一种双层修饰的高性能有机场效应晶体管及其修饰方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种有机场效应晶体管及其修饰方法，具体设及绝缘层-半导体界面 双层修饰有机场效应晶体管及其修饰方法，可W实现器件空穴迁移率超过IcmVVs。
【背景技术】
[0002] 有机场效应晶体管由于其制造成本较低并且可大面积生产，在过去的几十年受到 越来越多的关注与深入的研究。它可广泛应用于柔性电路、电子显示、非易失性存储W及传 感器等设备中，因此，对于其电子性能的要求也不断提高。该主要包括制备工艺的提高，例 如打印、气相沉积、旋涂等，W及对所用材料的不断探索。研究已经发现了一些具有高载流 子迁移率的小分子材料，许多有机场效应晶体管的研究都是基于小分子作为半导体层而取 得较高迁移率。同时，二氧化娃也是常用的绝缘层材料。由于其表面呈亲水性，不利于一些 半导体粒子的生长，会产生一些缺陷。
[000引 目前已有很多关于半导体-绝缘层单层界面修饰的报道，早在1990年，化ng等 人就研究了不同聚合物做绝缘层，提出迁移率与绝缘层的介电常数密切相关狂ZPeng,G Horowitz，DFichou，FGarnier，Appl.Phys.Lett, 1990, 57, 2013)。后来，也有文献报道 了对绝缘层进行修饰W达到提高有机场效应晶体管电学性质的综述（W化ao，HLDong,L Jiang,WP化，化em.Sci，2011，2, 590)。常用的修饰材料有聚合物聚甲基丙締酸甲醋 (PMMA)、聚对己締基苯酪（PVP)、聚苯己締（P巧、聚己締醇（PVA)，还有自组装单层修饰材料 十八烷基S氯硅烷（0T巧和六甲基二娃氮烧（HMD巧。0TS由于具有较长的烷基链，可W在氧 化物表面形成哲基官能团的隧道屏障，并且可W作为界面接触层有效调节并五苯薄膜的结 构排列。聚己締醇（PVA)、聚对己締基苯酪（PW)等是高介电常数材料（又叫高-k材料）。 高-k材料聚合物常被用在柔性有机场效应晶体管中，因为它可W实现低电压，但是不足之 处在于它需要较高的退火温度，并且绝缘性质也较弱。聚苯己締（P巧、聚甲基丙締酸甲醋 (PMMA)等是电绝缘性较好的聚合物，该些具有较好绝缘性的聚合物也常被用在绝缘层修饰 上，该是由于它们可W在进一步提高电绝缘性的同时有效减少绝缘层与半导体层之间的电 荷陷阱。上述聚合物由于没有哲基官能团，使得表面疏水性更强，水分子难W接触其表面从 而提高器件在空气中的稳定性，但是，随着绝缘性的提高，绝缘层-半导体层界面间的电荷 浓度会降低，导致器件的漏电流变大。
[0004] 然而，大多数的报道都是采用单层的修饰方法，应用了修饰材料的优势，但未解 决修饰材料的劣势问题。因此，很少有通过界面修饰达到有机场效应晶体管电学性质 的突破的报道。对有机场效应晶体管的性能要求也不再仅仅体现在迁移率，还包括空 气中的稳定性、亚阔值偏移、偏压效应等。虽然之前也有文献报道了双层修饰二氧化娃 绝缘层表面的文章（YMSun,XFLu，SWLin,JKettle,SGYeates,AMSong,Org. Electron, 2010, 11, 351)，上述文章双层修饰采用聚合物与自组装单层的结合，此种结合方 式并没有有效改善器件的迁移率。为了解决界面修饰达不到有机场效应晶体管电学性质的 问题，本发明采用两层聚合物修饰，得到可W大幅度提高电学特性的器件，器件空穴迁移率 超过lcm2/Vs。
【发明内容】
[0005] 为了发挥聚合物修饰的优势，同时解决聚合物修饰的不足之处，制备出在迁移率、 稳定性、亚阔值偏移、偏压效应等电学特性有突破的有机场效应晶体管，本发明提供一种双 层修饰的高性能有机场效应晶体管及其修饰方法。采用双层聚合物修饰一定厚度的二氧化 娃表面，促进上层半导体粒子更好生长，提高有机场效应晶体管的电学性质，包括迁移率、 空气中稳定性、亚阔值偏移、偏压效应。
[0006] 本发明的目的通过W下技术方案实现。
[0007] 一种双层修饰的高性能有机场效应晶体管，包括源漏电极、半导体层、绝缘层，所 述绝缘层为二氧化娃/娃基片，所述半导体层与二氧化娃/娃衬底之间从上到下依次有 高-k材料聚合物层和高绝缘性聚合物层。
