一種雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管及其制備方法與應(yīng)用，屬于有機(jī)電子 學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 有機(jī)/聚合物場效應(yīng)晶體管由于其在柔性電子紙，智能卡片和平板顯示等方面的 巨大應(yīng)用前景，倍受國內(nèi)外廣大科研工作者的關(guān)注。從1980年起，有機(jī)/聚合物半導(dǎo)體材料 作為有機(jī)/聚合物場效應(yīng)晶體管的重要組成部分，一直是大家研究的重點。隨著給體-受體 共輒聚合物的快速發(fā)展，其空穴迀移率已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平。然而，目前絕大多數(shù)的 有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料只展示出單極性，只有很少一部分能被測試到雙極性;雙極性半導(dǎo) 體聚合物材料的研究將是迫切需要的，因為其在邏輯電路能耗方面非常小。
[0003] 另外，器件制備工藝的發(fā)展也帶動著有機(jī)/聚合物場效應(yīng)晶體管改善其性能，甚至 展現(xiàn)出很好的雙極性?？紤]到聚合物半導(dǎo)體材料的溶解性好，可以大面積溶液法加工制備， 其在高性能場效應(yīng)晶體管器件和電路方面起了非常關(guān)鍵性的作用。眾所周知，絕緣層和半 導(dǎo)體層間的界面是有機(jī)/聚合物場效應(yīng)晶體管器件性能的關(guān)鍵所在;科研工作者大多數(shù)都 是從半導(dǎo)體材料角度去改善界面（H. Yan，Z · H · Chen，Y · Zheng，C · Newman，J · R · Quinn， F.Dotz，M.Kastler，A.Facchetti ,Nature 457(2009)679-686)，其實從絕緣層材料角度去 改變界面也是一個很好的辦法。國際上已有課題組嘗試使用不同的絕緣層材料制備有機(jī)/ 聚合物場效應(yīng)晶體管器件，雖然他們通過這個方法能單方面地改善了一種載流子（電子或 者空穴）的迀移率，但會不同程度地降低另一種載流子(空穴或電子）的迀移率(K.J.Baeg， D.Khim,S.ff.Jung,M.Kang,I.K.You,D.Y.Kim,A.Facchetti,Y.Y.Noh,Adv.Mater.24(2012) 5433-5439；E.J.Meijer,D.M.De Leeuw,S.Setayesh,E.Van Veenendaal,B-H.Huisman, P.W.M.Blom，J.C.Hummelen，U.Scherf，T.M.Klapwijk，Nat.Mater.2(2003)678-682)。目前， 現(xiàn)有方法均不能做到提高有機(jī)/聚合物場效應(yīng)晶體管的雙極性傳輸性能，即均不能做到電 子和空穴迀移率都得到同時提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā) 明雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管的電子和空穴的迀移率都得到了提高，且其制備方法簡單易 行。
[0005] 本發(fā)明提供了一種雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管，它由下至上依次為襯底、源漏電 極、半導(dǎo)體層、絕緣層、柵極電極；
[0006] 所述絕緣層的材料為聚甲基丙烯酸甲酯。
[0007] 上述的晶體管中，所述襯底的材料為硅片和/或玻璃；
[0008] 所述源漏電極的材料為金；
[0009] 所述源漏電極的厚度可為20~30納米，具體可為20納米或20~28納米。
[0010] 上述的晶體管中，所述半導(dǎo)體層的厚度可為30~50納米，具體可為30納米或30~ 45納米；
[0011] 所述半導(dǎo)體層的材料為具有雙極性特性的聚合物材料，具體地，所述具有雙極性 特性的聚合物材料為聚[2,6_雙(2-辛基十二烷基)-1，4,5,8_萘酰亞胺-alt-5,5'-:(l， Γ-連二噻吩)噻吩]共聚物和聚[2,6_雙(2-辛基十二烷基)-l，4,5,8-萘酰亞胺-alt-5,5'_ 二（噻吩-2-基）-2，2 ' -(反式）-2-( 2-(噻吩-2-基）乙烯基）噻吩]共聚物，分別簡稱P (NDI20D-T2WPPNVT-8;
[0012] 所述半導(dǎo)體層的材料的重均分子量可為10~100千道爾頓，具體可為40~70千道 爾頓;所述聚合物半導(dǎo)體具體采用的？(冊120012)和?附1'-8的重均分子量分別為43.4千道 爾頓和64.1千道爾頓；
[0013] 所述絕緣層的厚度可為850~1000納米，具體可為1000納米或900~1000納米； [0014] 所述聚甲基丙烯酸甲酯的重均分子量可為120~1000千道爾頓，具體可為120千道 爾頓、550千道爾頓、1000千道爾頓、120~550千道爾頓或550~1000千道爾頓；
[0015] 所述柵極電極的厚度可為80~100納米，具體可為85~100納米或100納米；
[0016] 所述柵極電極的材料為金和/或鋁。
[0017] 本發(fā)明還提供了上述雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括如下步驟：1) 在襯底上沉積帶有圖案的源漏電極；
[0018] 2)在步驟1)中沉積有源漏電極的襯底上旋涂聚合物半導(dǎo)體，得到聚合物半導(dǎo)體 層；
[0019] 3)在步驟2)中所述聚合物半導(dǎo)體層上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，得到聚甲基丙烯酸 甲酯層；
[0020] 4)在步驟3)中所述聚甲基丙烯酸甲酯層上沉積柵極電極，即得到雙極性聚合物場 效應(yīng)晶體管。
