專利名稱：一種有機(jī)薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型有機(jī)晶體管。
背景技術(shù)：
有機(jī)晶體管是重要的有機(jī)半導(dǎo)體器件之一，其研究工作進(jìn)展迅速并引起了人
們的廣泛關(guān)注。在有機(jī)半導(dǎo)體材料晶體管出現(xiàn)以前，晶體管主要是由硅Si、鍺 Ge、砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN等為代表的半導(dǎo)體材料制備，并以已經(jīng)廣泛應(yīng)用 于電子元件、高密度信息存儲(chǔ)、光電器件等領(lǐng)域。隨著人們對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料認(rèn) 識(shí)的逐步深入， 一批具有類似無機(jī)半導(dǎo)體特性的有機(jī)功能材料被開發(fā)出來了，并 且正嘗試應(yīng)用于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的領(lǐng)域。目前利用有機(jī)晶體管己經(jīng)應(yīng)用于環(huán)形振 蕩器的邏輯門、有機(jī)顯示器的有源驅(qū)動(dòng)電路、有機(jī)傳感器、存儲(chǔ)器、電子書或電 子紙領(lǐng)域等等。有機(jī)半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，極大地豐富了人們的視野，激發(fā)了廣泛 的研究興趣，已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。
有機(jī)半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比有一定的相似性，它們?cè)陔妼?dǎo) 率、載流子遷移率和能隙等方面存在著較多的類似點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也有一定的相似 性。但是有機(jī)半導(dǎo)體材料又具有許多不同于無機(jī)半導(dǎo)體材料的新特點(diǎn)，有機(jī)半導(dǎo) 體可選范圍廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，并且可以制備柔性器件，這都給有 機(jī)半導(dǎo)體材料的發(fā)展提供了美好的前景和廣闊的空間
通常晶體管包括雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所謂場(chǎng)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料的 導(dǎo)電能力隨著電場(chǎng)的變化而變化。場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作過程和電子管十分相似，是 電壓控制器件，就是通過改變電場(chǎng)來控制固體材料導(dǎo)電能力的有源器件。在電子 領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，是微處理器和半導(dǎo)體儲(chǔ)存器等超大規(guī)模集成電路中最重 要的器件之一。
隨著有機(jī)半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，人們開始嘗試?yán)糜袡C(jī)物替代無機(jī)材料 充當(dāng)載流子傳輸層，而利用有機(jī)材料充當(dāng)載流子傳輸層的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管也就 被稱為有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(organic thin-film field-effect transistor, OTFFET)。 也稱有機(jī)薄膜晶體管(organic thin-film transistor, OTFT)或者有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(organic field-effect transistor, OFET)，在本論文中，為方便起見，我們統(tǒng)一 稱為有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)。
雖然有機(jī)半導(dǎo)體材料的種類不斷得到豐富，但是材料的選擇范圍很是很小 的，基本上集中于并五苯和寡聚噻吩及其衍生物上，除此以外酞菁及其衍生物也 略有涉及但是要少很多。
