专利名称：底端为源极的垂直构型场效应发光管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及场效应发光管技术，具体地讲是一种底端为源极的垂直构型场效应发光管及其制备方法。
背景技术：
众所周知，场效应晶体管的工作模式通常为单极载流子模式，但双极工作模式也是可能的。在Schn的基于α-6T的有机场效应发光管报道之后，希望能融合有机发光二极管和有机场效应晶体管来制备有机场效应发光管的需求不断增加，其目标是要得到简化的有机主动矩阵显示。场效应发光管是一种集发光和晶体管的“开/关”功能于一体的光电子器件。有机场效应发光管在发光器件、光互联的有机集成电路和有机激光二极管中具有多种潜在的应用。有机场效应发光管不仅能增加发光单元像素点的孔径，而且由于开关晶体管数量的减少而使得主动矩阵显示的制造费用大为降低。再者，通过栅压来控制载流子积累及连续地从源极和漏极注入载流子，这是给有机层提供载流子的一种独特的方法。
原则上，与发光二极管相比，场效应发光管中栅极的存在提供了许多优点对于双极发光材料，栅极电压将减小功能层中电子和空穴数量的不平衡——这是获得高激子密度的至关重要的因素。而且，通过栅压可控制晶体管沟道中激子复合区的位置，以减少金属电极处激子的猝灭。近年来，有机场效应晶体管的电致发光取得了重要进展。基于并四苯多晶薄膜的底接触型有机场效应发光管，在所谓的p型驱动条件下，具有从源极和漏极注入空穴和电子的双注入特性。Ahles等人在相似结构的有机场效应发光管器件中观察到了poly(9，9-diethylhexyl-fluorence)的电致发光。他们都认为有机层与欠刻蚀的Au电极之间的高电场能引起较大的电子注入。另外，Misewich等人也观察到了以碳纳米管为发射极的双极薄膜晶体管的红外光发射。最近，Sakanoue等人也在以MEH-PPV为活性层的底接触型有机场效应发光管中成功地获得了电致发光，表明非对称的源-漏电极(Al/Au)能极大地增强电致发光效率。有人也观察到了以2，4-bis(4-(2’-thiophene-y1)phenyl)thiophene为活性层的有机场效应发光管的电致发光，其最大外量子效率为6.3×10-3％，源、漏电极之间的沟道长度很短(约0.8μm)。此外，关于不同种类的有机场效应发光管的自发辐射也有报道。Nakamura等人报道了一种通过简单过程制备得到的、以塑料为衬底的、高性能的金属-绝缘体-半导体类型的有机场效应发光管。塑料衬底上的场效应发光管将为具有晶体管“开/关”功能并能发光的柔性器件开辟道路。
以上报道的这些有机场效应发光器件都采用传统的场效应晶体管结构，在制作过程中仍需光刻工艺，这会对有机薄膜的有序性产生一定的影响，进而影响器件的整体性能；同时，源、漏电极的接触电阻和沟道电阻也是影响器件性能的主要因素。因此，很有必要对有机场效应发光管的结构进行改造，以便提高场效应发光管的性能。
发明内容
本发明的目的就是提供一种底端为源极的垂直构型场效应发光管及其制备方法，这种垂直结构的场效应发光管能克服传统结构的薄膜发光管的诸多缺点，制作工艺简单，无需光刻等复杂的工艺，易于集成，工作电压低，响应速度快。
本发明所采用的技术方案是本发明的底端为源极的场效应发光管采用垂直结构，即在基片上，有导电源极；
在导电源极上有半导体层；在半导体层上有导电栅极；在导电栅极上有半导体和有机发光复合功能层；在复合功能层上有透明导电漏极。
该底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法(1)清洗基片，然后在其上蒸镀导电电极(金属或合金)作为场效应发光管的源极；基片可以是柔性衬底，也可以是刚性衬底；(2)通过热蒸发或甩膜等方法将有机半导体材料蒸镀到源极上；也可用电子束蒸发、磁控溅射、分子束外延和激光脉冲沉积等方法制备无机半导体薄膜。
(3)利用热蒸发等方法并通过掩模板将导电电极蒸镀到半导体薄膜层上，形成一定厚度的导电电极作为栅极；(4)用热蒸发等方法在栅极上蒸镀半导体层以及有机发光复合功能薄膜层；(5)将透明导电电极材料蒸镀到复合功能层上作为漏极，从而完成整个发光管器件的制备。
本发明由于是用底端为源极的垂直构型来制备场效应发光管，其制作工艺简单，无需光刻等复杂工艺；沟道长度可以作得很薄，因而可以大大提高场效应发光管器件的“开/关”电流比；对于质轻、价廉及可与柔性衬底相兼容的有机材料，更有利于提高有机膜的有序性和场效应迁移率，因而器件的工作电压低、响应速度快。因此，本发明的目的是要充分利用有机材料、无机材料以及垂直构型场效应发光管的各自优点，并发挥它们集合在一起之后的优势，制备出响应速度快、发光性能优良的垂直构型场效应发光管。
