专利名称：：一种有机场效应晶体管及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种有机场效应晶体管及其制备方法，特别涉及一种铜为源漏电极的高性能低成本有机场效应晶体管及其制备方法。
背景技术：
：有机场效应晶体管(organicfieldeffecttransistors(OFETs))是通过调节栅极电压来控制源漏极之间电流大小的一种有源器件，整个晶体管由衬底1上的栅极电极2、绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6构成，其结构按源漏电极位置不同可分为上电极结构和下电极结构，其结构示意图分别如图1A和图1B所示，在上电极结构中，源电极5和漏电极6设于有机半导体层4上，与绝缘层3不连接(图1A);而在下电极结构中，源电极5和漏电极6与有机半导体层4和绝缘层3均连接(图1B)。有机半导体层由于比较软，所以其结构与无机FET有所不同，有机场效应晶体管采用倒置型结构，即在晶体管的栅极上构筑整个器件。当在栅极上施加电压后，有机半导体和绝缘层界面之间会形成一楔形的导电沟道，随着电压的增大，导电沟道就逐渐向源、漏极靠近，最后与之导通，这时就形成了电流，晶体管也就处于开(on)的状态。当栅极电压为零时，源、漏极之间的电流很小，晶体管处于关(off)的状态。而决定OFET性能的两个关键指标是载流子的迁移率(p)和开关比(I。n/I。ff)。迁移率是指在单位电场下，载流子在单位时间内漂移的距离。开关比異指在一定的栅极电压下，晶体管处于开的状态和关的状态下电流之比。这两项决定了场效应晶体管性能的优劣。自从上世纪80年代发明有机场效应晶体管以来(Tsumura,A.;Koezuka,H.;Ando，T.Appl.Phys.Lett.1986,49,1210)，有机场效应晶体管由于其在有源矩阵显示、有机集成电路、电子商标等方面的潜在应用价值得到了人们的广泛关注。与无机器件相比，有机光电器件具有低成本、重量轻、柔韧性好等独特优势。近年来，随着人们研究的广泛深入研究，有机场效应晶体管在材料设计、器件制备与结构、新应用探索和实用化工艺等诸多方面都取得了长足的发展。多种有机材料的有机场效应晶体管迁移率超过0.1cm2V_1s_1(1:Nelson,S.F.;Lin,Y.Y.;Gundlach,D.J.;Jackson，T.N.Appl.Phys.Lett1998,72，1854.2:Meng，H.;Sun,F.;Goldfinger，M.B.;Gao,F.;Londono，D.J.;Marshal,W.J.;Blackman,G.S.;Dobbs,K.D.;Keys,D.E.J.Am.Soc.Chem.2006，128,9304.3:Ong,B.S.,Wu,Y.L.，Liu,P.,Gardner,S.Adv.Mater.2005,17，1141.)，已经可以和无定形硅相媲美。尽管如此，有机场效应晶体管远不能实用化，这是由于器件的稳定性和成本仍不能满足应用需要。金电极是最为广泛使用的源漏电极，这是由于金具有优异的稳定性、导电性和较高的功函。对于P型有机半导体而言，高的功函可以保证电极与有机半导体的能级匹配，从而具备高的载流子注入效率。但是，金价格昂贵，不利于有机场效应晶体管的成本降低。优异的有机场效应晶体管电极需要满足以下条件较高的稳定性、优异的导电性能和与半导体相匹配的能级。有机导电聚合物可以作为电极，但是其较差的导电性和较差的稳定性限制了其应用。
发明内容本发明的目的是具有高新能、低成本的有机场效应晶体管及其制备方法。本发明所提供的有机场效应晶体管，包括衬底，和设于衬底上的栅极电极、绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其中，有机场效应晶体管为上电极结构，源电极和漏电极均为铜。其中，铜的厚度为10300纳米。衬底选自玻璃、陶瓷、聚合物或硅片；栅极电极由具有低电阻的材料构成，包括金属、合金材料和金属氧化物导电材料，金属包括金、银、铝、铜，金属氧化物导电材料包括氧化铟锡；绝缘层包括二氧化硅、氮化硅和有机绝缘材料；有机半导体层是具有场效应性能的有机材料，包括有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们混合物，如并五苯、并四苯、酞菁铜和酞菁氧钒等。该有机场效应晶体管的制备方法，先在衬底上顺序沉积栅极电极、绝缘层和有机半导体层，然后，在有机半导体层上采用真空热蒸镀的方法沉积金属铜层，作为源电极和漏电极，得到所述有机场效应晶体管。本发明以低功函、低成本的铜为晶体管的源漏电极，得到具有良好性能的上电极结构的有机场效应晶体管，很大程度上降低了有机场效应晶体管的成本，并且工艺简单，成本低廉；本发明上电极结构的有机场效应晶体管具有和金为源漏电极的晶体管相当的高性能，同时，由于铜在无机工艺广泛应用性，使得本发明有机场效应晶体管具有更好的无机工艺兼容性，应用范围更加广泛。