CN205488237U - 全石墨烯族柔性有机场效应管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了全石墨烯族柔性有机场效应管，利用石墨烯族材料的稳定性和高迁移率提高场效应管的电学性能，同时石墨烯族半导体材料用旋涂工艺可获得高质量薄膜，降低了生产中对设备的要求，另外，氧化石墨烯飞秒激光还原技术可直接在介质层上形成电极，可通过软件控制实现自动化生产，便于大面积制备，生产成本低。本实用新型所述的全石墨烯族有机场效应管有两种结构，分别为底栅顶接触有机场效应管和底栅底接触有机场效应管，区别在于两者的源电极和漏电极位置不同。本实用新型可应用于柔性电路的制造，如柔性显示屏、智能可穿戴设备、生物传感器等，对未来有机集成电路的进一步的应用提供了方案。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及全石墨烯族柔性有机场效应管
背景技术
场效应管作为集成电路中最基本的电子元件，是制造各种集成电路的必须元件，广泛的应用于各种电子产品，如计算机芯片，手机，数码相机等。它的性能也影响着电路的整体性能，以计算机芯片为例，随着集成电路发展的要求，集成度越来越高，目前主流的集成度为64M，即单块芯片上容纳的电子元件的数目6000万个，世界上最先进的集成电路线宽已降到0.13μm，也就是场效应管的最小沟道长度为130nm，但是随着场效应管尺寸的降低，量子遂穿效应越来越明显，场效应管的性能将会恶化。当线宽达到1纳米这种量子效应将会完全显现出来，达到集成电路的极限。为了解决上述问题科学家们将目光转向了有机材料，日本科学家因发现掺杂的聚乙炔可以导电获得了诺贝尔奖，在近年来兴起了一门新的学科-有机电子学，随着研究的深入，有机半导体器件的优势逐渐显露，有机器件的工艺多样，适合大面积制备，可以旋涂，打印，真空蒸发，磁控溅射等，并且有机器件具有柔性，可用于智能柔性集成电路，可穿戴设备，柔性显示领域。目前迁移率最高的有机半导体材料为并五苯，用该材料制备的场效应管性能参数已达到了非晶硅的水平，但是该种材料制备场效应管时需要在高真空下物理气相沉积生长形成单晶薄膜，但是单晶薄膜的生长很难控制，同时器件稳定性较差，很难达到生产对产品良品率的要求，而且物理气相沉积方法需要高真空，高温下进行，对生产设备和工艺控制要求高，而且能耗大，不利于低成本的商业化生产；另外，目前在场效应管中制备柔性电极的方法是在柔性衬底上溅射氧化铟锡(ITO)，但是ITO本身比较脆，在机械应力和过量弯曲下就会开裂，所以ITO电极也制约了器件柔性化的应用。
发明内容
为提高场效应管的性能，提升稳定性，简化生产工艺，更加适合柔性需求，降低生产工艺要求和成本，本发明提出了全石墨烯族有机场效应管，利用石墨烯族材料的稳定性和高迁移率提高场效应管的电学性能，同时石墨烯族半导体材料用旋涂工艺可获得高质量薄膜，降低了生产中对设备的要求，另外，氧化石墨烯飞秒激光还原技术可直接在介质层上形成电极，不需要额外的蒸镀金属电极，制造过程通过软件控制，可实现自动化生产，简化了工艺，便于大面积制备，原料易得，生产成本低。本发明所述的全石墨烯族有机场效应管有两种结构，一种为底栅顶接触结构，从下向上依次为衬底、第一介质层、第二介质层、被第一介质层和第二介质层包裹的栅电极、有机半导体层、源电极、漏电极、第三介质层和封装层，其中源电极和漏电极处于同一层，位于有机半导体层之上；另一种为底栅底接触结构，从下向上依次为衬底、第一介质层、第二介质层、被第一介质层和第二介质层包裹的栅电极、源电极、漏电极和有机半导体层，其中源电极和漏电极处于同一层，位于有机半导体层之下；两种结构的区别在于，底栅底接触结构的场效应管的源电极和漏电极位于有机半导体层之下，而底栅顶接触结构的场效应管的源电极和漏电极位于有机半导体层之上，并且有封装层。
本发明所述的利用氧化石墨烯飞秒激光还原技术可直接在介质层上形成电极需要借助激光加工系统实现，该系统包括激光系统、计算机控制系统和精密平台，激光系统装置如图5。
激光系统包括飞秒激光器，透镜和转镜，通过转镜和透镜调节光路将激光聚焦到加工样品上，精密平台可在水平方向移动，使聚焦的光点对样品区域进行线性扫描，所示实现对特定区域的加工，计算机控制系统可控制精密平台按照设定的区域进行移动，还可同步控制快门来控制激光的照射时间。本发明所用的激光器是钛蓝宝石激光器，波长为800nm，在使用激光器还原样品时样品时既要使样品被还原，但又不能使底层的样品衬底被破坏，所以经过多次试验，最终确定激光器的参数设置如下，在第一介质层上制备栅电极时：功率为5.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz；在第二介质层上制备源电极和漏电极时：功率4.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz。
