用新型的目的是提供一种亚微米厚度有机半导体薄膜的发光三极管。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，其组成包括：玻璃基板，所述的玻璃基板上具有金、酞菁铜、铝、酞菁铜、金的层状结构复合层。
上述的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，所述的铝的厚度为20±10nm，酞菁铜的厚度上层为70±5nm，下层为130±5nm。
上述的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，首先在所述的玻璃基板上制作金蒸发膜电极，然后制作第一层酞菁铜蒸发膜，完成后制作铝蒸发膜，在所述的铝蒸发膜制作第二层酞菁铜膜，最后再制作金蒸发膜。
上述的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，制作所述的酞菁铜膜的蒸发温度为400℃，蒸发速度为3nm/min，时间为22-57分钟，形成的酞菁铜的厚度上层为70±5nm，下层为130±5nm。
这个技术方案有以下有益效果：
1.本实用新型的产品可以适用于柔性基板，适合大批量生产成本低，能应用于平板显示器的驱动电路，可以制成价格低廉的逻辑集成电路和记忆芯片，具有广泛的应用前景。
2.本实用新型的产品，是一种具有垂直导电沟道结构的半导电铝薄膜栅极的有机半导体酞菁铜薄膜三极管(简称VOTFT)，具有导电沟道短，动作速度快等优点。
3.通过控制酞菁铜薄膜的和半导体铝栅极薄膜的厚度，提高该三极管的动作电流和开关速度。实验结果表明，与梳状铝栅极有机静电感应二极管相比，直流工作电流提高三个数量级。
4.本实用新型研制的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，其直流驱动特性相当于多晶硅薄膜三极管，这种三极管有望用于有机集成电路以及有机发光二极管或者液晶面板的驱动单元。
5.本实用新型产品的工作特性测定：这种测定是在大气中进行的，环境温度在20℃，为了避免光线照射产生的光电效应对本产品的影响，试样放在密闭的金属箱中，测定本产品静态特性的偏压条件是：是栅极电压VGS从0V变化到1V，源漏极间电压VDS从0V增加到2V，在不同的栅极电压VGS条件下，测定源漏极电压VDS与源漏极间电流IDS的变化关系。梳状铝栅极与两侧的酞菁铜薄膜的肖特基电流电压整流特性的测定结果如图2所示，图中VGS-IGS是栅极与下部源极间电压电流，VGD-IGD是栅极与上部漏极间电压-电流。根据图2显示的测定结果表明，酞菁铜薄膜呈现了P型半导体导电特性，和铝电极形成的肖特基势垒的结果一致。本产品静态工作特性的测定，使源栅极间偏置电压VGS步幅为0.2V，从0V变化到1V，源漏极间偏置电压VDS从-2V增加到2V，分别测定源漏极电压VDS与源漏极间电流IDS之间的变化关系，测定结果如图3所示。根据测定结果，源漏极间电流IDS随栅极反向偏置电压增加，即随栅极区域的肖特基势垒的增高而减小。
附图4是栅极和源极偏压VGS在0V到1V，之间变化时，特定的栅-源偏压VGS与工作电流IDS的转移特性曲线，根据附图4，随着VGS的增加，工作电流IDS迅速降低，反映了栅极偏压很强的控制能力，本产品工作在正源-漏极电压，在负源-漏极电压下不动作。
附图5显示了具有薄膜铝栅极的本产品在工作状态下，栅极电流IG和源漏极间电流IGS的关系，在同样偏置电压VDS＝-2～2V的条件下，栅极偏压分别为0V和栅极开路时，测定的IDS和IG远远小于工作电流IDS，约为其1/1000。而栅极偏压分别为0V和栅极开路时，源栅极间电流IDS相差三个数量级，因此可以认为是栅极开路时，与双极型三极管的积极开路一样，栅极区域的耗尽层电位处于悬浮状态，源漏极间偏置电压VDS不能改变栅极区域的耗尽层的肖特基势垒，使得源栅极间电流近似于被阻断。
由于半导电铝薄膜的厚度仅为20nm，而酞菁铜/铝的肖特基势垒区，在半导电铝膜一侧产生的正离子化空间电荷呈δ函数分布，电子向薄膜中间凝聚，与大块金属铝不同，半导电率薄膜的能带发生分裂，根据测试结果，半导电率薄膜的导电率约为每毫米～kΩ，其导电特性相当于重参杂n型半导体，在酞菁铜和铝的肖特基势垒漏极区域，由于覆盖在呈群山状态的酞菁铜薄膜表面的半导电铝薄膜的表面也为群山状态，使得肖特基内建电场山尖部最强，产生微尖电极效应，加速载流子发射。半导电铝薄膜一侧产生的镜像电荷层，使得漏极区域的酞菁铜\铝界面的实效肖特基势磊高度降低，由源极发射的载流子，遂穿酞菁铜\铝\酞菁铜双肖特基势磊栅极区域的载流子，形成本产品的工作电流，源极发射的载流子，在栅极区域的复合率为1/683，遂穿酞菁铜肖特基势磊栅极区域的载流子密度概率于肖特基势磊的厚度成指数关系。由图5的结果算出的这个本产品的参数在偏置电压为VDS＝2V，VGS＝0V时，直流工作电流密度IDS＝1.1mA/cm2本产品电流的增益为β0＝683，远远大于双极型无机二极管，显示出深亚微米级栅极酞菁铜/铝/酞菁铜双肖特基势磊区域的导电通道，特别是半导电铝薄膜栅极的载流子控制作用，有比无机半导体更有趣味的物理机制。
6.本实用新型提供的半导电薄膜肖特基铝栅极简称VOTFT，通过控制酞菁铜的厚度，获得了良好的三极管静态工作特性，电流增益为683，直流动作电流IDS＝～mA/cm2试验结果表明，本实用新型所具有的短导电沟道结构，有利于克服有机半导体材料载流子迁移率低的缺点，薄膜铝栅极表面的微尖栅极效应，加速了载流子的发射，使得本产品呈现了高速、高电流密度特性，不饱和电压电流特性，本产品认为是有机固体类真空三极管。随着高性能新型有机半导体材料的开发，本产品可用于有机发光显示器，和液晶面板的驱动单元，电子标签，有机集成电路芯片等更广泛的领域。
附图说明：
附图1是本产品的结构示意图。
附图2是梳状铝栅极与两侧的酞菁铜薄膜的肖特基整流特性测试结果图。
附图3是源漏极电压VDS与源漏极间电流IDS之间的变化关系示意图。
附图4是栅-源偏压VGS与工作电流IDS的转移特性曲线关系示意图。
附图5是工作状态下，栅极电流IG和源漏极间电流IGS的关系示意图。
本实用新型的具体实施方式：
实施例1：
本实用新型的产品是采用真空蒸镀法制作，夹有有机半导体酞菁铜夹层的亚微米垂直导电沟道半导电铝栅极有机半导体酞菁铜薄膜三极管，其结构依次为金膜层，酞菁铜膜层，铝膜层，酞菁铜膜层和金膜层，一共为五层膜的复合层结构。在偏置电压VDS＝2V，VGS＝0V时，电流增益为β0＝683，直流工作电流IDS＝1.1m A/mm2，由于半导电铝薄膜的厚度约为20nm，可以认为研制的薄膜三极管的工作电流，是由源极发射的载流子隧穿CuPc/Al/CuPc双肖特基势垒栅极区域形成的。实验结果表明，亚微米厚度有机半导体薄膜三极管驱动电压低，栅极电压的控制能力极强，工作电流密度大，呈类似于针孔三极管的不饱和电压电流特性，因此认为本产品是有机固体类真空三极管，其直流特性接近无机半导体多晶硅器件。
本实用新型采用的酞菁铜，具有良好的化学稳定性和耐热性，呈典型的本征P性有机半导体材料，本实用新型的产品中的栅极是铝蒸发膜，通过调整铝蒸发源于试样之间的距离和蒸发时间控制各层蒸发膜的厚度。源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，制作顺序是：首先在玻璃基板1上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层酞菁铜蒸发膜2，然后制作薄膜铝栅极3，在制作第二层酞菁铜蒸发膜4，最后制作金蒸发膜漏电极5。制作的工艺条件为，基板温度为室温，一般在20℃左右，本实用新型的制作过程是在这个温度下完成的，蒸发温度例外，酞菁铜的蒸发温度为400℃，铝栅极上下两侧的酞菁铜的薄膜厚度可以由蒸发时间作比较精确的控制，因为蒸发速度为3nm/min，形成的酞菁铜的厚度上层为70±5nm，下层为130±5nm的时间约为22-57分钟，铝栅极的厚度为20±10nm。

