一种有机摩擦场效应晶体管、晶体管阵列及其制备方法
【专利摘要】本发明所述的一种有机摩擦场效应晶体管，包括第一基板，依次层叠设置在第一基板上的源漏电极层和有机半导体层；还包括直接设置在所述有机半导体层上的第一绝缘层，以及设置在所述第一绝缘层上方的第一摩擦层，所述第一绝缘层与所述第一摩擦层能够形成垂直间距变化运动；所述第一摩擦层上还直接设置有第一电极层，所述第一电极层与所述源漏电极层中的源电极电连接。利用摩擦发电机取代传统晶体管中的栅极，通过第一摩擦层与第一绝缘层的接触分离形成静电势作为栅极信号，调控有机半导体层中载流子传输特性，从而实现有机场效应晶体管的功能，有效简化有机场效应晶体管的集成。
【专利说明】
-种有机摩擦场效应晶体管、晶体管阵列及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及光电子领域W及柔性电子学器件领域，具体设及一种红外敏感的有机 摩擦场效应晶体管、晶体管阵列及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 有机薄膜场效应晶体管是一种由栅极电压调控导电沟道内载流子浓度的电子器 件。根据电极的功能，有机薄膜场效应晶体管包含源电极、漏电极和栅极=个电极。传统的 有机薄膜场效应晶体管既需要在源、漏电极处施加外加电压，也需要给栅极和源电极施加 电压。两个外加电压的引入使得有机薄膜场效应晶体管的集成不方便，尤其是电极的排列 不如二极管简单易操作。
[0003] 摩擦发电机兴起于21世纪初，其原理在于:利用两个具有不同电负性的材料进行 摩擦或者接触分离，从而产生电荷分离并形成电势差。采用两个电极作为发电机的电能输 出端，通过静电感应可W在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电势驱动下流经外电路形 成电流。摩擦发电机的研制，既能作为微纳器件的功率源，又能作为自供能主动式压力传感 器。合理设计使之应用于有机薄膜场效应晶体管，将有效解决有机薄膜场效应晶体管的集 成不方便的问题，具有巨大的商用和实用潜力。
【发明内容】
[0004] 为此，本发明所要解决的是现有有机薄膜场效应晶体管的集成不方便的技术问 题，提供一种方便集成的有机摩擦场效应晶体管、场效应晶体管阵列及其制备方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0006] 本发明所述的一种有机摩擦场效应晶体管，包括第一基板，依次层叠设置在第一 基板上的源漏电极层和有机半导体层；
[0007] 还包括直接设置在所述有机半导体层上的第一绝缘层，W及设置在所述第一绝缘 层上方的第一摩擦层，所述第一绝缘层与所述第一摩擦层能够形成垂直间距变化运动；
[000引所述第一摩擦层上还直接设置有第一电极层，所述第一电极层与所述源漏电极层 中的源电极电连接。
[0009] 所述第一绝缘层与所述第一摩擦层的电负性不同。
[0010] 优选地，所述第一绝缘层与所述第一摩擦层面积相同。
[0011] 所述有机半导体层包括对波长大于620nm光线敏感的有机半导体材料。
[0012] 优选地，所述有机半导体材料为式(ISQl)-式(ISQ 3)所示结构：
[0013]
[0014] 优选地，所述第一绝缘层厚度为300nm~Iwn，所述第一摩擦层厚度为50WI1~20化 m;所述第一绝缘层为有机材料层。
[0015] 本发明所述的一种所述的有机摩擦场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
[0016] 在第一基板上形成源漏电极层；
[0017] 在源漏电极层上形成有机半导体层和第一绝缘层；
[0018] 形成第一摩擦层；
[0019] 形成第一电极层；
[0020] 将第一摩擦层设置在所述第一绝缘层上。
[0021 ]优选地，所述有机半导体层通过真空蒸锻工艺制备或者溶液法制备。
[0022] 本发明所述的一种有机摩擦场效应晶体管阵列，包括基板，并列设置在第一基板 上的若干有机半导体单元，每个所述有机半导体单元包括层叠设置在第一基板上的源漏电 极层和半导体层；
[0023] 还包括直接设置在各所述半导体单元上的连续的第二绝缘层，W及设置在所述第 二绝缘层上方的第二摩擦层，所述第二绝缘层与所述第二摩擦层能够形成垂直间距变化运 动；