一方面載流子遷移率很難再有大幅度提高，另一方面這些種材料具有合成困 難，價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。而且只選擇這些材料大大的縮小了有機(jī)半導(dǎo) 體材料的選擇范圍。新的有機(jī)半導(dǎo)體需要被嘗試。更多的有機(jī)材料應(yīng)該被用于 OTFT的領(lǐng)域當(dāng)中，不斷的拓寬OTFT的選材范圍，進(jìn)而提高其性能。因而在本 專利中研究 了 新的材料， 一 種方酸染料 (l,3-bis[(3,3-dimethylindolin-2-ylidene)methyl] squaraine，以下簡(jiǎn)稱ISQ)作為新的 半導(dǎo)體層，并制備了器件。通過對(duì)器件中有機(jī)半導(dǎo)體材料層的厚度、蒸發(fā)速率、 金屬電極金Au電極的厚度參數(shù)等的不斷調(diào)整以及采用退火等操作流程，大大優(yōu) 化了器件的性能，使得器件的載流子遷移率從10—5 cm2/VS達(dá)到了 1.13 X10—3 cm2/Vs，開關(guān)電流比從20 30提高到了 103 104。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管有著較好的工作速率，較低的能耗功率，封裝也比較容易實(shí)現(xiàn) 大規(guī)模制作，因此它們?cè)诖鎯?chǔ)器、便攜式電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化電子設(shè)備、數(shù)據(jù)傳 送設(shè)備、隨機(jī)邏輯系統(tǒng)中可以有廣泛的應(yīng)用。
相對(duì)于無機(jī)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，OTFT有著如下的優(yōu)點(diǎn)
有機(jī)薄膜技術(shù)更多、更新、更薄，使得器件的尺寸能夠更小，集成度更高， 使得應(yīng)用OTFT的電子元器件可以達(dá)到更高的運(yùn)算速度和更小的操作功率。利用 有機(jī)薄膜大規(guī)模制備技術(shù)，可以制備大面積的器件。
有機(jī)材料的合成相對(duì)于無機(jī)材料容易，有機(jī)分子選材廣泛，而且通過對(duì)有機(jī) 分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?，可以得到不同性能的材料，因此通過嘗試新的材料以 及對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行改性就能夠使OTFT的電學(xué)性能達(dá)到理想的結(jié)果。
OTFT的上述特點(diǎn)決定了它有著非常廣闊的應(yīng)用前途，因此人們?cè)趯?duì)OTFT 器件制備工藝和機(jī)理進(jìn)行研究的同時(shí)，對(duì)相關(guān)的應(yīng)用研究也投入了很大的精力。 現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于有機(jī)存儲(chǔ)器件、有機(jī)集成電路、有機(jī)有源點(diǎn)陣顯示器的驅(qū)動(dòng)、 有機(jī)氣體/離子傳感器等眾多的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中采用了有機(jī)半導(dǎo)體材 料方酸菁類材料。
本發(fā)明提出一種有機(jī)晶體管，包括基片、源/漏電極、柵電極，以及位于源 /漏電極和柵電極之間的半導(dǎo)體層和絕緣層，其中半導(dǎo)體層采用下述通式所示的 方酸染料
o
上式中，R選自-NH， R'選自-CH2、 -NH、 S或-C(CH3)2中的一種。 本發(fā)明的有機(jī)晶體管為單晶晶體管或薄膜晶體管。
本發(fā)明的有機(jī)晶體管的基片材料選自玻璃、硅片、金屬或者陶瓷，該基片也 可以是柔性基片。
上述方酸染料薄膜層的厚度在40-100nm范圍內(nèi)。 上述方酸染料薄膜層的蒸鍍速度為0.8~1 A/s。
本發(fā)明還提出一種制備有機(jī)晶體管的方法，具體步驟包括合成方酸菁ISQ
材料、提純；在帶有透明電極的基片上甩膜制備絕緣層；在真空腔室中蒸鍍ISQ
薄膜材料作為器件的半導(dǎo)體層；制備源漏金屬電極；采用退火工藝處理器件。 上述方酸染料薄膜層的蒸鍍速度為0. 8 1 A/s。
退火工藝步驟中控制溫度為50 。C至90 °C，時(shí)間為l-4小時(shí)。
本發(fā)明的OTFT的制作工藝簡(jiǎn)單，可以采用蒸鍍、甩膜等等工藝，制備條件
溫和，可以有效地降低器件的成本。
利用本發(fā)明的技術(shù)方案成功設(shè)計(jì)了一種新型的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體材料，大大
擴(kuò)寬了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體材料的選擇范圍。同時(shí)，利用本材料可以制備全有機(jī)材
料的器件，在有機(jī)柔性顯示器以及其他要求柔韌性的器件可以有很好的應(yīng)用。
說明書附圖