本发明所述的两种结构场效应管的衬底是有机聚合物柔性衬底，本发明所用的衬底材料是聚酰亚胺(PI)，PI的分解温度达到500℃，是目前有机电路中广泛使用的衬底材料，PI具有很好的耐溶剂性，可以耐受在旋涂中有机溶剂的侵蚀，同时PI的水氧隔绝性和机械强度，可以提高器件的稳定性，适用于柔性电路对衬底的要求，除此之外聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等也可作为衬底材料。
本发明所述的两种结构场效应管中的栅电极、源电极和漏电极所用的材料均为石墨烯。石墨烯具有优良的机械性能，热力学性能和电学性能，石墨烯每100nm的距离上可以承受2.9微牛的压力，杨氏拉伸模量可以达到42N/m，石墨烯的电学性能非常稳定，石墨烯中的电子运动速度达到了光速的1/300，电子的迁移率达到了2×105cm2/v·s，是一种优良的导体，并且电学性能不随温度变化。
本发明所述的两种结构场效应管中的第一介质层、第二介质层、第三介质层所用的材料均为氧化石墨烯，通过在栅电极上旋涂一层氧化石墨烯制备。氧化石墨烯是石墨烯的一种重要派生物，在二维的碳原子平面的延伸边缘上有许多含氧活性基团，含氧活性基团使得能够均匀分散在有机溶液体系中，所以非常适合旋涂工艺中要求溶质的高溶解性，同时氧化石墨烯电导率达到了1.74×10-9s/cm，具有很好的绝缘性，适合作为介质层。
本发明所述的两种结构场效应管栅电极、源电极和漏电极可以通过飞秒激光还原法制备，在PI上旋涂氧化石墨烯然后用飞秒激光照射电极区域，将氧化石墨烯还原为石墨烯，由于石墨烯本身具有优良的机械强度和韧性，这样得到的栅电极具有对在应力下不会开裂，具有很好的柔性，可以满足柔性电路中对电极应力和弯曲的耐受性要求。两种结构的源电极和漏电极都是通过飞秒激光还原氧化石墨烯制备，区别在于两种结构的源电极和漏电极制备步骤不同，底栅顶接触的场效应管是在封装层上旋涂一层氧化石墨烯形成第三介质层，然后用飞秒激光线性扫描第三介质层定义的源电极和漏电极的区域，得到石墨烯源电极和漏电极；底栅底接触的场效应管的源电极和漏电极位于第二介质层之上，用飞秒激光扫描第二介质层制备源电极和漏电极。
本发明所述的两种结构场效应管的有机半导体层所用材料为富勒烯甲基衍生物([70]PCBM)，化学式为C70，[70]PCBM既可以传导电子又可以传导空穴，电子在[70]PCBM中的迁移率达到了1×10-3cm2/Vs，并且在空气中电学性能稳定，有良好的水氧耐受性，并且[70]PCBM易溶于有机溶剂适合旋涂工艺。
本发明所述的底栅顶接触场效应管的封装层所用材料为PI。
本发明所述的底栅顶接触场效应管源电极和漏电极通过热真空退火和半导体层结合，达到封装的目的。
技术方案
底栅顶接触结构的场效应管制备方案如下：
1)选用厚度为90μm的PI，用去污粉擦洗后裁成2cm×2.5cm，然后分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹干后对PI表面进行氧气等离子体处理，使表面亲水，完成PI衬底101和封装层109的制备；
2)将纯化的氧化石墨烯和乙醇混合在磁力搅拌器中混合，配成溶液浓度为15mg/ml；
3)将1)中处理好的衬底101和封装层109分别放在旋涂机的吸头上，移液器取2)中的溶液滴在上面，设置低速转400转/分钟，4秒，高速转1000转/分钟，50秒；
4)将3)中旋涂好的衬底101和封装层109放入真空干燥箱中，真空度为0.09Pa，温度70℃，干燥2小时，完成第一介质层102和第三介质层106的制备，用台阶仪检测后102和106薄膜厚为20nm；
5)设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为5.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz，在第一介质层102上，设置栅电极为矩形，长度为5mm，宽度2mm。对设置的栅极区域进行线性扫描，将氧化石墨烯还原为石墨烯，完成栅电极103的制备，用台阶仪检测后107和108的厚度为16.5nm；
6)按照5)中的方法，设置源电极和漏电极为矩形，长度为5mm，宽度2mm，源电极和漏电极之间的沟道长度为50μm，沟道宽度2mm。在第三介质层106上对设置的源电极和漏电极区域进行线性扫描，完成源电极107和漏电极108的制备，用台阶仪检测后107和108的厚度为16.5nm；
7)将5)中完成栅电极102的制备后对表面进行氧气等离子体处理使表面亲水，处理好后再将片子放在旋涂机的吸头上，方法同步骤3)，旋涂第二介质层104，然后将片子放入真空干燥箱退火，温度100℃，10分钟，用台阶仪检测104的厚度为20nm；
8)将富勒烯甲基衍生物([70]PCBM)与氯苯混合，在磁力搅拌器中搅拌2小时，配成浓度为10mg/ml的溶液；