[000引优选地，所述高-k材料聚合物层中高-k材料聚合物选自聚己締醇、聚对己締基苯 酪、氯己基普鲁兰多糖。
[0009] 优选地，所述高绝缘性聚合物层中高绝缘性聚合物选自聚苯己締、聚甲基丙締酸 甲醋。
[0010] 优选地，所述高绝缘性聚合物与高-k材料聚合物依次旋涂于所述绝缘层。
[0011] 上述有机场效应晶体管的修饰方法，包括如下步骤：
[0012] (1)配置高绝缘性聚合物溶液，高绝缘性聚合物，溶于己酸己醋，浓度10-60mg/ ml；
[0013] (2)配置交联高-k材料聚合物溶液；采用酸酢类化合物作交联剂，选用高溶解度 含醋溶剂，选用基于该聚合物单体的有机碱做催化剂，配置成浓度为10-30mg/ml的溶液；
[0014] (3)选择表面有40-60nm二氧化娃的重渗杂的娃作为基片，清洗干净基片后烘干；
[0015] (4)在干净的基片表面旋涂步骤（1)配置好的高绝缘性聚合物溶液，厚度为 180-300nm;然后在其上旋涂交联高-k材料聚合物溶液，厚度为60-80nm;
[0016] (5)将旋涂完的片子放入烘箱中烘干，之后冷却；
[0017] (6)在修饰层上真空蒸锻半导体材料和源漏电极。
[0018] 优选地，步骤（1)中所述高绝缘性聚合物溶液为聚甲基丙締酸甲醋溶液。
[0019] 优选地，步骤（2)中所述高-k材料聚合物溶液为交联聚对己締基苯酪溶液。
[0020] 优选地，步骤（2)中所述交联剂为4, 4'-(六氣异亚丙基）二献酸酢，所述溶剂为 丙二醇甲離醋酸醋，所述催化剂为=己胺。
[0021] 优选地，步骤（4)所述旋涂高绝缘性聚合物溶液，转速为3000-5000转/分，旋转 55-65秒；所述旋涂高-k材料聚合物溶液，转速为1500-2500转/分，旋转35-45S。
[002引优选地，步骤做所述真空蒸锻半导体材料为并五苯，蒸锻速率为化7A/S，真空度 控制在6Xl(T4pa-l(r5pa，采用晶振控制厚度在40-70皿。步骤做所述真空蒸锻源漏电极 为金，蒸锻速率为0.06A/S，真空度控制在6Xl0-V-l0-Spa，采用晶振控制厚度在15-40nm。 [002引优选地，两层聚合物旋涂完后的总厚度控制在200-380nm，半导体层的厚度为 40-70皿，源漏电极为15-40皿。
[0024]本发明利用高-k材料的聚合物（如聚己締醇PVA、聚对己締基苯酪PVP、氯己基普 鲁兰多糖CYP化等）与电绝缘性较好的聚合物（如聚苯己締PS、聚甲基丙締酸甲醋PMMA等）优势的有效结合，制备双聚合物修饰的高性能有机场效应晶体管，从迁移率、操作电 压、器件稳定性等角度验证。利用原子力显微镜图像（AFM)、X-射线衍射狂RD)，W及通过 测出绝缘层上的液体接触角计算出绝缘层的表面能等不同的表征手段进行综合分析，最终 找到了两种不同绝缘层的最佳搭配浓度与器件结构。选取合适的溶剂非常重要，同时有的 聚合物也需要交联，采用不同的交联剂、不同的浓度、不同的制备环境都会得到不一样的电 学性质。我们常会选择成本较低，溶解度较好并且不会与器件任何一层发生反应的物质作 溶剂，同时最好可W在空气中较为稳定存在。
[0025] 本发明采用了双层聚合物修饰二氧化娃（Si化）（结构如图1所示），迁移率与未修 饰相比，提高了 2倍，达到IcmVVsW上，并且制备的有机场效应晶体管也可W在空气中具 备较高的稳定性，除此之外，其几乎没有回滞现象。并且从AFM、XRD及接触角等方面进行分 析也可W进一步得到认证。
[0026] 首先配置两种修饰聚合物的溶液。接着在清洗过的基片上依次旋涂两种溶液，测 的旋涂层的膜厚约为200-380纳米。随后在修饰层上真空蒸锻半导体层及源漏电极，制备 成完整的器件。
[0027] 所述基于双层聚合物修饰的有机场效应晶体管，采用安捷伦B1500测试分析仪器 进行测试，可W取得较高的开态电流，计算得到的迁移率在IcmVVsW上。将测试数据绘制 的转移曲线，如图2所示，与输出曲线，如图3所示。该与OTS修饰的300nm二氧化娃相比， 具有接近的介电层的厚度，但是载流子迁移率却提高了一倍，并且相对于未修饰的表面，迁 移率与开关比都有很大提高。
[002引所述基于双层聚合物修饰的有机场效应晶体管，除了具有较高的迁移率之外，也 没有明显的回滞现象，如图4所示，该说明半导体薄膜的缺陷很少，不会在施加栅压时捕 获载流子。该一特性还可