[0024] 所述第二摩擦层上还直接设置有第二电极层，所述第二电极层与各所述源漏电极 层中的源电极电连接。
[0025] 本发明所述的一种有机摩擦场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
[0026] 在第一基板上形成若干有机半导体单元，所述有机半导体单元包括依次叠置在基 板上的源漏电极层和有机半导体层；
[0027] 在所述半导体单元上形成第二绝缘层；
[0028] 形成第二摩擦层；
[0029] 形成第二电极层；
[0030] 将第二摩擦层设置在所述第二绝缘层上。
[0031 ]本发明的上述技术方案相比现有技术具有W下优点：
[0032] 1、本发明实施例所述的一种有机摩擦场效应晶体管，包括第一基板，依次层叠设 置在第一基板上的源漏电极层和有机半导体层;还包括直接设置在所述有机半导体层上的 第一绝缘层，W及设置在所述第一绝缘层上方的第一摩擦层，所述第一绝缘层与所述第一 摩擦层能够形成垂直间距变化运动;所述第一摩擦层上还直接设置有第一电极层，所述第 一电极层与所述源漏电极层中的源电极电连接。利用摩擦发电机取代传统晶体管管中的栅 极，通过第一摩擦层与第一绝缘层的接触分离形成静电势作为栅极信号，调控半导体层中 载流子传输特性，从而实现有机摩擦场效应晶体管的功能。本发明能够将机械能转换为电 能，实现了人机交互的功能。并且通过自供电的方式减少了传统场效应晶体管中的栅极与 源电极之间的外加电源，有效简化场效应晶体管的集成。
[0033] 另外，所述的一种有机摩擦场效应晶体管可采用全柔性材料制备，实现器件柔性 化。
[0034] 2、本发明实施例所述的一种有机摩擦场效应晶体管，所述第一绝缘层与所述第一 摩擦层面积相同，有利于静电场的形成。
[0035] 3、本发明实施例所述的一种有机摩擦场效应晶体管，所述有机半导体层包括对波 长大于620nm光线敏感的有机半导体材料，可W实现红外夜视功能。
[0036] 4、本发明实施例所述的一种有机摩擦场效应晶体管的制备方法，工艺简单，制备 成本低。
[0037] 5、本发明实施例所述的一种有机摩擦场效应晶体管阵列，利用摩擦发电机取代传 统晶体管中的栅极，可现实场效应管的密集集成，不但集成度高，而且结构简单。
[0038] 6、本发明实施例所述的一种有机摩擦场效应晶体管阵列的制备方法，工艺简单， 制备成本低。
【附图说明】
[0039] 图1为实施例1所述的有机摩擦场效应晶体管的结构示意图；
[0040] 图2为实施例1所述的有机摩擦场效应晶体管的工作原理图；
[0041] 图3为实施例1所述的有机摩擦场效应晶体管阵列的结构示意图；
[0042] 图中附图标记表示为：1-第一基板、21-漏电极、22-源电极、3-有机半导体层、4-第 一绝缘层、5-第一摩擦层、6-第一电极层、7-有机半导体单元、8-第二绝缘层、9-第二摩擦 层、10-第二电极层。
【具体实施方式】
[0043] 为了更清楚地说明本发明的目的和技术方案，下面将对【具体实施方式】及其所需要 使用的附图进行清楚、完整地描述。
[0044] 本发明可W W许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。 相反，提供运些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给 本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区 域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作"形成在"或"设置 在"另一元件"上"时，该元件可W直接设置在所述另一元件上，或者也可W存在中间元件。 相反，当元件被称作"直接形成在"或"直接设置在"另一元件上时，不存在中间元件。
[0045] 实施例1
[0046] 本实施例提供一种有机摩擦场效应晶体管，如图1所示，包括第一基板1，依次层叠 设置在第一基板1上的源漏电极层和有机半导体层3;源漏电极层包括并置在第一基板1上 的源电极22和漏电极21。
[0047] 第一基板I选自但不限于刚性基板和柔性基板，作为本发明的一个实施例，本实施 例中第一基板1为刚性的玻璃基板。值得注意的是，若第一基板1为柔性基板，则所述有机摩 擦场效应晶体管可实现柔性器件。作为本发明的可变换实施例，第一基板1还可W为其他基 板，均可W实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0048] 源漏电极层选自但不限于任意图案化后的导电材料层，如口 0、Au、石墨材料等，作 为本发明的一个实施例，本实施例中源漏电极层为案化后的ITO层。