9)将7)中退火后的片子放在匀胶机的吸头上，在第二介质层上滴8)中溶液，设置低速转400转/分钟，4秒，高速转2500转/分钟，60秒，完成有机半导体层105的制备，用台阶仪检测后105的厚度为50nm；
10)将带有源电极107和漏电极108两端与半导体层105对齐叠放在一起，然后放入真空干燥箱，115℃， 退火2小时。
底栅底接触结构的场效应管制备方案如下：
1)PI衬底201的准备同底栅顶接触结构的场效应管制备方案中步骤1)；
2)溶液的配置和旋涂同底栅顶接触结构的场效应管制备方案中步骤2)和3)；
3)将2)中旋涂好的衬底201放入真空干燥箱中，真空度为0.09Pa，温度70℃，干燥2小时，完成第一介质层202的制备，台阶仪检测202薄膜厚为20nm；
4)设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为5.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz，在第一介质层202上，设置栅电极为矩形，长度为5mm，宽度2mm。对设置的栅极区域进行线性扫描，将氧化石墨烯还原为石墨烯，完成栅电极203的制备，然后对栅电极203的表面进行氧气等离子体处理使表面亲水，台阶仪检测203薄膜厚为16.5nm；
5)处理好后再将片子放在旋涂机的吸头上，方法同步骤2)，旋涂第二介质层204，然后将片子放入真空干燥箱退火，温度100℃，10分钟，用台阶仪检测后204的厚度为20nm；
6)设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为4.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz，在第二介质层204上，设置源电极和漏电极为矩形，长度为5mm，宽度2mm，源电极和漏电极之间的沟道长度为50μm，沟道宽度2mm。对设置的源电极和漏电极区域进行线性扫描，将氧化石墨烯还原为石墨烯，完成源电极205和漏电极206的制备，然后对电极表面进行氧气等离子体处理，用台阶仪检测后205和206的厚度为12nm；
7)将富勒烯甲基衍生物([70]PCBM)与氯苯混合，在磁力搅拌器中搅拌2小时，配成浓度为10mg/ml的溶液；
8)将6)中的片子放在匀胶机的吸头上，7)中溶液滴在上面，设置低速转400转/分钟，4秒，高速转2500转/分钟，60秒，完成有机半导体层207的制备；
9)旋涂完成后放入真空干燥箱，115℃，退火2小时，用台阶仪检测后207的厚度为50nm。
技术分析
本发明的原料都来源于工业大规模生产的化工产品，原料易得，材料成本低，同时本发明所采用的旋涂和飞秒激光还原技术，对生产设备要求低，原理简单，可实现计算机控制的自动化生产，适合商业流水线生产。本发明所用材料，除衬底外都为石墨烯族化合物，石墨烯材料在高温和空气中电学性能稳定，耐水氧性很强，可有效提高器件稳定性，氧化石墨烯易溶于有机溶剂，通过旋涂可获得高质量薄膜，便于大面积制备，同时利用氧化石墨烯飞秒激光还原技术可直接在介质层上形成电极，不需要额外的蒸镀金属电极，简化了工艺。本发明可应用于柔性电路的制造，如柔性显示屏、智能可穿戴设备、生物传感器等，对未来有机集成电路的进一步的应用提供了方案。
附图说明
为了具体说明本发明的内容，结合以下附图及实施例对本发明做详细描述：
图1是本发明所述的底栅顶接触结构场效应管的截面图，图1中：101衬底、102第一介质层、103栅电极、104第二介质层、105有机半导体层、106第三介质层、107源电极，108漏电极、109封装层；
图2是本发明所述的底栅底接触结构场效应管的截面图，图2中：201衬底、202第一介质层、203栅电极、204第二介质层、205源电极、206漏电极、207有机半导体层；
图3是本发明所述的底栅顶接触结构场效应管工艺流程图；
图4是本发明所述的底栅底接触结构场效应管工艺流程图；
图5是激光加工系统装置示意图，图中：1为飞秒激光器、2为转镜、3为透镜、4为精密平台；
图6-1到6-9是本发明所述的底栅顶接触结构场效应管实施例的工艺流程图；
图7-1到7-5是本发明所述的底栅底接触结构场效应管实施例的工艺流程图；
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加明确，以下结合具体实施例，参照附图对本发明作进一步的说明。
底栅顶接触结构的场效应管实施例方案如下：
实施例1
1.1如图6-1和6-2，选用厚度为90μm的PI，将PI用去污粉擦洗后裁剪成2cm×2.5cm，然后分别用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10分钟；
1.2氮气吹干后对PI表面进行氧气等离子体处理，使表面变得亲水，完成101和109的制备.
