CN205752255U - 一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种具有双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其结构包括顶部栅电极(1)、顶栅绝缘层(2)、有机半导体层(3)、源电极(4)、漏电极(5)、底栅绝缘层(6)、底部栅电极(7)。该双栅结构的有机光敏场效应晶体管中，顶部栅电极和底部栅电极可以分别控制晶体管的开启和关闭，也可同时控制晶体管的开启和关闭；底栅绝缘层覆于底栅之上，源漏电极覆于底栅绝缘层的两侧，中间部分形成沟道，有机半导体层覆于沟道及电极之上，顶栅绝缘层覆于有机半导体层之上，顶栅覆于顶栅绝缘层之上；底部栅电极和顶部栅电极材料相同，底栅绝缘层和顶栅绝缘层材料相同，材料结构对称。

Description

一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管

技术领域

本实用新型属于有机薄膜器件领域，具体涉及一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管。

背景技术

随着半导体技术的发展，目前以集成电路为核心的电子信息产业已经超过了传统的石油、钢铁、汽车产业，成为全球第一大产业，带动各行各业的发展和经济的进步。根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。目前最新的集成电路制造工艺，晶体管的的特征尺寸已达到了14nm，但是随着集成电路的集成度越来越高，特征尺寸也越来越小，也伴随着一些问题出现，如量子隧穿效应引起的电流泄漏等，这些问题将限制传统无机半导体的发展，科学家也提出了改进器件结构，采用高介电常数材料作为介质层来解决目前的问题，但是从长远来看要从根本上解决问题必须采用新的材料和方法。自从人们发现掺杂的聚乙炔可以导电以来，用有机物代替传统无机半导体材料成为研究的热门，随之兴起一门新的学科——有机电子学，有机物作为半导体材料比传统的硅锗材料有更多优势，比如材料无数种，可用化学合成和修饰满足各种需要，最重要的是有机材料具有柔性，可大面积制备，适合打印、印刷、旋涂等低成本生产工艺。与光敏无机场效应管相比，光敏有机场效应管(photosenitive organic field-effecttransisitor，photOFET)具有光响应度高，可以大面积低成本制造以及制造过程环境友好等优点。通常，光敏有机场效应管由衬底、栅极、栅介质、有机光敏层、源极和漏极组成。为了获得更实际的应用，OTFTs的性能还需进一步的提高和改善。文章中以酞菁铅(PbPc)为有机半导体材料，制备了双栅结构的有机光敏场效应晶体管。本文介绍了采用双栅结构制作的有机光敏场效应体管，这种结构的器件具有两个栅极，对导电沟道有更好的控制，并在较低的操作电压下获得了较大的输出电流，与单栅有机薄膜晶体管相比，场效应迁移率以及电流开关比更高。有机光敏有机场效应晶体管以其成本低、柔性好、易加工等优点越来越受到人们的青睐，目前已广泛应用于低端器件。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管。

本实用新型提供的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其结构如图1所示，包括包括顶部栅电极(1)、顶栅绝缘层(2)、有机半导体层(3)、源电极(4)、漏电极(5)、底栅绝缘层(6)、底部栅电极(7)。底栅绝缘层覆于底部栅电极之上，源电极和漏电极分别覆于底栅绝缘层的两侧，中间部分形成沟道，有机半导体层覆于沟道及源电极、漏电极之上，顶栅绝缘层覆于有机半导体层之上，顶部栅电极覆盖于顶栅绝缘层之上；在该晶体管中，构成底部栅电极和顶部栅电极的材料为ITO，构成底栅绝缘层和顶栅绝缘层的材料为PVP，构成源电极和漏电极的材料为金，构成有机半导体层的材料为酞菁铅；晶体管采用左右完全对称的结构，顶栅绝缘层和底栅绝缘层厚度完全相同。

采用波长为780-980nm的近红外光照射时，输出电流明显增加。

分别施加顶部栅电极电压或底部栅电极电压，皆可控制晶体管的开启和关闭，同时向顶部栅电极和底部栅电极施加电压，可增大有机场效应晶体管的载流子迁移率；所述的一种具有双栅结构的光敏有机场效应晶体管具有三种工作模式：

1.当施加底部栅电极电压时沟道开启，有机场效应晶体管源电极和漏电极导通；

2.当施加顶部栅电极电压时沟道开启，有机场效应晶体管源电极和漏电极导通；

3.当同时施加顶部栅电极电压和底部栅电极电压时，有机场效应晶体管源电极和漏电极输出电流相对上述两种工作模式增大；

本实用新型提供的制备上述双栅结构的光敏有机场效应晶体管的方法，包括如下步骤：

1)在清洗后的玻璃衬底上制备底部栅电极；

2)在所述步骤1)得到的底部栅电极之上制备底栅绝缘层；

3)在所述步骤2)得到的带有底栅绝缘层的衬底之上制备源电极和漏电极；

4)在所述步骤3)得到的基础之上制备有机半导体层；

5)在所述步骤4)得到的半导体层之上制备顶栅绝缘层；

6)在所述步骤5)得到的顶栅绝缘层之上制备顶部栅电极；

上述制备方法步骤1)中，底部栅电极的材料为ITO，将玻璃衬底分别用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗15分钟；制备底部栅电极的方法为磁控溅射，磁控溅射的工作气压为2.5Pa，真空度为3.0×10^-3帕斯卡以下，溅射功率为140W，淀积速率为5埃/秒，沉积时间为20分钟；

