一种金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的制备方法

文档序号:8906864
一种金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体纳米材料与器件领域,特别是一种金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展和社会的进步,人们对于信息存储、传递及其处理的依赖程度日益增加。而半导体器件和工艺技术作为信息的存储、传递及其处理的主要载体和物质基础,现已成为众多科学家争相研宄的热点。薄膜晶体管,作为一种非常重要的半导体器件,在信息存储、传递和处理等领域起着至关重要的作用。然而,截至目前为止,现有大规模使用薄膜晶体管,是一种基于微电子硅工艺的半导体器件。这种传统的基于硅微电子工艺薄膜场效应晶体管存在对设备要求高,制备工艺复杂,成本较高和器件整体性能有限,灵敏度、开关频率和速度有限等问题。并且,随着人们对于高性能薄膜晶体管要求的逐步提升,基于微电子硅工艺的薄膜场效应晶体管已难以满足当今信息社会对高灵敏度、高开关频率和开关速度的薄膜场效应晶体管的需求。
[0003]近年来,纳晶材料或量子点材料因其具有独特的电学、光学量子尺寸效应,为控制材料性能提供了除控制其化学组成之外的另一有效手段。尤其是当浓度较低的金属量子点胶体通过旋涂工艺在硅/ 二氧化硅衬底或ITO玻璃基片衬底上形成分布均匀、相对孤立的岛状结构,由于这种金属量子点材料非常高迀移率和电传导能力,这种岛状分布结构将有效降低了电子在导电沟道中阻碍作用,大大提升了这种复合结构导电沟道中电子迀移率,这将为制备金属量子点/有机半导体复合导电沟道场效应管提供了可能。此外,由于非连续岛状金属量子点在复合导电沟道中分布,将间接缩短了晶体管的有效沟道长度,从而很大程度上可以有效提升这种金属量子点/有机半导体材料复合导电沟道薄膜晶体管的输入特性和转移特性,因此,这为通过金属量子点/有机半导体材料复合导电沟道的新型薄膜晶体管制备提供了一种可能和新思路。

