一种有机薄膜场效应管及其制备方法

专利名称：一种有机薄膜场效应管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及电子元器件技术领域，具体涉及一种有机薄膜场效应管及其制备 方法。
背景技术：
伴随着信息终端的普及，对于作为计算机用的显示器等平板显示器的需求 不断高涨。此外，伴随着信息化的进展，以往以纸介质提供的信息转变为以电 子化形式展示的机会逐步地增加，作为薄且轻、可以轻便携带用显示媒体，对 电子文件或数字文件的需求日益增加。
随着信息技术的快速发展，对于显示媒体而言，为了确保画面辉度的均匀
性或画面书写转换速度等，使用由薄膜场效应管又称薄膜晶体管(FET或TFT) 构成的有源驱动元件作为图像驱动元件的技术已成为主流。
FET元件通常通过在玻璃基板上形成a-Si (非晶硅)、p-Si (多晶硅)等半 导体薄膜，以及源电极、漏电极、栅电极等金属薄膜制造而成。但以半导体层 形成以硅为代表的无机半导体材料需要在高温下进行加工；因此，难以使用柔 性材料如塑料或膜作为基材。近年来，使用有机半导体材料的薄膜场效应管 (OFET)的开发在加速进行。使用有机材料，降低了工艺温度，在原理上讲有 可能不仅在玻璃基材上而且在具有低耐热性的基材如塑料上制造场效应管。有 机薄膜场效应管具有制备工艺简单、成本低和柔韧性好等优点，在智能卡、电 子商标、电子纸、存储容、.传感器和有源矩阵显示器等方面应用前景广阔。
有机薄膜场效应管(OFET)工作原理是在源电极接地，漏电极施加漏极 电压的条件下，对栅电极施加的电压要超过阈值电压。此时，有机薄膜场效应 管的电导率因栅极电场而改变，使得电流在源电极与漏电极间流动。因此，作 为开关，就可根据栅压对源电极与漏电极间流动的电流进行通、断控制。
OFET不但具有一般无机场效应场效应管特有的优点，更具有以下的优点 U)有机薄膜技术更多，更新，使得器件的尺寸能够更小，集成度更高，使得应用OFET的电子元器件可以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，可以制备大面积的器件。
(2) 通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性能的材料，因 此通过对有机半导体材料进行改性就能够使OFET的电学性能达到理想的结果。
(3) 有机材料比较容易获得，OFET的制作工艺也更为筒单，制备条件更 加温和，能够有效地降低器件的成本。
(4 )全部由有机材料制备的全有机场效应场效应管具有非常好的柔韧性， 使得它可以应用在抗震、抗破碎要求高的领域。因此，预期可在大面积上廉价 制作场效应管。有机薄膜场效应管制备工艺简单、成本低和柔韧性好等优点， 在智能卡、电子商标、电子纸、存储器、传感器和有源矩阵显示器等应用方面 前景广阔。
迄今，已报导了用Si片之外的材料作为村底来制作有机薄膜场效应管的大 量实例。1994年，Gamier等人利用打印法制备了全聚合物的OFET,得到的场 效应管场效应载流子迁移率达到0.06 cm2/Vs,为OFET的廉价和大面积制备打 下了基础。1995年，Haddon等人用(36()作为半导体材料来制备OFET,在高真 空条件下该器件载流子迁移率为0.08cm2/Vs,开关电流比达到106。至此高性能 的n型OFET也被研制出来，完成了组建有机集成电路所需要的高性能p型和n 型两种类型的OFET的研制。1997年，Lin等人使用并五苯材料作为半导体材料 得到载流子迁移率为1.5 cm2/Vs、开关电流比达到108、亚阈区斜率小于1.6 V/decade的OFET，该OFET性能已经超过了现在使用的无定型硅场效应管，而 且OFET在制造成本、制备条件等方面比无定型硅场效应管具有很大的优势， 使得OFET工业化道路的前景变得更加广阔。 '.