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圖1為實(shí)施例1制備的晶體管的輸出特性曲線。圖2為實(shí)施例1制備的晶體管的
轉(zhuǎn)移特性曲線。
具體實(shí)施方式
-
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。注意的是，這里說明的各個(gè)實(shí)
施例僅僅是用于例示說明本發(fā)明，不應(yīng)當(dāng)將這些實(shí)施例理解為限定性的。
按照合成方酸菁ISQ材料的制備方法、用該方酸菁制備的半導(dǎo)體器件的方
法，我們將分兩部分說明本發(fā)明內(nèi)容。 (1)合成方酸菁ISQ材料的制備方法
我們采用的路徑是
將方酸材料squaric acid和2， 3， 3-三甲基吲哚2,3,3-trimethylindolenines，兩者按
照l: 2的摩爾比例在適當(dāng)體積的甲苯和正丁醇溶液中混合加熱回流一定時(shí)間，然
后采用分流器分流，將生成的水出去。靜置冷卻后，晶體即會(huì)析出，然后用甲醇
重結(jié)晶即可得到產(chǎn)品。為了提高純度，l-2次的分區(qū)升華是需要的。其他材料也可 以采用類似的途徑合成。 (2)本發(fā)明的晶體管的制備方法
在制備好導(dǎo)電薄膜的基片上甩膜制備絕緣層材料，該材料優(yōu)選為PMMA、 PVP;
在真空腔室中蒸鍍ISQ等有機(jī)薄膜材料；
制備器件的源漏金屬電極；
進(jìn)行退火處理。 實(shí)施例l:
利用已制備上ITO導(dǎo)電薄膜并光刻成圖形的玻璃基片作為基底，用丙酮/乙醇 (l:l)混合液、去離子水超聲清洗基底，清洗好的基底在紅外燈下烘干l小時(shí)。
把基底置于旋涂機(jī)樣品臺(tái)上，設(shè)置旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速為3500rpm，將絕緣層材料 PMMA溶液滴到基底上，并鋪滿整個(gè)基底，開啟旋涂設(shè)備，30秒后設(shè)備停止，在 ITO玻璃基底上形成均勻的絕緣層薄膜膜。
7把基底固定在制備晶體管柵極的模板上，并置模板和基底于真空腔室中，待 真空度達(dá)到5X10—3 Pa后，蒸鍍?nèi)缦聢D的TMISQ薄膜材料，蒸鍍速率為1 A/s， 蒸鍍膜厚為20-100 nm。
在真空度達(dá)到3X10—3 Pa后，開始蒸鍍金屬金Au電極，厚度為80 nm. 待基片冷卻以后，從真空中取出模板，取出模板中的試驗(yàn)片， 把基底放入退火爐內(nèi)，在60'C條件下進(jìn)行退火3小時(shí)。至此器件制備完成。 圖1和圖2為晶體管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線，從這些特性曲線中可以
看出，器件具有典型的輸入電壓控制輸出電流特性,經(jīng)過計(jì)算，該器件的場(chǎng)效應(yīng)遷 移率為0.05 cm2V—'s—1 ，開關(guān)電流比為6.9X105。
實(shí)施例2:
利用已制備好ITO導(dǎo)電薄膜并光刻成圖形玻璃片作為基底，用丙酮/乙醇(1:1) 混合液、去離子水超聲清洗基底，清洗好的基底在紅外燈下烘干1小時(shí)。
把基底置于旋涂機(jī)樣品臺(tái)上，設(shè)置旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速為3500rpm，將絕緣層材料 PVP溶液滴到基底上，并鋪滿整個(gè)基底，開啟旋涂設(shè)備，30秒后設(shè)備停止，在ITO 玻璃基底上形成均勻的絕緣層薄膜膜。
把基底固定在制備晶體管柵極的模板上，并置模板和基底于真空腔室中，待 真空度達(dá)到5X10—3 Pa后，蒸鍍?nèi)缦聢D的BTASQ薄膜材料，蒸鍍速率為1 A/s， 蒸鍍膜厚為50 nm.在真空度達(dá)到3X10—3 Pa后，開始蒸鍍金屬金Au電極，厚度為50 nm. 待基片冷卻以后，從真空中取出模板，取出模板中的試驗(yàn)片， 把基底放入退火爐內(nèi)，在80 'C條件下進(jìn)行退火2小時(shí)。至此器件制備完成。 器件具有典型的輸入電壓控制輸出電流特性，該器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率為0. 1 cnAr's—'，開關(guān)電流比為5X105。
實(shí)施例3:
用丙酮/乙醇(l:l)混合液、去離子水超聲清洗制備好的ITO導(dǎo)電薄膜并光刻 成圖形玻璃片作為基底和光刻完畢的Cr電極基底，清洗好的基底在紅外燈下烘干 1小時(shí)。
把ITO基底置于旋涂機(jī)樣品臺(tái)上，設(shè)置旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000rpm，將絕緣層 材料PMMA溶液滴到基底上，并鋪滿整個(gè)基底，開啟旋涂設(shè)備，30秒后設(shè)備停止， 在ITO玻璃基底上形成均勻的絕緣層薄膜膜。