[0049] 有机半导体层3包括对波长大于62化m光线敏感的有机半导体材料，可W实现红外 夜视功能。作为本发明的一个实施例，本实施例中，有机半导体材料为式（ISQl)-式（ISQ 3)所示结构中的一种：
[(K)加 ]
[0051] 所述有机摩擦场效应晶体管还包括直接设置在有机半导体层3上的第一绝缘层4， W及设置在第一绝缘层4上方的第一摩擦层5,第一绝缘层4与第一摩擦层5能够形成垂直间 距变化运动。
[0052] 第一绝缘层4与第一摩擦层5的电负性不同。第一摩擦层5上还直接设置有第一电 极层6,第一电极层6与源漏电极层中的源电极21电连接。
[0053] 第一绝缘层4与第一摩擦层5面积相同。第一绝缘层厚度4为300nm~1皿，第一摩擦 层5厚度为50皿~200皿；
[0054] 作为本发明的一个实施例，本实施例中第一绝缘层4为有机材料层PMMA，厚度为 SOOnm;第一摩擦层5为PVC层，厚度为100皿。
[0055] 如图2(a)所示，第一电极层6与源电极22连接，漏电极21与源电极22之间连接外加 电源，源电极22接地。此时，第一绝缘层4没有被极化，半导体层3中没有电流形成。悬空的状 态对应传统P型有机薄膜场效应晶体管Vg = O的状态。如图2(b)所示，在外力F作用下，第一 绝缘层4与第一摩擦层5紧密接触，产生静电势，使得第一绝缘层4与第一摩擦层5接触的那 一面带正电，第一绝缘层4与半导体层3接触的那一面带负电。继而诱导半导体层3中产生空 穴。源漏电压的施加使空穴定向运动，从而形成源漏电流Id。运个过程相当于传统P型有机 薄膜场效应晶体管的Vg<0的状态，即增强模式。
[0056] 目P，通过第一摩擦层5与第一绝缘层4的接触分离形成静电势作为栅极信号，调控 半导体层中载流子传输特性，从而实现场效应晶体管的功能。本实施例所述的有机摩擦场 效应晶体管能够将机械能转换为电能，实现了人机交互的功能。并且通过自供电的方式减 少了传统场效应晶体管中的栅极与源电极之间的外加电源，有效简化效应晶体管的集成。
[0057]所述的有机摩擦场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
[005引S1、通过瓣射工艺、刻蚀工艺在第一基板1上形成源漏电极层；
[0059] S2、通过真空蒸锻工艺制备或者溶液法，在源漏电极层上形成有机半导体层3;通 过旋转涂布工艺形成第一绝缘层4;
[0060] S3、在第二基板上形成叠置的第一摩擦层5和第一电极层6;
[0061] S4、将第一摩擦层5设置在第一绝缘层4上。
[0062] 作为本发明的可变换实施例，步骤S3中，第一摩擦层5和第一电极层6可W从第二 基板上剥离，再设置在第一绝缘层4上;可W实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0063] 作为本发明的可变换实施例，源漏电极层、有机半导体层3、第一绝缘层4、第一摩 擦层5和第一电极层6的制备方法不限于此，现有技术中任意能制得的工艺或方法均可W实 现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0064] 实施例2
[0065] 本实施例提供一种有机摩擦场效应晶体管阵列，如图3所示，包括第一基板1，并列 设置在第一基板1上的若干有机半导体单元7,每个有机半导体单元7包括层叠设置在第一 基板1上的源漏电极层和有机半导体层3。
[0066] 所述有机摩擦场效应晶体管阵列还包括直接设置在各有机半导体单元7上的连续 的第二绝缘层8，W及设置在第二绝缘层8上方的第二摩擦层9，第二绝缘层8与第二摩擦层9 能够形成垂直间距变化运动。
[0067] 第二摩擦层9上还直接设置有第二电极层10,第二电极层10与各源漏电极层中的 源电极22电连接。
[0068] 有机摩擦场效应晶体管阵列中，第二绝缘层8覆盖了有机半导体单元7之间的所有 间隙。一方面作为绝缘层材料诱导有机半导体层3产生载流子，另一方面作为单个有机半导 体单元7间相邻源、漏电极的隔离层。