发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种有机薄膜场效应管及其制备方法， 目的是要提高有机薄膜场效应管的性能，大幅降低有^L薄膜场效应管的成本，为 有机薄膜场效应管的产业化降低工艺要求和制造成本。
本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种有机薄膜场效应管，包 括基板、栅电极、绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，结构组成包括顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式，其特征在于，所述有机半导体层中设置
有单层或者多层非掺杂感应增效层，所述增效层的厚度小于5nm，材料包括金 属、金属盐和具有强吸电子基团的有枳4匕合物。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，所述金属包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In、 Zn;金属盐包4舌 上述金属所对应的金属盐；具有强吸电子基团的有机化合物的电子迁移率高于 有机半导体层中电子传输材料的电子迁移率。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，具有强吸电子基团 的有机化合物包括氟代寡聚物分子、2， 5-二芳基硅(如PyPySPyPy)、三(9, 9-二芳基)芴；芳香族三胺类化合物是对苯二胺(TPD)， 二-[4- (N, N-二对曱基 苯胺)-苯]-环己烷(TAPC)等，联苯二胺类化合物是2， 2'， 7， 7'-四(N,N-二 苯胺)-9， 9'-螺药(FFD)等，"星型，，三苯胺类化合物是TDAPB, o-MTDAB等。 其中，氟代寡聚物分子、TDAPB和o-MTDAB分子结构如下<formula>formula see original document page 9</formula>o-MTDAB: R=o-ME。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，所述非掺杂感应增 效层，对于n-型有机薄膜场效应管，非掺杂感应增效层使用的材料包括金属、 金属盐、氟代寡聚物分子、2， 5-二芳基硅和三(9， 9-二芳基)芴；对于p-型有 机薄膜场效应管，非掺杂感应增效层使用的材料包括芳香族三胺类化合物、联 苯二胺类化合物、"星型"三苯胺类化合物等。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，非掺杂感应增效层 在有机半导体层中的层数是N,其中N的取值为1 ~ 10, N层非掺杂感应增效层 使用的材料相同或者不同。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，多层非掺杂感应增 效层中每层使用的材料不同，并且在有机半导体层中分布时各非掺杂感应增效 层材料的载流子迁移率依次升高或降低。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，多层非掺杂感应增 效层使用的材料相同，并且在有机半导体层中分布时各非掺杂感应增效层的厚 度随着载流子迁移率的变化依次增大或减小。
按照本发明所提供的有机薄膜场效应管，其特征在于，所述具有强吸电子基 团的有机化合物的电子迁移率不低于2.0xl(y4cm2.V.s—];非掺杂感应增效层使用 的化合物空穴传输迁移率不低于l.Oxl(T3 cn^.V+s:本发明提供的 一种顶部接触式有机薄膜场效应管的制备方法，其特征在于，
包^r以下步骤
① .将Si基板放入热的H2S04:H20^7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯
水清洗；
② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202,加入基片浸泡
15min后，使用超纯水清洗，最后用千燥氮气吹干；
③ .在Si基板表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光刻的
方法刻蚀栅电极图形；
④ .采用旋涂或者真空蒸镀或者溅射的方法在栅电极上形成绝缘层；
⑤ .之后在高真空蒸发室中，开始进行功能层薄膜的蒸镀，按照器件结构依
次蒸镀功能层，所述功能层包括有机半导体层和单层或多层的非掺杂感 应增效层，其中非掺杂感应增效层材料包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn以及上述金属对应的金属盐， 具有强吸电子基团的有机化合物，香族三胺类化合物，联苯二胺类化合 物和"星型，，三苯胺类化合物； .然后在有机半导体层上蒸镀源、漏电极，通过光刻形成源、漏电极。 本发明提供的一种底部接触式有机薄膜场效应管的制备方法，其特征在于， 包括以下步骤