【发明内容】

[0004]有鉴于此,本发明的目的是提出一种金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的制备方法,制备方法新,制作成本低,制备工艺简单,精确可控。
[0005]本发明采用以下方案实现:一种金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤S1:选取一硅/ 二氧化硅衬底,所述的硅/ 二氧化硅衬底包括衬底硅以及设置于衬娃表面的二氧化娃膜;
步骤S2:利用旋涂成膜工艺在所述硅/ 二氧化硅衬底表面制备金属量子点层;
步骤S3:制备有机半导体层,得到金属量子点/有机半导体复合膜层,并将所述的金属量子点/有机半导体复合膜层作为导电沟道; 步骤S4:在步骤S3得到的覆盖有金属量子点/有机半导体复合膜层的硅/ 二氧化硅衬底上制备金属电极,得到金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的源极、漏极和栅极;
步骤S5:采用有机物封装,得到金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管。
[0006]进一步的,所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤S21:制备金属量子点溶液:将包括硝酸银以及HAuC14的含金属离子化合物、亚油酸钠、无水乙醇、亚油酸和去离子水混合搅拌后依次通过水热反应、反复采用去离子水以及无水乙醇高速离心清洗处理,最后分散到环己烷溶液中,得到相应的金属量子点溶液;
步骤S22:制备金属量子点层:将所述硅/ 二氧化硅衬底采用包含硫酸以及双氧水的溶液高温清洗,并采用旋涂工艺将步骤S21制备的金属量子点溶液旋涂成膜,在硅/ 二氧化硅衬底的二氧化硅膜表面形成一层金属量子点膜层,得到覆盖金属量子点层的样片。
[0007]进一步的,所述步骤S3具体为:将有机半导体前驱体溶液旋涂在覆盖了金属量子点层的硅/ 二氧化硅衬底上,并采用热处理固化所述的有机半导体前驱体溶液,在硅/ 二氧化硅衬底的金属量子点层上制备有机半导体层,得到金属量子点/有机半导体复合膜层。
[0008]进一步的,所述步骤S4具体为:在具有金属量子点/有机半导体复合膜层的硅/二氧化硅衬底的复合膜层表面以及衬底背面分别采用图形化掩膜覆盖蒸镀工艺形成Cr/Au复合金属电极,分别作为金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的源极、漏极和栅极。
[0009]进一步的,所述步骤S5具体为:将聚酰胺酸溶液旋涂在具有金属量子点/有机半导体复合膜层以及金属电极的硅/二氧化硅衬底的有机半导体层表面形成膜,并采用阶梯温度热处理方式实现聚酰胺酸的聚酰亚胺化,得到金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管。
[0010]进一步的,其中金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=0.3-1.0:1.0-2.0:5-15:0.5-2.5 ;混合搅拌后的溶液总体积占水热反应釜的40%_60% ;水热反应温度为20°C _200°C;水热处理时间为30min-400min ;所述金属量子点溶液中金属量子点浓度为3-10个/cm3。
[0011]进一步的,所述娃/ 二氧化娃衬底面积为IcmXlcm ;其中二氧化娃膜作为金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的绝缘层,所述二氧化硅膜的厚度为30-300nm ;步骤S22中所述旋涂工艺转数为1000_5000rpm。
[0012]进一步的,所述有机半导体前驱体溶液包括并五苯、PED0T/PSS ;其中所述将有机半导体前驱体溶液旋涂在覆盖了金属量子点层的硅/二氧化硅衬底上的旋涂工艺转数为1000-3000rpm ;所述的热处理温度为80-150°C,所述的热处理时间为0.5-3.0h,所述的有机半导体层厚度为5nm-30nm。
[0013]进一步的,所述图形化掩膜覆盖蒸镀工艺为采用图形化的金属掩膜覆盖具有金属量子点/有机半导体复合膜层的硅/二氧化硅衬底的复合膜层表面以及衬底背面,再在其表面进行蒸镀;所述的源极、漏极和栅极面积均为200 μ mX 300 μ m,所述源极与漏极设置于复合膜层表面,间距为10-50 μ m,所述的栅极设置于衬底背面。
[0014]进一步的,所述阶梯温度热处理方式为120°C /I h,180°C /I h,250°C/l h,300°C/I h0
[0015]与现有技术相比,本发明基于常规的旋涂成膜工艺技术制备出金属量子点/有机半导体材料复合导电沟道,并进一步通过旋涂有机物实现对金属量子点/有机半导体材料复合导电沟道的有效封装和保护,从而制备出新型的金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管。本发明制备方法新颖,制作成本低,制备工艺简单,器件性能灵活可控。所制备的晶体管具有特殊金属量子点/有机半导体材料复合导电沟道层,因此,可充分利用金属量子点/有机半导体复合材料对于薄膜晶体管导电沟道长度的调控效应及其金属量子点的量子尺寸效应,从而有效提高了金属量子点/有机半导体复合导电沟道晶体管的灵敏度和输出转移特性,因此,在新型光电器件中将具有非常重要的应用前景。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图;
图2为本发明的涂覆了金属量子点后的硅/二氧化硅衬底结构示意图;
图3为本发明的涂覆了金属量子点层和有机半导体层后的硅/二氧化硅衬底结构示意图;
图4为本发明的涂覆了金属量子点层、有机半导体层并镀电极后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图;
图5为本发明的封装后的金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管结构示意图。
[0017]图6为本发明的金属量子点/有机半导体复合导电沟道薄膜晶体管的工作原理示意图。
[0018][主要组件符号说明]
I为衬底硅,2为硅表面二氧化硅膜,3为涂覆形成的金属量子点膜层,4为涂覆形成的有机半
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