图1为本发明的刚性或柔性衬底上的底端为源极的垂直构型场效应发光管结构图。
图2为底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法方框简图。
图3为底端为源极的垂直构型场效应发光管Glass/ITO/TPD(50nm)/Al(100nm)/TPD(50nm)/Alq3(52nm)/Al在不同栅极电压下的源-漏电压(Vsd)与源-漏电流(Isd)之间的关系示意图。
具体实施例方式
本发明的具体实施方式
1如图1、2所示，其步骤如下(1)清洗基片，在基片上制备出导电电极作为源极；本实施例可选择通过刻蚀等方法制备的ITO电极为栅极。
(2)然后，将有机半导体材料通过热蒸发或甩膜等方法沉积到清洗好的ITO栅极上，厚度为50～300nm。
(3)通过掩模板，用热蒸发等方法将导电电极蒸镀到有机半导体层上作为栅极，厚度约为100nm左右。
(4)用热蒸发的方法在栅极上蒸镀有机半导体复合层，厚度100～300nm。
(5)最后蒸镀透明漏极，完成场效应发光管的制备。
作为以上方法的一个具体实施例，图3给出了底端为源极的垂直构型场效应发光管Glass/ITO/TPD(50nm)/Al(100nm)/TPD(50nm)/Alq3(52nm)/Al在不同栅极电压下的源-漏电压(Vsd)与源-漏电流(Isd)之间的关系曲线。显然，可通过栅极电压来调控该场效应发光管的发光。其具体的制备过程是在ITO栅极2的玻璃基片1上，有一层有机空穴传输(TPD)层3和5，且在有机空穴传输层3与5之间，有一层金属Al源极4，然后再在有机空穴传输层(TPD)5上蒸镀金属电极Al作为漏极6。值得注意的是，可通过优化器件各功能层的厚度，特别是关注第(2)、(3)、(4)步，优选出合适的器件结构，制备出发光性能优良的并可调节的垂直构型场效应发光管。
刚性衬底还可以是高掺杂的硅片，这样，可以与已成规模的硅技术相兼容。此外，也可将场效应发光管制作在柔性衬底(如PET等)上。
本发明的具体实施方式
2的步骤与实施方式1相类似，只是将该场效应发光管中的有机半导体层替换为无机半导体材料(如ZnO、ZnSe等)，或者是有机/无机组合层，主要包括以下几种方式[1]衬底1/源极2/无机半导体层3/栅极4/无机半导体层5/有机发光层6/漏极7；[2]衬底1/源极2/无机半导体层3/栅极4/有机半导体层5/有机发光层6/漏极7；[3]衬底1/源极2/有机半导体层3/栅极4/无机半导体层5/有机发光层6/漏极7；[4]衬底1/源极2/无机组合层3/栅极4/有机组合层5/有机发光层6/漏极7；[5]衬底1/源极2/有机-无机组合层3/栅极4/有机-无机组合层5/有机发光层6/漏极7。
导电电极可以是金属或合金电极，可以是单层结构也可以是多层结构。除了导电电极之外，整个场效应发光管器件中的半导体层均可以是有机层、无机层以及有机-无机层的组合。
值得注意的是，以上的有机发光层6是以传输电子为主的发光材料，而相应的半导体层(或组合层)3和5应为以传输空穴为主的材料。
如果有机发光层是以传输空穴为主的发光材料，则半导体层5和有机发光层6的镀膜顺序要互换(而相应的半导体层(或组合层)3和5应为以传输电子为主的材料)，并采用如下镀膜顺序[1]衬底1/源极2/无机半导体层3/栅极4/有机发光层5/无机半导体层6/漏极7；[2]衬底1/源极2/无机半导体层3/栅极4/有机发光层5/有机半导体层6/漏极7；[3]衬底1/源极2/有机半导体层3/栅极4/有机发光层5/无机半导体层6/漏极7； 衬底1/源极2/无机组合层3/栅极4/有机发光层5/无机组合层6/漏极7；[5]衬底1/源极2/有机-无机组合层3/栅极4/有机发光层5/有机-无机组合层6/漏极7。
可通过优化各功能层的厚度，特别是关注第(2)、(3)、(4)步，优选出合适的器件结构，获得性能优良的垂直构型场效应发光管。值得注意的是，塑料衬底上的场效应发光管将为具有晶体管“开/关”功能并能发光的柔性器件开辟道路，并具有广阔的市场前景。
权利要求
1.一种底端为源极的垂直构型场效应发光管，其特征在于其采用垂直结构，即在基片(1)上，有导电源极(2)；在导电源极(2)上有半导体层(3)；在半导体层(3)上有导电栅极(4)；在导电栅极(4)上有半导体层(5)和有机发光层(6)；在有机发光层(6)上有透明导电漏极(7)。
2.根据权利要求1所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管，其特征在于除了导电电极外，场效应发光管器件中的半导体层均可以是有机层、无机层以及有机/无机层的组合。