① .将Si基板放入热的H2S04:H20^7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯
水清洗；
② .将H20:NHf5: 1的溶液加热7(TC后，加入1体积11202，加入基片浸泡
15min后，使用超纯水清洗，最后用千燥氮气吹干；
③ .在Si基板表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光刻的
方法刻蚀4册电极图形；
④ .用旋涂或者真空蒸镀或者溅射的方法在栅电极上形成绝缘层； .然后在绝缘层上蒸镀源、漏电极，通过光刻形成源、漏电极； .最后在高真空蒸发室中，开始进行功能层薄膜的蒸镀，按照器件结构依
次蒸镀功能层，所述功能层包括有机半导体层和单层或多层的非掺杂感应增效层，其中非掺杂感应增效层材料包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn以及上述金属对应的金属盐， 具有强吸电子基团的有机化合物，香族三胺类化合物，联苯二胺类化合 物和"星型"三苯胺类化合物。 本发明提供的一种顶部栅极式有机薄膜场效应管的制备方法，其特征在于， 包括以下步骤
① .将Si基板放入热的H2S04:H20^7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯
水清洗；
② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202，加入基片浸泡
15min后，使用超纯水清洗，最后用千燥氮气吹千；
③ .在基板上蒸镀源、漏电极，通过光刻形成源、漏电极;'
④ .然后在高真空 蒸发室中，开始进行功能层薄膜的蒸镀，按照器件结构依
次蒸镀功能层，所述功能层包括有机半导体层和单层或多层的非掺杂感 应增效层，其中非掺杂感应增效层材料包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn以及上述金属对应的金属盐， 具有强吸电子基团的有机化合物，香族三胺类化合物，联苯二胺类化合 物和"星型"三苯胺类化合物； .之后用旋涂或者真空蒸镀或者溅射的方法在有机半导体层上形成绝缘 层；
.最后在绝缘层表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光 刻的方法刻蚀4册电4及图形。 本发明所提供的有机薄膜场效应管，结构新颖，可实现高迁移率和开关比， 改善有机半导体层中载流子的传输，可制成柔性器件；采用非掺杂的工艺在有 机层中置入非掺杂感应增效层，从而提高器件载流子的迁移率。
本发明的另一个优点是可以在有机半导体层加入多个非掺杂感应增效层，其 中使用不同材料的多个非掺杂感应增效层，根据不同材料载流子迁移率的不同， 按照有机半导体层中载流子的衰减而依次排列；或者用同种材料，根据有机半导 体层中的浓度梯度而改变多个非掺杂层各层的厚度并依次排列，能够更进一步提高有机薄膜场效应管的迁移率和开关比。


图1是本发明所提供的顶部接触式有机薄膜场效应管结构示意图2是本发明所提供的底部接触式有机薄膜场效应管结构示意图3是本发明所提供的顶部栅极式有机薄膜场效应管结构示意图4是本发明所提供的实施例1的结构示意图5是本发明所提供的实施例1的漏极电流电压特性曲线；
图6是本发明所提供的实施例1的栅极电压-漏极电流特性曲线；
图7是本发明所提供的实施例2的结构示意图8是本发明所提供的实施例3的结构示意图9是本发明所提供的实施例4的结构示意图IO是本发明所提供的实施例5的结构示意图11是本发明所提供的实施例6的结构示意图12是本发明所提供的实施例7的结构示意图13是本发明所提供的实施例8的结构示意图14是本发明所提供的实施例9的结构示意图15是本发明所提供的实施例IO的结构示意图。
其中，基板l, 4册电极2，绝缘层3，有机半导体层4，源电极5，漏电极6， 非摻杂感应增效层701，非掺杂感应增效层702 (a)和702 (b)，非掺杂感应增 效层703 (a)和703 (b),非摻杂感应增效层704,非摻杂感应增效层705，非 掺杂感应增效层706,非掺杂感应增效层707，非掺杂感应增效层708,非掺杂 感应增效层.709,非掺杂感应增效层710。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一 步描述