图IA和图IB分别为上电极结构和下电极结构的场效应晶体管的结构示意图；图2为几种有机半导体材料的分子式；图3A为铜为源漏电极材料的上电极结构的场效应晶体管(并五苯为有机半导体材料)在不同栅极电压下的输出曲线；图3B为金、银、铜为源漏电极材料的上电极结构的场效应晶体管(并五苯为有机半导体材料)的转移曲线；图4A为以CuPc为有机半导体，铜为源漏电极的上电极结构的有机场效应晶体管性能随时间的变化图；图4B为为以VOPc为有机半导体，铜为源漏电极的上电极结构的有机场效应晶体管性能随时间的变化图。具体实施方式如图1A所示，本发明有机场效应晶体管为上电极结构，包括衬底l，以及设于衬底1上的栅极电极2、绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，其源漏电极为铜电极。其中，衬底l可由以下材料制成玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成；栅极电极2是由具有低电阻的材料构成，包括金、银、铝、铜等各种金属及合金材料以及金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料构成；绝缘层3可为无机绝缘层和有机绝缘层，包括二氧化硅、氮化硅、聚乙烯醇等。源漏电极为铜电极；有机半导体层4由具有场效应性能的有机材料制成，包括有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们混合物，如并五苯(pentacene)、并四苯(tetracene)、酞菁铜(CuPc)和酞菁氧钒(VOPc)等(结构式分别如图2所示)，该有机半导体层4可为单层或双层。在本发明有机场效应晶体管中，各种部件的厚度与尺寸没有特殊要求，可按照目前通用的有机场效应晶体管的厚度与尺寸进行制作即可。该有机场效应晶体管先按常规方法在衬底上顺序沉积栅极电极、绝缘层和有机半导体层，再制作铜源漏电极，即可得到。这些方法均可按照现有各种常用方法进行如沉积栅极电极，可采用真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积等；沉积绝缘层，可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀等方法;沉积有机半导体层，成膜方式可以是真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷等；沉积铜源漏电极，可采用真空热蒸镀等方法。具体的，包括以下步骤第一步，有机半导体层的沉积将沉积有栅极电极和绝缘层的衬底用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烘干，然后经十八烷基氯硅烷(OTS)修饰，之后用正庚烷、乙醇、丙酮超声清洗，然后采用有机物成膜方法得到厚度为5150纳米的有机半导体层；第二步，源漏电极的沉积将制备好有机半导体层的晶体管上，在掩模版的掩模作用下，采用真空沉积方法得到铜源漏电极。以下以具体的实施例来说明本发明有机场效应晶体管的制备以及性能测试，但本发明并不局限于此。实施例1、源漏电极为铜、有机半导体层基于并五苯的有机场效应晶体管的制备第一步，绝缘层的清洗与界面修饰将沉积有栅极电极(高掺杂硅)和绝缘层(二氧化硅层)的衬底经去离子水、乙醇、丙酮各超声清洗十分钟后烘箱烘干，将清洗后的衬底置于滴有十八烷基氯硅烷(OTS)的培养皿中，之后在lPa的真空度和393K下烘3小时，然后用正庚垸、乙醇、丙酮超声清洗。第二步，有机半导体材料的沉积将清洗并修饰好衬底置于真空镀膜机内，在真空度为4xl0,a的条件下以1A/s的速度蒸镀并五苯，厚度为50纳米。第三步，源漏电极的沉积与器件测试将沉积完并五苯半导体层的有机场效应晶体管置于真空镀膜机内，在真空度为8xlO'4Pa的条件下以1.2A/s的速度蒸镀铜电极，厚度为30纳米，得到场效应晶体管。利用HP4140B半导体测试仪在大气环境下室温下对器件性能进行测试，基于该结构的晶体管迁移率为0.18cii^V—V、开关比为106，该性能与相同条件下以金作为电极的器件性能相当，该晶体管在不同栅极电压下的输出曲线如图3A所示。实施例2、按照按实施例1的过程，以并四苯作为有机半导体，基于并四苯的场效应晶体管迁移率为0.041cm2v—V、开关比为106。采用同样的方法，以金、银、铜为源漏电极材料，二氧化硅为绝缘层，高掺杂硅作为栅极电极，以并五苯、并四苯为有机半导体材料，制备出上电极结构和下电极结构的有机场效应晶体管，其性能参数如表l;金、银、铜为源漏电极材料的上电极结构的场效应晶体管(并五苯为有机半导体材料)的转移曲线如图3B所示。表1以二氧化硅为绝缘层的并五苯、并四苯有机场效应晶体管性能参数<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从表1和图3B的结果可以看出，对于上电极结构的器件，以铜为源漏电极，以二氧化硅为绝缘层的并五苯和并四苯场效应器件性能与同条件下制备的金电极器件性能相当，但是铜电极器件具备更低的成本。