一种有机薄膜晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型有机薄膜晶体管，其使用的是一类新型的有机稠环芳姪衍生 物作为有机半导体，该类有机半导体材料具有大共辆体系和很好的光敏特性，在集成电路、 光敏和存储有机光电子领域有重要应用前景。
【背景技术】
[0002] 有机薄膜晶体管是重要的有机半导体器件之一，其研究工作进展迅速并引起了 人们的广泛关注。在有机半导体材料晶体管出现W前，晶体管主要是由娃Si、错Ge、神化 嫁GaAs、氮化嫁GaN等为代表的半导体材料制备，已经广泛应用于电子元件、高密度信息存 储、光电器件等领域。随着人们对有机半导体材料认识的逐步深入，一批具有类似无机半导 体特性的有机功能材料被开发出来了，并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。目前利 用有机晶体管已经应用于环形振荡器的逻辑口、有机显示器的有源驱动电路、有机传感器、 存储器、电子书或电子纸领域等等。有机半导体材料的出现，极大地丰富了人们的视野，激 发了广泛的研究兴趣，已经成为当今的研究热点之一。
[0003] 有机半导体材料与传统的无机半导体材料相比有一定的相似性，它们在电导率、 载流子迁移率和能隙等方面存在着较多的类似点，应用领域也有一定的相似性。但是有机 半导体材料又具有许多不同于无机半导体材料的新特点，有机半导体可选范围广泛、制备 工艺简单、成本低廉，并且可W制备柔性器件，该都给有机半导体材料的发展提供了美好的 前景和广阔的空间
[0004] 通常晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管。所谓场效应是指半导体材料的导电 能力随着电场的变化而变化。场效应晶体管工作过程和电子管十分相似，是电压控制器件， 就是通过改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。在电子领域中有着广泛的应用， 是微处理器和半导体储存器等超大规模集成电路中最重要的器件之一。
[0005] 随着有机半导体材料的发现和发展，人们开始尝试利用有机物替代无机材料充 当载流子传输层，而利用有机材料充当载流子传输层的薄膜场效应晶体管也就被称为有 机薄膜场效应晶体管（organic thin-film field-effect transistor, 0TFFET)。也称有 机薄膜晶体管（organic thin-film transistor, OTFT)或者有机场效应晶体管（organic field-effect transistor, OFET)，在本论文中，为方便起见，我们统一称为有机薄膜晶体 管。
[0006] 虽然有机半导体材料的种类不断得到丰富，但是材料的选择范围很是很小的，基 本上集中于并五苯和寡聚喔吩及其衍生物上，除此W外駄菁及其衍生物也略有涉及但是要 少很多。
[0007] -方面载流子迁移率很难再有大幅度提高，另一方面该些种材料具有合成困难， 价格昂贵、稳定性较差等缺点。而且只选择该些材料大大的缩小了有机半导体材料的选择 范围。新的有机半导体需要被尝试。更多的有机材料应该被用于有机薄膜晶体管的领域当 中，不断的拓宽有机薄膜晶体管的选材范围，进而提高其性能。因而在本专利中研究了新的 材料，一类有机稠环芳姪衍生物材料作为新的半导体层，并制备了器件。通过对器件中有机 半导体材料层的厚度、蒸发和旋涂速率、金属电极金Au电极的厚度参数等的不断调整W及 采用退火等操作流程，大大优化了器件的性能，使得器件的载流子迁移率从l(T 5cmVVs达到 了 0. 9cm2/Vs，开关电流比从20~30提高到了 104~105。
[0008] 场效应晶体管有着较好的工作速率，较低的能耗功率，封装也比较容易实现大规 模制作，因此它们在存储器、便携式电子计算机、自动化电子设备、数据传送设备、随机逻辑 系统中可W有广泛的应用。
[0009] 相对于无机的场效应晶体管，有机薄膜晶体管有着如下的优点：
[0010] 有机薄膜技术更多、更新、更薄，使得器件的尺寸能够更小，集成度更高，使得应用 有机薄膜晶体管的电子元器件可W达到更高的运算速度和更小的操作功率。利用有机薄膜 大规模制备技术，可W制备大面积的器件。
[0011] 有机材料的合成相对于无机材料容易，有机分子选材广泛，而且通过对有机分子 结构进行适当的修饰，可W得到不同性能的材料，因此通过尝试新的材料W及对有机半导 体材料进行改性就能够使有机薄膜晶体管的电学性能达到理想的结果。
[0012] 有机薄膜晶体管的上述特点决定了它有着非常广阔的应用前途，因此人们在对有 机薄膜晶体管器件制备工艺和机理进行研究的同时，对相关的应用研究也投入了很大的精 力。现在已经被应用于有机存储器件、有机集成电路、有机有源点阵显示器的驱动、有机气 体/离子传感器等众多的领域。
【发明内容】
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[0013] 本发明的目的是提出一种新型有机薄膜晶体管，其中采用了有机稠环芳姪衍生物 材料，作为一类新型有机半导体材料。