本发明中基板1为电极和有机薄膜层的依托，有一定的防水汽和氧气渗透 的能力，有较好的表面平整性。其基材可以是玻璃基材，石英基材，或晶体玻 璃，陶瓷基材，不锈钢基材，金属基材(如钽，鹌，或钼)，半导体基材，塑料 基材(聚酰亚胺，丙烯酸类，聚对苯二曱酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚芳基化物，或聚醚砜)等等。
本发明中栅极2，源电极5，漏电极6的材料没有特别限制，并且下列材料 可以作为例子给出金属如铂，金，铝，铬，镍，钴，铜，钛，镁，4丐，钡， 钠，或鴒和含有这些金属的合金，导电性高分子化合物如硅，掺杂硅，锗，或 镓砷，以及掺杂了酸(包括路易斯酸)，卣素原子，碱金属，碱土金属的金属原 子等的其它材料。对于导电性材料用于源极和漏极的情况，在许多情况下一般 使用金属。
绝缘层3的材料也没有特别限制，并且绝缘层可以由从下列材料形成的绝 缘膜形成无机绝缘材料如二氧化硅，氮化硅，含氧的二氧化硅，和舍氧的氮 化硅，有机绝缘材料如丙烯酸类或聚酰亚胺，或由硅和氧的键形成的骨架结构 组成的材料(其中至少含有氢的有机基团(如烷基或芳族烃)、氟代基团、或至 少含有氢和氟基团的有机基团作为取代基包括在内)，即硅氧烷型材料。
低分子化合物、中等分子化合物、或高分子化合物中的任何一种能够用作 半导体层4的材料，而且它的类型也没有特别限制。作为材料，多环芳族化合 物，共轭双键体系化合物，大环化合物，金属酞菁配合物，电荷转移型配合物， 缩合环四羧酸二酰亚胺，低聚嚷吩，富勒烯，碳纳米管等等能够作为例子给出。 例如，聚吡咯，聚噻吩，聚(3-烷基噻吩)，聚亚噻吩基亚乙烯基，聚(对-亚苯 基亚乙烯基)，聚苯胺，聚芘，聚。卡唑，聚硒吩，聚呋喃，聚(对-亚苯基)，聚 p引"呆，聚pyridadine，蒽，并四苯，并五苯，并六苯，并七苯，芘，菲，暈苯， terylene，《卩苯，quoterylene,三苯并二卩惡o秦(triphenodioxazine), 三苯并二p塞口秦 (triphenodithiazine)，并六苯-6， 15-醌，聚乙烯基。卡唑，聚苯石克醚，聚亚乙烯 基硫醚，聚乙烯基吡咬，萘四羧酸二酰亚胺，蒽四羧酸二酰亚胺，C6G， C7Q， c76， c78, C84和它们的衍生物都能够使用。另外，作为它的特定例子，有一般被认为是p 型半导体的并五苯，六聚噻吩(6T)，酞菁铜，双-(l, 2， 5-噻二唑并)-对-苯 醌双(l， 3-二硫醇(d池iol))，和红荧烯，以及一般被认为是n型半导体的7, 7， 8， 8-四氰基苯醌二甲烷(缩写TCNQ)， 3, 4, 9, 10-芘四羧酸二酐(缩写 PTCDA), 1, 4, 5, 8-萘四羧酸二肝(缩写NTCDA)， N,N，-二辛基-3， 4， 9， 10-茈四羧酸二酰亚胺(缩写PTCDI-C8H),十六氟酞菁铜(缩写F16CuPc),3'， 4'-二丁基-5, 5"-双(二氰基亚甲基)-5， 5"-二氬-2， 2': 5'， 2"-三瘗喻(缩 写DCMT)等等。应当指出，在有才几半导体中，p-型和n-型的性能不限于该物 质，但取决于与用于注入载流子的电极之间的关系或在注入时电场的强度。
非掺杂感应增效层7所使用的材料，对于n-型有机薄膜场效应管，是金属、 金属盐和具有强吸电子基团的有机化合物，所述金属包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In、 Zn等；所述金属盐为上述金属所对 应的金属盐，所述具有强吸电子基团的有机化合物的电子迁移率不低于2.0xl(T4 cm^V".s";对于p-型有机薄膜场效应管，其材料是芳香族三胺类化合物，联苯 二胺类化合物，"星型，，三苯胺类化合物，所述芳香族三胺类化合物是对苯二胺 (TPD),TAPC等，所述联苯二胺类化合物是FFD等，所述"星型，，三苯胺类化合 物是TDAPB, o-MTDAB等，非掺杂感应增效层所使用的材料空穴传输迁移率 不低于l.Oxl(T3 cm2-V—V1。
采用非掺杂工艺，能够精确的控制载流子传输层中不同区域载流子的迁移， 使得在施加栅压的情况下，在有机层迅速的感应出较多的载流子，并且在电场 的作用下在半导体内部移动于一侧聚集，形成沟道。同时，本发明所提供的置 入多个非掺杂感应增效层的方法，能够根据有机半导体层中的载流子浓度的改 变而有选择性的插入增效层，精确调控不同区域的载流子传输，保证整个有机 半导体层中载流子传输的高效性。另一方面，非掺杂的工艺制作成本和操作方 法更加简便，重复性更加稳定可靠，有利于工业大规j莫生产。
本发明所提供的非掺杂感应增效层限定在有机半导体层，能够有效地提高 载流子传输的迁移率。与在源、漏极和有机半导体层间置入掺杂层或非掺杂层 的方式有本质区别，因为在界面处采用掺杂或非掺杂的，'式仅仅是降低了载流 子的注入势垒，提高了载流子的注入，对载流子在有机半导体层的传输并没有 作出贡献。