[0021] 上述的制備方法中，步驟1)中，所述沉積采用真空蒸鍍方法;所述真空蒸鍍的真空 度可為 5 X 10-4~8 X 10-4Pa，具體可為 8 X 10-4Pa或 6 X 10-4~8 X 10-4Pa;
[0022] 所述沉積的速度可為0.5~1.5埃每秒，具體可為1埃每秒、0.5~1埃每秒或1~1.5 埃每秒。
[0023] 上述的制備方法中，步驟1)中，在沉積所述源漏電極之前還包括對所述襯底依次 經(jīng)去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗后烘干的步驟；
[0024]步驟1)之后還包括用乙醇超聲清洗，然后用高純氮氣氣槍吹干的步驟。
[0025] 上述的制備方法中，步驟2)和3)中均采用溶液法旋涂所述半導(dǎo)體和所述聚甲基丙 烯酸甲酯，所述半導(dǎo)體和所述聚甲基丙烯酸甲酯均溶解于乙酸正丁酯中。
[0026] 本發(fā)明中，所述半導(dǎo)體層的制備和所述絕緣層的制備過程均在高純氮氛的手套箱 內(nèi)完成。
[0027] 上述的制備方法中，步驟2)和3)中均包括對所述半導(dǎo)體層和所述絕緣層退火烘干 的步驟，所述退火烘干的溫度可為90~100°C，具體可為100°C，所述退火烘干的時間可為30 ~40min，具體可為30min或30~36min。
[0028] 上述的制備方法中，步驟4)中，所述沉積采用真空蒸鍍方法;所述真空蒸鍍的真空 度可為 5 X 10-4~8 X 10-4Pa，具體可為 8 X 10-4Pa或 5 X 10-4~8 X 10-4Pa;
[0029] 所述沉積的速度可為1.5~2.5埃每秒，具體可為2埃每秒、1.5~2埃每秒或2~2.5 埃每秒。
[0030] 本發(fā)明雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管應(yīng)用于有機(jī)電子學(xué)和集成電路加工中，具體應(yīng) 用在柔性電子紙、智能卡片和/或平板顯示器中。
[0031] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0032] 1、本發(fā)明選用了不同分子量的聚甲基丙烯酸甲酯作為制備聚合物場效應(yīng)晶體管 器件的絕緣層材料，來源廣泛且成本低，從而更進(jìn)一步降低了聚合物場效應(yīng)晶體管器件的 成本；
[0033] 2、本發(fā)明采用乙酸正丁酯作為聚甲基丙烯酸甲酯溶液的溶劑；由于乙酸正丁酯對 有機(jī)半導(dǎo)體材料不具有溶解能力，可以達(dá)到很好的"正交溶劑"的效果。
[0034] 3、本發(fā)明雙極性聚合物場效應(yīng)晶體管的制備方法結(jié)合溶液法加工技術(shù)和真空蒸 鍍技術(shù)，制備工藝簡單，容易制備加工。
[0035] 4、本發(fā)明所制備的聚合物場效應(yīng)晶體管的特性-雙極性（即電子和空穴的迀移率） 都得到了提高。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明實施例1和實施例2中所采用的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2為本發(fā)明實施例1中的P(NDI20D-T2)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的化學(xué)分子 式，其中圖2a)為P (ND 120D-T2)的化學(xué)分子式，圖2b)為PMM的化學(xué)分子式。
[0038]圖3為本發(fā)明實施例2中所采用PNVT-8的化學(xué)分子式。
[0039] 圖4為本發(fā)明實施例1中基于P(NDI20D_T2)的聚合物場效應(yīng)晶體管測試獲得的轉(zhuǎn) 移曲線。（a)和(b)為聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為120千道爾頓時聚合物場效應(yīng)晶體管測 試的轉(zhuǎn)移曲線；（c)和(d)為聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為550千道爾頓時聚合物場效應(yīng)晶 體管測試的轉(zhuǎn)移曲線；（e)和(f)為聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為1000千道爾頓時聚合物場 效應(yīng)晶體管測試的轉(zhuǎn)移曲線。
[0040] 圖5為本發(fā)明實施例2中基于PNVT-8的聚合物場效應(yīng)晶體管測試獲得的轉(zhuǎn)移曲線。 (a)和(b)為聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為120千道爾頓時有機(jī)場效應(yīng)晶體管測試的轉(zhuǎn)移曲 線；（c)和(d)為聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為550千道爾頓時聚合物場效應(yīng)晶體管測試的 轉(zhuǎn)移曲線；（e)和(f)為聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為1000千道爾頓時聚合物場效應(yīng)晶體管 測試的轉(zhuǎn)移曲線。
【具體實施方式】
[0041 ]下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0042]下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0043]實施例1、P (NDI20D-T2)為聚合物半導(dǎo)體層的有機(jī)場效應(yīng)晶體管
[0044] 第一步，源漏電極的制備：
[0045] 在康寧玻璃襯底依次經(jīng)過去離子水、乙醇和丙酮超聲清洗并烘干后，采用金屬掩 膜方法，將金屬掩膜板蓋在康寧玻璃襯底上，放入真空鍍膜機(jī)中，將真空度抽真空至8X HT 4Pa下，然后加熱鎢絲框蒸發(fā)源上的金，使其以1埃每秒的速度沉積到蓋有金屬掩膜板的康 寧玻璃