实施例2
2.1用电子称称取30mg纯化的氧化石墨烯粉末，量筒称取60ml乙醇，两者在玻璃瓶中混合；
2.2将上述玻璃瓶密封后放在磁力搅拌器上搅拌2小时，配置成15mg/ml的溶液。
实施例3
3.1如图6-3和6-4所示，打开匀胶机的机械泵，设置匀胶机的参数：低速转400转/分钟，4秒，高速转1000转/分钟，50秒；
3.2将实施例1中的101和109分别放在吸头上，按下吸片，用移液器吸取40μl的实施例2中氧化石墨烯溶液滴在101和109上，盖上盖子开始旋涂；
3.3旋涂结束后，将旋涂好的101和109放入真空干燥箱中，抽真空到0.09Pa，温度设置为70℃，干燥2个小时，完成102和106的制备，用台阶仪检测后102和106薄膜厚为20nm；
实施例4
4.1将3中干燥后的片子102面向上放在精密平台上，设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为5.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz；
4.2如图6-5所示，通过软件设置102上的103的区域，设置103为矩形，长度为5mm，宽度2mm。控制飞秒激光器对该区域进行线性扫描，将氧化石墨烯还原为石墨烯，完成103的制备；
4.3如图6-6所示，按照上述方法，设置107和108为矩形，长度为5mm，宽度2mm，108和109之间的沟道长度为50μm，沟道宽度2mm。在106上完成107和108的制备；
4.4上述103、107和108制备完成后放入氧气等离子体中处理使表面亲水，用台阶仪检测103、107和108的厚度为16.5nm。
实施例5
5.1打开匀胶机的机械泵，设置匀胶机的参数同实施例3.1；
5.2如图6-7所示，将实施例4中103处理好后放在匀胶机吸头上，用移液器吸取40μl的实施例2中氧化石墨烯溶液滴在103上，旋涂制备104；
5.3旋涂后将片子放入真空干燥箱退火，温度100℃，退火10分钟，用台阶仪检测后104的厚度为20nm。
实施例6
6.1电子称称取[70]PCBM粉末20mg，用量筒称取2ml氯苯，两者放入玻璃瓶中混合；
6.2将玻璃瓶放在磁力搅拌器中搅拌2小时，配成浓度为10mg/ml的溶液；
实施例7
7.1打开匀胶机的机械泵，设置匀胶机的参数：低速转400转/分钟，4秒，高速转2500转/分钟，60秒；
7.2如图6-8所示，将实施例中的片子104面向上放在吸头上，用移液器吸取40μl的实施例6中的[70]PCBM溶液，滴在104上，旋涂制备105，用台阶仪检测后105的厚度为50nm；
实施例8
如图6-9所示，将实施例4的片子107和108两端与105对齐叠放在一起，然后放入真空干燥箱，真空度为1×10-3Pa，温度115℃，退火2小时，完成组装。
底栅底接触结构的场效应管实施例方案如下：
实施例1
如图7-1所示，201的准备同底栅顶接触结构的场效应管实施例1。
实施例2
氧化石墨烯溶液的配制同底栅顶接触结构的场效应管实施例2。
实施例3
3.1打开匀胶机的机械泵，设置匀胶机的参数：低速转400转/分钟，4秒，高速转1000转/分钟，50秒；
3.2如图7-2所示，将201放在吸头上，按下吸片，用移液器吸取60μl的实施例2中氧化石墨烯溶液滴在201上，盖上盖子开始旋涂；
3.3旋涂结束后，将片子放入真空干燥箱中，抽真空到0.09Pa，温度设置为70℃，干燥2个小时，完成202的制备，台阶仪检测202薄膜厚为20nm。
实施例4
4.1将3中干燥后的片子202面向上放在精密平台上，设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为5.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz；