其中，单层非掺杂感应增效层或多层非掺杂感应增效层各层的厚度均不超 过5nm。对于n-型OFET而言，采用金属作为增效层材料时，不仅能够提供充 足的自由电子，而且金属与作为电子传输层的有机半导体层之间形成欧姆接触， 有利于金属中自由电子向有机物LUMO能级的跃迁，从而提高有机半导体层中电子的传输。如若超过5nm,金属与有机物之间形成金半接触，虽然有大量的 自由电子存在于金属中，但由于金属的功函数与有机物之间能级不匹配的问题， 使得这些自由电子不能有效地利用，不能达到此发明所预期的效果。此外，当 非掺杂层超过5nm时，金属原子可能会破坏有机材料的成膜特性，在金属和有 机材料的界面处附着性可能降低，从而影响器件性能。当采用金属盐作为材料 时，金属盐中的阳离子作为电子受体，若非掺杂增效层过厚，从电极注入的电 子有可能被限制在增效层中，不利于电子的传输，从而影响电子迁移率。
对用于n-型OFET的具有强吸电子基团的有才/L化合物和上述p-型OFET的 有机化合物而言，由于某些材料虽然具有良好的电子传输性能但其成膜性不佳， 倘若作为非掺杂增效层超过5 nm，受其成膜不均匀的影响，漏电流增大，使器 件的寿命和效率都受到影响，不仅不能达到预期效果，更有可能降低器件的性 能。更重要的是，由于能级匹配的问题，对于有机化合物作为非掺杂增效层置 入电子传输层或电子受体层中时，其载流子传输是利用隧穿效应的原理，如果 非掺杂层太厚，隧穿效应不能实现，从而并不能增强载流子的迁移。
本发明所提供的采用非掺杂感应增效层的方法不仅克服了有机材料载流子 迁移率低的技术难题，同时也从一定程度上解决了 n-型半导体较p-型半导体材 料少的问题，扩大了材料的选择范围，为高效的有机薄膜场效应管的生产制作 提供了一种新的技术方案。
其中701、 702 (a)、 702 (b)、 703 (a)、 703 (b)、 709、 710所使用的材料 是上述金属。
其中704所使用的材料是上述金属盐。
'其中705是上述具有强吸电子基团的有机化合物。
其中706是上述芳香族三胺类化合物。
其中707是上述苯二胺类化合物。
其中708是上述"星型"三苯胺类化合物。
以下是本发明的具体实施例 实施例1
如图4所示，器件的结构中的基板l，栅电极2，绝缘层3，有机半导体层4,源电极5，漏电4及6，非掺杂感应增效层701。
器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP，有机半导体层用并五苯，源、 漏电极为Au,单层非掺杂感应增效层为Mg ( 1 imi)。
制备方法如下
① .将Si基板放入热的H2S04:H202-7: 3的溶液中中超声1小时后，使用超
纯水清洗；
② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热7(TC后，加入1体积H202，加入基片浸泡
15min后，使用超纯水清洗，最后用干燥氮气吹干；
③ .在Si基板的表面通过真空蒸镀或者賊射的方法蒸镀栅电极Au;
④ .通过光刻的方法刻蚀栅电极的图形；
⑤ .在镀有栅电极的Si板的另一側通过旋涂的方法旋涂上有机绝缘层PVP,
有机绝缘层PVP可以一次旋涂成膜，也可以分多次旋涂于Si基板上； .放入真空蒸发有机导体膜并五苯，其气压为3xlO—4Pa,蒸镀速率0.1 nm/s， 蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控；
⑦ .在真空中蒸镀非掺杂感应增效层Mg 1 nm,其气压为3xl(X3Pa，蒸镀速
率为~ 0.1 nm/s,蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控；
⑧ .在Mg层蒸镀完后，再次真空蒸发有机导体膜并五苯，其气压为3xl(T4Pa，
蒸镀速率为~ 0.1 nm/s,蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监 控；
.然后在有机半导体层上蒸镀源电极，漏电极Au。通过光刻形成源电极、
漏电极图案。 器件漏极电流电压曲线如图5所示。 器件栅极电压-漏极电流曲线如图6所示。 实施例2
如图7所示，器件的结构中的基板l,栅电极2，绝缘层3，有机半导体层 4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层702 (a)和702 (b)。
器件的基板为Si,栅极为Au,绝缘层为PVP,有机半导体层用C6。，源、 漏电极为Au,多层非掺杂感应增效层为702 (a) Mg ( 1 nm)、 702 ( b ) Mg ( 2nm )。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例3
如图8所示，器件的结构中的基板l，栅电极2，绝缘层3，有机半导体层 4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层703 (a)和703 (b)。