3.一种底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于其制备方法如下(1)清洗基片(1)，然后在其上蒸镀导电电极作为场效应发光管的源极(2)；(2)通过热蒸发或甩膜等方法将有机半导体材料(3)制备到源极(2)上；(3)利用热蒸发等方法并通过掩模板将导电电极蒸镀到半导体层(3)上，形成一定厚度的导电层作为栅极(4)；(4)用热蒸发等方法在栅极(4)上蒸镀半导体层(5)和有机发光层(6)；(5)将透明导电电极材料蒸镀到有机发光层(6)上作为漏极(7)，从而完成整个场效应发光管器件的制备。
4.根据权利要求3所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于基片(1)可以是柔性衬底，也可以是刚性衬底；在基片(1)上蒸镀的导电电极作为场效应发光管的源极(2)，导电电极可以是金属电极，也可以是合金电极。
5.根据权利要求3所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于也可用电子束蒸发、磁控溅射、分子束外延和激光脉冲沉积的方法来制备无机半导体薄膜层(3)。
6.根据权利要求3所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于栅极(4)可以由单层金属及多层金属构成，也可以由单层金属合金及多层金属合金构成。
7.根据权利要求3所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于可将半导体层及有机发光层优化为多层薄膜组合，采用如下镀膜方式[1]衬底(1)/源极(2)/无机半导体层(3)/栅极(4)/无机半导体层(5)/有机发光层(6)/漏极(7)；[2]衬底(1)/源极(2)/无机半导体层(3)/栅极(4)/有机半导体层(5)/有机发光层(6)/漏极(7)；[3]衬底(1)/源极(2)/有机半导体层(3)/栅极(4)/无机半导体层(5)/有机发光层(6)/漏极(7)；[4]衬底(1)/源极(2)/无机组合层(3)/栅极(4)/无机组合层(5)/有机发光层(6)/漏极(7)；[5]衬底(1)/源极(2)/有机-无机组合层(3)/栅极(4)/有机-无机组合层(5)/有机发光层(6)/漏极(7)。以上的有机发光层是以传输电子为主的发光材料，而相应的半导体层(或组合层)3和5应为以传输空穴为主的材料。
8.根据权利要求3所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于如果有机发光层是以传输空穴为主的发光材料，则半导体层(5)和有机发光层(6)的镀膜顺序要互换(而相应的半导体层(或组合层)3和5应为以传输电子为主的材料)，采用如下镀膜方式[1]衬底(1)/源极(2)/无机半导体层(3)/栅极(4)/有机发光层(5)/无机半导体层(6)/漏极(7)；[2]衬底(1)/源极(2)/无机半导体层(3)/栅极(4)/有机发光层(5)/有机半导体层(6)/漏极(7)；[3]衬底(1)/源极(2)/有机半导体层(3)/栅极(4)/有机发光层(5)/无机半导体层(6)/漏极(7)；[4]衬底(1)/源极(2)/无机组合层(3)/栅极(4)/有机发光层(5)/无机组合层(6)/漏极(7)；[5]衬底(1)/源极(2)/有机-无机组合层(3)/栅极(4)/有机发光层(5)/有机-无机组合层(6)/漏极(7)。
9.根据权利要求3所述的底端为源极的垂直构型场效应发光管的制备方法，其特征在于漏极(7)是透明和半透明的电极。
全文摘要
底端为源极的垂直构型场效应发光管及其制备方法，在刚性或柔性衬底上制备源极，将半导体材料蒸镀到源极上，在半导体薄膜层上蒸镀导电电极作为栅极，接着蒸镀半导体层以及有机发光复合功能薄膜层，最后蒸镀导电电极作为漏极完成场效应发光管器件的制备。除了导电电极之外，由于场效应发光管使用了垂直结构，所以其制作工艺简单，无需光刻等复杂工艺，沟道长度可以作得很薄，可大大提高发光管器件的“开/关”电流比。对于质轻、价廉及可与柔性衬底相兼容的有机材料，更有利于提高有机膜的有序性和场效应迁移率。本发明利用有机和无机材料、垂直构型场效应晶体管各自的优点组合后，制备出工作电压低、响应速度快、性能优良的垂直构型场效应发光管。
文档编号H01L51/56GK101075662SQ20071010015
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者杨盛谊, 娄志东, 杜文树, 齐洁茹, 邓振波 申请人:北京交通大学