[0014] 特别地，我们发现，在本发明的材料中，通式（I )的母体结构是共平面的，该样的 稠环共辆体系有利于电子的传输。母体结构上连接H芳胺或稠杂环芳姪，例如巧哇基团， 二苯并喔吩基团，二苯并巧喃基团等，该样的稠杂环有利于给出电子(杂原子上的电子易给 出）。整体效果是使用有机稠环芳姪衍生物材料的有机薄膜晶体管表现出优异的晶体管性 质。
[0015] 本发明提出一种有机薄膜晶体管，包括基片、源/漏电极、n电极，W及位于源/漏 电极和口电极之间的半导体层和绝缘层，所述半导体层材料为结构通式如下式（I)所示有 机稠环芳姪衍生物，
[0016]
【主权项】
1. 一种有机薄膜晶体管，包括基片、源/漏电极、门电极，以及位于源/漏电极和门电极 之间的半导体层和绝缘层，其特征在于，所述半导体层材料为结构通式如下式（I )所示有 机稠环芳烃衍生物，
其中：Ar1-Ar8独立选自H、C6~C30的取代或非取代的芳烃基团、C6~C30的取代或 非取代的稠环芳烃基团、C6~C30的取代或非取代的稠杂环基团、五元、六元的杂环或取代 杂环、三芳胺基基团、二苯胺基基团、芳醚团基基团、Cl~C20的取代或非取代的的脂肪族 烷基基团中的一种； 且Ar1-Ar8F同时为H。
2. 根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机稠环芳烃衍生物通 式（I )中，Ar1-Ar8分别独立选自苯基、取代的苯基、联苯基、萘基、取代的萘基、咔唑基、取代 的咔唑基、三芳胺基、二苯胺基、N-苯基萘胺基、二苯并噻吩基、取代的二苯并噻吩基、二苯 并呋喃基、取代的二苯并呋喃基。
3. 根据权利要求1或2所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层的材料选自 以下结构式：
fw 口 W /
J'w 口 W KJ O
4. 根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述基片所用材料选自玻璃、 硅片、金属、陶瓷或者有机高分子材料。
5. 根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述基片是柔性基片。
6. 根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的半导体层的厚度在 IO-IOOnm范围内。
7. 根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机薄膜晶体管中的源/ 漏电极或门电极厚度为10_200nm。
8. -种制备权利要求1所述的有机薄膜晶体管的方法，具体步骤包括： (1) 有机稠环芳烃衍生物材料的合成和提纯； (2) 在带有门电极或源/漏电极的基片上制备绝缘层； (3) 在绝缘层上沉积所述有机稠环芳烃衍生物材料作为器件的半导体层； (4) 制备源/漏电极或门电极； (5) 采用退火工艺处理器件。
9. 根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述有机稠环芳 烃衍生物薄膜层是在真空腔室中蒸镀制备的，蒸镀速度为〇. 1~I A/S。
10. 根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述有机稠环芳 烃衍生物薄膜层是通过把所述有机稠环芳烃衍生物溶解在溶剂中，通过旋涂、喷墨打印和 印刷湿法制备的。
11.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述退火工艺步 骤中控制温度为50°C至120°C，退火时间为1-4小时。
【专利摘要】本发明涉及一种有机薄膜晶体管，包括基片、源/漏电极、门电极，以及位于源/漏电极和门电极之间的半导体层和绝缘层，所述半导体层材料为结构通式如下式（Ⅰ）或所示有机稠环芳烃衍生物，其中：Ar1-Ar8独立选自H、C6～C30的取代或非取代的芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠环芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠杂环基团、五元、六元的杂环或取代杂环、三芳胺基基团、芳醚团基基团、C1～C20的取代或非取代的脂肪族烷基基团中的一种；且Ar1-Ar8不同时为H。本发明采用新型的有机场致效应半导体材料，同时利用本材料制备了有机薄膜晶体管，特别的，在有机柔性显示器以及其他要求柔性的器件中可以有很好的应用。
【IPC分类】C07D307-77, H01L51-30, H01L51-40, C07D409-14, H01L51-05
【公开号】CN104638106
【申请号】CN201310553461
【发明人】李银奎, 董桂芳
【申请人】北京鼎材科技有限公司, 清华大学, 北京维信诺科技有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月8日