步骤2)中制备底栅绝缘层的方法为真空热蒸镀，真空度为1.5×10^-3帕斯卡以下，蒸镀速率为0.1埃/秒；

步骤3)中，首先采用光刻工艺制备牺牲层，在底栅绝缘层上涂一层负胶，使用掩膜版遮挡，经曝光、坚膜后用强酸除去被掩膜版掩挡住的部分，暴露出的区域用于制备源电极和漏电极；制备源电极和漏电极的方法为真空热蒸镀，真空度为1.5×10^-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1埃/秒；

步骤4)中有机半导体层的制备方法是真空热蒸镀，真空度为3×10^-4帕斯卡以下，蒸镀速率为0.5埃/秒；

步骤5)中制备顶栅绝缘层的方法真空热蒸镀，真空度为1.5×10^-3帕斯卡以下，蒸镀速率为0.1埃/秒；

步骤6)中制备顶部栅电极的材料为ITO导电玻璃，方法为磁控溅射，工作气压为2.5帕斯卡，真空度为3.0×10^-3帕斯卡以下，溅射功率为140瓦，淀积速率为5埃/秒，沉积时间为20分钟。

本实用新型的技术分析：

该双栅光敏有机晶体管的有机半导体层为酞菁铅(PbPc)，是小分子光敏有机材料，对波长范围为780-980nm的近红外光十分敏感。除此之外，该双栅晶体管有三种工作模式，分别为顶栅模式、底栅模式、双栅模式。当该双栅晶体管工作在顶栅模式或者是底栅模式下的时候，晶体管开启；当工作在双栅模式下时，相对前两种工作模式，输出电流、开关电流比和载流子迁移率明显增加，阈值电压明显降低，双栅光敏有机晶体管的性能更具优势。

附图说明

图1为一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管的结构简图。图1中：1为顶部栅电极、2为顶栅绝缘层、3为有机半导体层、4为源电极、5为漏电极、6为底栅绝缘层、7为底部栅电极。

具体实施方式

下面结合具体实例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型中，对有机光敏晶体管施加波长为808nm的光照，并测试其工作在不同模式下的输出电流：

1)晶体管工作在顶栅模式下

2)晶体管工作在底栅模式下

3)晶体管工作在双栅模式下

在上述不同工作模式下，模式1)和模式2)测试获得器件性能相同，在模式3)下，施加与模式1)、模式2)相同源漏电压时，输出电流是模式1)、模式2)的两倍以上；分析结果表明，双栅工作模式有效的提高器件的迁移率。

实施例1

本实施例按照下述步骤制备双栅结构的光敏有机场效应晶体管：

1)洗净的ITO导电玻璃作为器件的衬底兼底部栅电极，制备底栅电极的方法为磁控溅射，所采用的是ITO陶瓷靶材In₂O₃∶SnO₂＝90∶10wt.％，纯度为99％，磁控溅射的工作气压为2.5Pa，真空度为3.0×10^-3帕斯卡以下，溅射功率为140瓦，淀积速率为5埃/秒，沉积时间为20分钟。

2)采用真空热蒸镀方法制备底栅绝缘层PVP，真空热蒸镀的气压为1.5×10^-3Pa，沉积速率为0.1埃/秒。

3)源漏电极首先采用光刻工艺制备牺牲层，在底栅绝缘层上涂一层负胶，使用掩膜版遮挡，经曝光、坚膜后用强酸除去被掩膜版掩挡住的部分，暴露出的区域用于制备源电极和漏电极；制备源电极和漏电极的方法为真空热蒸镀，真空度为1.5×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1埃/秒，蒸镀源漏电极Au；

4)有机半导体层的制备方法是真空热蒸镀，真空度为3×10^-5Pa，沉积速率为0.5埃/秒；

5)顶栅绝缘层的方法为真空热蒸镀，真空热蒸镀的气压为1.5×10^-3Pa，沉积速率为0.1埃/秒；

6)顶部栅电极的材料为ITO导电玻璃，方法为磁控溅射，磁控溅射的工作气压为2.5Pa，真空度为3.0×10^-3帕斯卡以下，溅射功率为140W，淀积速率为5埃/秒，沉积时间为20分钟。

Claims (8)

1.一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，包括顶部栅电极(1)、顶栅绝缘层(2)、有机半导体层(3)、源电极(4)、漏电极(5)、底栅绝缘层(6)、底部栅电极(7)；

其中：底栅绝缘层覆于底部栅电极之上，源电极和漏电极分别覆于底栅绝缘层的两侧，中间部分形成沟道，有机半导体层覆于沟道及源电极、漏电极之上，顶栅绝缘层覆于有机半导体层之上，顶部栅电极覆盖于顶栅绝缘层之上。

2.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，用波长为780-980nm的近红外光照射。

3.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，晶体管采用左右完全对称的结构。

4.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，顶栅绝缘层和底栅绝缘层厚度完全相同。

5.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成底部栅电极和顶部栅电极的材料为ITO。

6.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成底栅绝缘层和顶栅绝缘层的材料为PVP。

7.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成源电极和漏电极的材料为金。

8.根据权利要求1所述的一种双栅结构的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成有机半导体层的材料为酞菁铅。