Claims (4)

1. 一种亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，其组成包括：玻璃基板，其特征是：所述的玻璃基板上具有金、酞菁铜、铝、酞菁铜、金的层状结构复合层。
2. 根据权利要求1所述的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，其特征是：所述的铝的厚度为20±10nm，酞菁铜的厚度上层为70±5nm，下层为130±5nm。
3. 根据权利要求1或2所述的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，其特征是：首先在所述的玻璃基板上制作金蒸发膜电极，然后制作第一层酞菁铜蒸发膜，完成后制作铝蒸发膜，在所述的铝蒸发膜制作第二层酞菁铜膜，最后再制作金蒸发膜。
4. 根据权利要求3所述的亚微米厚度有机半导体薄膜三极管，其特征是：制作所述的酞菁铜膜的蒸发温度为400℃，蒸发速度为3nm/min，时间为22-57分钟，形成的酞菁铜的厚度上层为70±5nm，下层为130±5nm。
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CN1897321B (zh) * 2005-05-30 2011-01-12 哈尔滨理工大学 亚微米厚度有机半导体薄膜三极管
CN105870175A (zh) * 2016-04-08 2016-08-17 太仓凯丰电子科技有限公司 集成电子三极管
CN111834505A (zh) * 2020-06-12 2020-10-27 福州大学 基于波长下转换的三极发光管器件及其制造方法

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