將TMISQ用熱的甲醇溶液溶解制備飽和溶液，后緩慢冷卻，使TMISQ能夠析 出單晶，待單晶達(dá)到合適大小時(shí)，取出單晶。
將單晶放置于Cr電極的溝道之上，在上面覆蓋已經(jīng)制備好PMMA的柵極基底。
至此器件制備完成。器件具有典型的輸入電壓控制輸出電流特性，該器件的 場(chǎng)效應(yīng)遷移率為2 cm2rs—、開關(guān)電流比為3X105。
實(shí)施例4:
用丙酮/乙醇(l:l)混合液、去離子水超聲清洗制備好的ITO導(dǎo)電薄膜并光刻 成圖形玻璃片作為基底，清洗好的基底在紅外燈下烘干1小時(shí)。
9把IT0基底置于真空濺射設(shè)備當(dāng)中，在真空度達(dá)到3X10—3 Pa后，開始濺 射制備TaA薄膜，在ITO玻璃基底上會(huì)形成均勻的絕緣層薄膜膜，速率約為0. 1 nm/s，厚度為300nm。待基片冷卻以后，從真空中取出模板，取出模板中的試驗(yàn)片， 放入蒸鍍金屬金Au電極腔室，開始制備電極，厚度約為40nm。
將BTASQ用熱的乙醇溶液溶解制備飽和溶液，后緩慢冷卻，使TMISQ能夠析 出單晶，待單晶達(dá)到合適大小時(shí)，取出單晶。
將單晶放置于Au電極的溝道之上，在上面施加一定的壓力，保證各層之間 有一個(gè)良好的接觸，如下圖所示
至此器件制備完成。器件具有典型的輸入電壓控制輸出電流特性，該器件的 場(chǎng)效應(yīng)遷移率為3 cm2V—'s—、開關(guān)電流比為6X105。
權(quán)利要求
1、一種有機(jī)晶體管，包括基片、源/漏電極、柵電極，以及位于源/漏電極和柵電極之間的半導(dǎo)體層和絕緣層，其特征在于，所述半導(dǎo)體層采用下述通式所示的方酸染料其中，R選自-NH，R′選自-CH2、-NH、S或-C(CH3)2中的一種。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)晶體管，其特征在于，該晶體管為單晶晶體管或 薄膜晶體管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)晶體管，其特征在于，所述基片材料選自玻 璃、硅片、金屬或者陶瓷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)晶體管，其特征在于，所述基片是柔性基片。
5、 t艮據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)晶體管，其特征在于，所述方酸染料薄膜層 的厚度在20-100nm范圍內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機(jī)晶體管，其特征在于，其金屬電極選用金、 鉻或鎳，電極總厚度為10-200 nm。
7、 一種制備權(quán)利要求1所述的有機(jī)晶體管的方法，具體步驟包括A. 合成方酸菁ISQ材料、提純；B. 在帶有電極的基片上制備絕緣層；C. 沉積ISQ薄膜材料作為器件的半導(dǎo)體層；D. 制備源漏金屬電極；E. 采用退火工藝處理器件。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的有機(jī)晶體管的制備方法，其特征在于，所述方酸染料 薄篳層是采用真空蒸鍍的方法制備的，蒸鍍速度為0.8~10 A/s。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的有機(jī)晶體管的制備方法，其特征在于，所述退火工藝 步驟中控制溫度為50 。C至150 °C，時(shí)間為l-6小時(shí)。
10、根據(jù)權(quán)利要求6所述的有機(jī)晶體管的制備方法，其特征在于，所述方酸染料 薄膜層是通過溶解方酸類染料，利用旋涂、印刷、噴墨打印的溶液方法制備的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用方酸菁類材料的有機(jī)晶體管，包括基片、源/漏電極、柵電極，以及位于源/漏電極和柵電極之間的半導(dǎo)體層和絕緣層，所述半導(dǎo)體層采用下述通式所示的方酸染料，其中，R選自-NH，R′選自-CH₂、-NH、S或-C(CH₃)₂中的一種。本發(fā)明采用新型的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體材料，大大擴(kuò)寬了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體材料的選擇范圍。同時(shí)，利用本材料可以制備全有機(jī)材料的器件，在有機(jī)柔性顯示器以及其他要求柔韌性的器件可以有很好的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L51/05GK101452995SQ20081024683
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者董桂芳, 勇 邱, 鄭海洋 申請(qǐng)人:清華大學(xué)