实施例3、第一步，绝缘层的制备将沉积有氧化铟锡(ITO)的导电玻璃衬底经去离子水、乙醇、丙酮各超声清洗十分钟后烘箱烘干，之后以旋涂600纳米的聚乙烯基苯酚有机绝缘层，再将涂有有机绝缘层的衬底置于烘箱中100度下烘10分钟、200度烘1小时、60度退火10小时。第二步和第三步按照实施例1中的第二步和第三步进行，得到场效应晶体管。利用HP4140B半导体测试仪在大气环境下室温下对器件性能进行测试，基于该结构的晶体管迁移率为0.15cm^rV、开关比为105。实施例4:按实施例3的过程，以并四苯作为有机半导体，基于并四苯的场效应晶体管迁移率为0.052cm2v—V、开关比为106。采用同样的方法，以金、银、铜为源漏电极材料，聚乙烯基苯酚为绝缘层，氧化铟锡(ITO)作为栅极电极，以并五苯、并四苯为有机半导体材料，制备出上电极结构的有机场效应晶体管，其性能参数如表2。表2以有机聚合物为绝缘层的并五苯、并四苯的有机场效应晶体管性能参数<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>从表2的结果可以看出，以铜为源漏电极，以聚乙烯基苯酚为有机绝缘层的并五苯和并四苯场效应器件性能与同条件下制备的金电极器件性能相当，但是铜电极器件具备更低的成本。实施例5:按实施例1的制备方法，以酞菁铜(CuPc)作为有机半导体制备有机场效应晶体管。对器件的测试在器件于空气中存放30小时后进行，基于CuPc的场效应迁移率为0.012cmVV1，开关比为105。图4A为以CuPc为有机半导体，铜为源漏电极的上电极结构的有机场效应晶体管性能随时间的变化图。实施例6:按实施例1的制备方法，以酞菁氧钒(VOPc)作为有机半导体制备有机场效应晶体管。对器件的测试在器件于空气中存放30小时后进行，基于VOPc的场效应迁移率为0.01cm2V—、—、开关比为105。图4B为以VOPc为有机半导体，铜为源漏电极的上电极结构的有机场效应晶体管性能随时间的变化图。权利要求1、一种有机场效应晶体管，包括衬底，和设于衬底上的栅极电极、绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于所述有机场效应晶体管为上电极结构，所述源电极和漏电极均为铜。2、根据权利要求1所述的有机场效应晶体管，其特征在于所述铜的厚度为10300纳米。3、根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，其特征在于所述衬底选自玻璃、陶瓷、聚合物或硅片。4、根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，其特征在于所述栅极电极由具有低电阻的材料构成，包括金属、合金材料和金属氧化物导电材料。5、根据权利要求4所述的有机场效应晶体管，其特征在于所述金属包括金、银、铝、铜；所述金属氧化物导电材料包括氧化铟锡。6、根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，其特征在于所述绝缘层包括二氧化硅、氮化硅和有机绝缘材料。7、根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，其特征在于有机半导体层是具有场效应性能的有机材料，包括有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们混合物及多层材料。8、根据权利要求7所述的有机场效应晶体管，其特征在于所述有机半导体层为并五苯、并四苯、酞菁铜或酞菁氧钒。9、权利要求1所述有机场效应晶体管的制备方法，先在衬底上顺序沉积栅极电极、绝缘层和有机半导体层，然后，在有机半导体层上采用真空热蒸镀的方法沉积金属铜层，作为源电极和漏电极，得到所述有机场效应晶体管。10、根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述金属铜层的厚度为10300纳米。全文摘要本发明公开了有机场效应晶体管及其制备方法。本发明所提供的有机场效应晶体管，包括衬底，和设于衬底上的栅极电极、绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其中，有机场效应晶体管为上电极结构，源电极和漏电极均为铜。本发明以低功函、低成本的铜为晶体管的源漏电极，得到具有良好性能的上电极结构的有机场效应晶体管，很大程度上降低了有机场效应晶体管的成本，并且工艺简单，成本低廉；本发明上电极结构的有机场效应晶体管具有和金为源漏电极的晶体管相当的高性能，同时，由于铜在无机工艺广泛应用性，使得本发明有机场效应晶体管具有更好的无机工艺兼容性，应用范围更加广泛。文档编号H01L51/40GK101335332SQ20071011815公开日2008年12月31日申请日期2007年6月29日优先权日2007年6月29日发明者贵于,刘云圻,徐新军,朱道本,狄重安,郭云龙申请人:中国科学院化学研究所