器件的基板为Si,栅极为Au，绝缘层为PVP,有机半导体层用C6Q，源、 漏电极为Au，多层非掺杂感应增效层为703(a)Ag( 1 nm )、 703(b)Mg( 1 nm )。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例4
如图9所示，器件的结构中的基板l，栅电极2，绝缘层3，有机半导体层 4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层704。
器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP,有机半导体层用C6。，源、 漏电极为Au，单层非掺杂感应增效层为CsC03 ( 1 nm)。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例5
如图IO所示，器件的结构中的基板l,栅电极2，绝缘层3，有机半导体层 4,源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层705。
器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP,有机半导体层用C6Q,源、 漏电极为Au，单层非掺杂感应增效层为PyPySPyPy ( 1 nm )。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例6
如图ll，示，器件的结构中的基板l,栅电极2,绝缘层3，有机半导体层 4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层706。
器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP，有机半导体层用并五苯，源、 漏电极为Au，单层非掺杂感应增效层为TPD ( 1 nm)。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例7
如图12所示，器件的结构中的基板l，栅电极2，绝缘层3，有机半导体层4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层707。
器件的基板为Si,栅极为Au，绝缘层为PVP，有机半导体层用并五苯，源、 漏电极为Au，单层非掺杂感应增效层为FFD (1 nm )。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例8
如图13所示，器件的结构中的基板l，栅电极2，绝缘层3，有机半导体层 4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层708。
器件的基板为Si,栅极为Au,绝缘层为PVP，有机半导体层用并五苯，源、 漏电极为Au，单层非掺杂感应增效层为TDAPB (.1 nm)。
器件的制备流程与实施例1相似。 实施例9
如图14所示，器件的结构中的基板l,栅电极2，绝缘层3,有机半导体层 4，源电极5，漏电极6，非掺杂感应增效层709。
器件的基板为Si，栅极为Au,绝缘层为PVP,有机半导体层用C6。，源、 漏电极为Au，单层非纟参杂感应增效层为Mg ( 1 nm)。
器件的制备流程如下
① .将Si基板放入热的H2S04:H202=7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯
水清洗；
② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202,加入基片浸泡
15min后，使用超纯水清洗，最后用干燥氮气吹干；
③ .在Si基板表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光刻的
方法刻蚀栅电极图形；
④ .在镀有栅电极的Si板上通过旋涂的方法旋涂上有机绝缘层PVP,有机绝
缘层PVP可以一次旋涂成膜，也可以分多次旋涂于Si基板上；
⑤ .然后在绝缘层上蒸镀源、漏电极Au,通过光刻形成源、漏电极；
.放入真空蒸发有机导体膜C6。，其气压为3xlO-4Pa,蒸镀速率0.1 nm/s，
蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控； ⑦.在真空中蒸镀非掺杂感应增效层Mg 1 mn，其气压为3xl(T3Pa,蒸镀速率为~ 0.1 nm/s，蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控； ⑧.在Mg层蒸镀完后，再次真空蒸发有机导体膜C60,其气压为3xl(V4Pa， 蒸镀速率为~ 0.1 nm/s，蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监 控。