[0069] 第二绝缘层8还可W作为有机半导体层3的保护层，防止水和氧气对有机半导体层 3的侵蚀。由于所述有机摩擦场效应晶体管阵列的面积较单个器件的面积大，因此第二绝缘 层8的面积较大。从而使得第二绝缘层8与第二摩擦层9的接触面积更大，摩擦生电过程更容 易实现。
[0070] 所述有机摩擦场效应晶体管阵列的制备方法，包括如下步骤：
[0071] Sl、在第一基板1上形成若干有机半导体单元7,有机半导体单元7包括依次叠置在 第一基板1上的源漏电极层和有机半导体层3;
[0072] S2、在有机半导体单元7上形成第二绝缘层8;
[0073] S3、在第二基板上形成第二摩擦层9和第二电极层10;
[0074] S4、将第二摩擦层9设置在第二绝缘层8上。
[0075] 作为本发明的可变换实施例，步骤S3中，第一摩擦层5和第一电极层6可W从第二 基板上剥离，再设置在第一绝缘层4上;可W实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
[0076] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可W做出其它不同形式的变化或 变动。运里无需也无法对所有的实施方式予W穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种有机摩擦场效应晶体管，包括第一基板，依次层叠设置在第一基板上的源漏电 极层和有机半导体层;其特征在于，还包括直接设置在所述有机半导体层上的第一绝缘层， W及设置在所述第一绝缘层上方的第一摩擦层，所述第一绝缘层与所述第一摩擦层能够形 成垂直间距变化运动； 所述第一摩擦层上还直接设置有第一电极层，所述第一电极层与所述源漏电极层中的 源电极电连接。2. 根据权利要求1所述的有机摩擦场效应晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层与所述 第一摩擦层的电负性不同。3. 根据权利要求1或2所述的有机摩擦场效应晶体管，其特征在于，所述第一绝缘层与 所述第一摩擦层面积相同。4. 根据权利要求1-3任一项所述的有机摩擦场效应晶体管，其特征在于，所述有机半导 体层包括对波长大于620nm光线敏感的有机半导体材料。5. 根据权利要求1-4任一项所述的有机摩擦场效应晶体管，其特征在于，所述有机半导 体材料为式(ISQ1)-式(ISQ3)所示结构：6. 根据权利要求1-5任一项所述的有机摩擦场效应晶体管，其特征在于，所述第一绝缘 层厚度为300nm~化m，所述第一摩擦层厚度为50μηι~200皿;所述第一绝缘层为有机材料 层。7. -种权利要求1-6任一项所述的有机摩擦场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包 括如下步骤： 在第一基板上形成源漏电极层； 在源漏电极层上形成有机半导体层和第一绝缘层； 形成第一摩擦层； 形成第一电极层； 将第一摩擦层设置在所述第一绝缘层上。8. 根据权利要求7所述的有机摩擦场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述有机半 导体层通过真空蒸锻工艺制备或者溶液法制备。9. 一种有机摩擦场效应晶体管阵列，其特征在于:包括基板，并列设置在第一基板上的 若干有机半导体单元，每个所述有机半导体单元包括层叠设置在第一基板上的源漏电极层 和半导体层； 还包括直接设置在各所述半导体单元上的连续的第二绝缘层，w及设置在所述第二绝 缘层上方的第二摩擦层，所述第二绝缘层与所述第二摩擦层能够形成垂直间距变化运动； 所述第二摩擦层上还直接设置有第二电极层，所述第二电极层与各所述源漏电极层中 的源电极电连接。10.-种权利要求9所述的有机摩擦场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下 步骤： 在第一基板上形成若干有机半导体单元，所述有机半导体单元包括依次叠置在基板上 的源漏电极层和有机半导体层； 在所述半导体单元上形成第二绝缘层； 形成第二摩擦层； 形成第二电极层； 将第二摩擦层设置在所述第二绝缘层上。
【文档编号】H01L51/30GK105845825SQ201610182471
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】董桂芳, 刘晓惠, 李晶
【申请人】清华大学