4.2如图7-3所示，通过软件设置202上的203的区域，设置203为矩形，长度为5mm，宽度2mm。控制飞秒激光器对该区域进行线性扫描，将氧化石墨烯还原为石墨烯；
4.3上述203制备完成后放入氧气等离子体中处理使表面亲水，台阶仪检测203薄膜厚为16.5nm。
实施例5
5.1打开匀胶机的机械泵，匀胶机参数设置同实施例3.1；
5.2实施例4中处理好的片子203面向上放在吸头上，按下吸片，用移液器吸取60μl的实施例2中氧化石墨烯溶液滴在203上，旋涂制备204；
5.3将片子放入真空干燥箱退火，温度100℃，退火10分钟，用台阶仪检测后204的厚度为20nm；
实施例6
6.1将实施例5中退火后的片子204面向上放在精密平台上，设置飞秒激光器的参数，波长为800nm，输出功率为4.5mW，100fs的脉冲，重复频率为1KHz；
6.2如图7-4所示，通过软件设置205和206的区域，设置205和206为矩形，长度为5mm，宽度2mm，205和206之间的沟道长度为50μm，沟道宽度2mm。，控制飞秒激光器对该区域进行线性扫描，将氧化石墨烯还原为石墨烯；
6.3上述205和206制备完成后放入氧气等离子体处理使表面亲水，用台阶仪检测后205和206的厚度为12nm。
实施例7
配制[70]PCBM溶液同底栅顶接触结构的场效应管实施例6。
实施例8
8.1打开匀胶机的机械泵，设置匀胶机的参数同底栅顶接触结构的场效应管实施例7.1
8.2如图7-5所示，将实施例中6的片子204面向上放在吸头上，用移液器吸取40μl的实施例6中的[70]PCBM溶液，滴在204上，旋涂制备207；
8.3真空度为1×10-3Pa，温度115℃，退火2小时，用台阶仪检测后207的厚度为50nm。
Claims (6)
1.全石墨烯族柔性有机场效应管，其特征在于：它是一种底栅顶接触结构，从下向上依次为衬底、第一介质层、第二介质层、被第一介质层和第二介质层包裹的栅电极、有机半导体层、源电极、漏电极、第三介质层和封装层，其中源电极和漏电极处于同一层，位于有机半导体层之上。
2.根据权利要求1所述的全石墨烯族柔性有机场效应管，其特征在于：衬底和封装层为聚酰亚胺(PI)；第一介质层、第二介质层和第三介质层为氧化石墨烯；源电极、漏电极和栅电极为石墨烯；有机半导体层为富勒烯甲基衍生物([70]PCBM)。
3.根据权利要求1所述的全石墨烯族柔性有机场效应管，其特征在于：衬底和封装层厚度为90μm；第一介质层、第二介质层和第三介质层厚度为20nm；源电极、漏电极和栅电极长度为5mm，宽度2mm，厚度为16.5nm；有机半导体层厚度为50nm。
4.全石墨烯族柔性有机场效应管，其特征在于：它是一种底栅底接触结构，从下向上依次为衬底、第一介质层、第二介质层、被第一介质层和第二介质层包裹的栅电极、源电极、漏电极和有机半导体层，其中源电极和漏电极处于同一层，位于有机半导体层之下。
5.根据权利要求4所述的全石墨烯族柔性有机场效应管，其特征在于：衬底为聚酰亚胺(PI)；第一介质层和第二介质层为氧化石墨烯；源电极、漏电极和栅电极为石墨烯；有机半导体层为富勒烯甲基衍生物([70]PCBM)。
6.根据权利要求4所述的全石墨烯族柔性有机场效应管，其特征在于：衬底和封装层厚度为90μm；第一介质层、第二介质层和第三介质层厚度为20nm；源电极和漏电极为矩形，长度为5mm，宽度2mm，厚度为16.5nm；栅电极长度为5mm，宽度2mm，厚度为12nm；有机半导体层厚度为50nm。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20160817 Termination date: 20170108 |