实施例10
如图15所示，器件的结构中的基板l，栅电极2，绝缘层3，有机半导体层 4，源电极5，漏电才及6，非掺杂感应增效层710。
器件的基板为Si，栅极为Au,绝缘层为PVP,有机半导体层用C6。，源、 漏电极为Au，单层非掺杂感应增效层为Mg ( 1 nm)。
器件的制备流程如下
① .将Si基板放入热的H2S04:H20^7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯
水清洗；
② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202,加入基片浸泡
15min后，使用超纯水清洗，最后用干燥氮气吹干；
③ .在基板上蒸镀源、漏电极Au，通过光刻形成源、漏电极；
④ J支入真空蒸发有机导体膜Qo，其气压为3xlO—4Pa,蒸镀速率0.1nm/s，
蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控；
⑤ .在真空中蒸镀非掺杂感应增效层Mg 1 nm，其气压为3xl(T3Pa,蒸镀速
率为~ 0.1 nm/s,蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监控；
⑥ .在Mg层蒸镀完后，再次真空蒸发有机导体膜C60，其气压为3xl(T4Pa,
蒸镀速率为~ 0.1 ran/s,蒸镀速率及厚度由安装在基片附近的膜厚仪监
控；
⑦ .之后通过旋涂的方法旋涂上有机绝缘层PVP,有机绝缘层PVP可以 一次
旋涂成膜，也可以分多次旋涂于Si基板上；
⑧ .最后在绝缘层表面通过真空蒸镀的方法蒸镀栅电极Au，并通过光刻的方
法刻蚀4册电才及图形。
权利要求
1、一种有机薄膜场效应管，包括基板、栅电极、绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，结构组成包括顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式，其特征在于，所述有机半导体层中设置有单层或者多层非掺杂感应增效层，所述增效层的厚度小于5nm，材料包括金属、金属盐和具有强吸电子基团的有机化合物。
2、 根据权利要求1所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，所述金属包括 Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn;金属盐 包括上述金属所对应的金属盐；具有强吸电子基团的有机化合物的电子迁移率 高于有^f几半导体层中电子传输材料的电子迁移率。
3、 根据权利要求1或2所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，具有强吸 电子基团的有机化合物包括氟代寡聚物分子、2, 5-二芳基硅、三(9， 9-二芳基) 芴，其中氟代寡聚物分子结构如下结构l:氟代寡聚物分子<formula>formula see original document page 3</formula>结构2:氟代寡聚物分子。
4、 根据权利要求3所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，所述非掺杂感 应增效层，对于n-型有机薄膜场效应管，非掺杂感应增效层使用的材料包括金 属、金属盐、氟代寡聚物分子、2, 5-二芳基硅和三(9， 9-二芳基)芴；对于p-型有机薄膜场效应管，非掺杂感应增效层使用的材料包括芳香族三胺类化合物、 联苯二胺类化合物、"星型，，三苯胺类化合物。
5、 根据权利要求1所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，非掺杂感应增 效层在有机半导体层中的层数是N，其中N的取值为1 ~ 10， N层非掺杂感应增 效层使用的材料相同或者不同。
6、 根据权利要求1所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，多层非掺杂感 应增效层中每层使用的材料不同，并且在有机半导体层中分布时各非掺杂感应 增效层材料的载流子迁移率依次升高或降低。
7、 根据权利要求1所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，多层非掺杂感 应增效层使用的材料相同，并且在有机半导体层中分布时各非掺杂感应增效层的厚度随着载流子迁移率的变化依次增大或减小。
8、 根据权利要求1所述的有机薄膜场效应管，其特征在于，所述具有强吸电子基团的有机化杏物的电子迁移率不低于2.0x10" cmMr、s";非掺杂感应增 效层使用的化合物空穴传输迁移率不低于l.Oxl(T3 cn^V"-s人
9、 一种顶部接触式有机薄膜场效应管的制备方法，其会征在于，包括以下 步骤① .将Si基板放入热的H2S04:H202=7: 3的溶液中中超声1小时后，使用超纯水清洗；② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202,加入基片浸泡15min后，使用超纯水清洗，最后用干燥氮气吹干；③ .在Si基板表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光刻的方法刻蚀栅电极图形；④ .采用旋涂或者真空蒸镀或者溅射的方法在栅电极上形成绝缘层；⑤ .之后在高真空蒸发室中，开始进行功能层薄膜的蒸镀，按照器件结构依次蒸镀功能层，所述功能层包括有机半导体层和单层或多层的非掺杂感 应增效层，其中非掺杂感应增效层材料包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn以及上述金属对应的金属盐， 具有强吸电子基团的有机化合物，香族三胺类化合物，联苯二胺类化合 物和"星型"三苯胺类化合物； .然后在有机半导体层上蒸镀源、漏电极，通过光刻形成源、漏电极。
10、 一种底部接触式有机薄膜场效应管的制备方法，其特征在于，包括以 下步骤 '.① .将Si基板放入热的H2S04:H202=7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯水清洗；② .将H20:NHf5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202，加入基片浸泡15min后，使用超纯水清洗，最后用干燥氮气吹千；③ .在Si基板表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光刻的方法刻蚀栅电才及图形；④ .用旋涂或者真空蒸镀或者溅射的方法在栅电极上形成绝缘层；⑤ .然后在绝缘层上蒸镀源、漏电极，通过光刻形成源、漏电极；⑥ .最后在高真空蒸发室中，开始进行功能层薄膜的蒸镀，按照器件结构依次蒸镀功能层，所述功能层包括有机半导体层和单层或多层的非掺杂感 应增效层，其中非掺杂感应增效层材料包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn以及上述金属对应的金属盐， 具有强吸电子基团的有机化合物，香族三胺类化合物，联苯二胺类化合物和"星型，，三苯胺类化合物;。
11.、 一种顶部栅极式有机薄膜场效应管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤① .将Si基板放入热的H2S04:H20^7: 3的溶液中超声1小时后，使用超纯水清洗；② .将H20:NH3=5: 1的溶液加热70。C后，加入1体积H202,加入基片浸泡15min后，使用超纯水清洗，最后用干燥氮气吹干；③ .在基板上蒸镀源、漏电极，通过光刻形成源、漏电极； .然后在高真空蒸发室中，开始进行功能层薄膜的蒸镀，按照器件结构依 次蒸镀功能层，所述功能层包括有机半导体层和单层或多层的非掺杂感 应增效层，其中非摻杂感应增效层材料包括Li、 Na、 K、 Rb、 Cs、 Be、 Mg、 Ca、 Sr、 Ba、 Ag、 Al、 Ga、 In和Zn以及上述金属对应的金属盐， 具有强吸电子基团的有机化合物，香族三胺类化合物，联苯二胺类化合 物和"星型"三苯胺类化合物；⑤.之后用旋涂或者真空蒸镀或者溅射的方法在有机半导体层上形成绝缘 层； .最后在绝缘层表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极，并通过光 刻的方法刻蚀4册电才及图形。
全文摘要
本发明公开了一种有机薄膜场效应管，包括基板、栅电极、绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，结构组成包括顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式，其特征在于，所述有机半导体层中设置有单层或者多层非掺杂感应增效层，所述增效层的厚度小于5nm，材料包括金属、金属盐和具有强吸电子基团的有机化合物。本发明所提供的有机薄膜场效应管，结构新颖，可实现高迁移率和开关比，改善有机半导体层中载流子的传输，可制成柔性器件；采用非掺杂的工艺在有机层中置入非掺杂感应增效层，从而提高器件载流子的迁移率。
文档编号H01L51/40GK101556987SQ20091005936
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者于军胜, 余双江, 璐 李, 蒋亚东 申请人:电子科技大学