一种通过快速退火提高有机场效应晶体管迁移率的方法与流程

本发明属于半导体行业有机场效应晶体管技术领域，具体涉及一种提高有机场效应晶体管迁移率的实现方法。

背景技术：

有机场效应晶体管作为电子电路中的基本元器件，因其半导体层材料具有来源广泛、轻柔、加工工艺简单的特点，并可应用于大面积印刷工艺，非常适合下一代柔性电子产业的发展。近年来，有机场效应晶体管已取得了快速的发展，其中基于红荧烯的单晶场效应晶体管迁移率达到了15cm²/Vs，已经超过了无定形硅。

在有机场效应晶体管中，导电沟道位于有机半导体层内靠近栅绝缘层的亚纳米尺度范围内。因为栅绝缘层表面的形貌、粗糙度以及表面能这些因素，极大地影响着有机半导体导电沟道的质量。通常，粗糙度小(<1nm)、表面能匹配的栅绝缘层界面有利于有机半导体的有序堆积和高结晶度，进而提高迁移率、加速晶体管的开关速度。目前，可通过对栅绝缘层进行表面修饰的方式，来降低表面粗糙度、增加表面能匹配。修饰层材料包括聚合物及自组装单层材料，已经研究报道的修饰方式包括高k/低k介电材料匹配(IEEE Electron Device Lett.2015，36，950-2)，聚合物分子量调控(Adv.Mater.2011，23，1009-14)，诱导垂直相分离(Org.Electron.2015，21，111-6)等。对于聚合物修饰层材料，其本身具有高分子特有的超分子作用力、自组装及拓扑结构等分子化学特征。然而迄今为止，从高分子构象变化角度对聚合物修饰层表面进行界面性质调控的研究寥寥无几。

技术实现要素：

为解决通过调节聚合物修饰层分子构象进而调控界面性质、提高有机场效应晶体管迁移率的问题，本发明提出一种对聚合物修饰层执行快速退火的方法。其在现有材料的基础上不增加工艺、技术难度，提供一种简单操作的手段提高聚合物修饰层的表面能均匀性，来增强有机半导体层和聚合物修饰层之间的表面能匹配，增强有机半导体层薄膜的结晶性，提高晶体管的迁移率，具有极强的普适性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是一种通过快速退火提高有机场效应晶体管迁移率的方法，包括以下具体步骤：

(1)、制备具有聚合物修饰层的栅绝缘基片；

(2)、对所述栅绝缘基片进行快速退火操作；

(3)、在聚合物修饰层上蒸镀有机半导体层及源漏电极，制备有机场效应晶体管；

(4)、测试所述晶体管的转移特性曲线，提取对应的迁移率，并计算平均迁移率。

进一步，上述聚合物修饰层选自侧链含有苯环基团的高分子材料。

上述栅绝缘基片包括衬底、栅电极和栅绝缘层。

上述步骤2中，所述快速退火操作是在氮气手套箱中进行，修饰后的基片置于热台上6～12h后，快速取下并置于室温，热台的温度低于聚合物材料的玻璃化转化温度。

步骤4中，所述的迁移率提取自转移特性曲线的饱和区。

上述迁移率的平均迁移率为若干个单元器件迁移率的平均值。作为优选，所述若干个至少为3个。

本发明还提出一种根据上述通过快速退火提高有机场效应晶体管迁移率的方法制备的有机场效应晶体管，所述的有机场效应晶体管，从下至上包括衬底、栅电极、栅绝缘层、聚合物修饰层、有机半导体层、源漏电极；

所述衬底的材料选自为高掺杂硅片、玻璃片或塑料PET；

所述栅电极采用的材料选自高掺杂硅、铝、铜、银、金、钛或钽；

所述栅绝缘层采用的材料选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆、五氧化二钽，所述栅绝缘层的薄膜厚度为50～300nm；

所述聚合物修饰层的薄膜厚度为10～30nm；

所述有机半导体层采用的材料选自并五苯、并四苯、钛青铜、氟化钛青铜或红荧烯；

所述有机半导体层采用热真空蒸镀法成膜，其厚度为40～60nm；

所述源漏电极材料选自具有低电阻的金属材料金、银、铝、铜及合金材料、金属氧化物材料；

所述源漏电极的制备方法为磁控溅射法、喷墨打印法或真空蒸镀法，其厚度为60～100nm。

本发明还提供了上述有机场效应晶体管的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)配置聚合物溶液，其浓度为2～5mg/ml；

(2)选择合适的衬底材料作为基片，并在衬底上形成栅电极和栅绝缘层，栅绝缘层薄膜的厚度为50～300nm，清洗干净基片后烘干；

(3)将烘干后的洁净基片使用紫外臭氧处理3～5min；

(4)将步骤(3)中制备的基片上面旋涂步骤(1)配置好的溶液，控制转速使其薄膜厚度为10～30nm，将旋涂好的基片在手套箱中快速退火；

(5)在步骤(4)中制备好的基片上面真空蒸镀有机半导体层和源漏电极。

优选的，步骤(4)中所述的快速退火在氮气手套箱中进行，旋涂后的基片置于热台上6～12h后，快速取下并置于室温；所述热台的温度低于聚合物材料的玻璃化转化温度(T_g)。

优选的，步骤(5)所述真空蒸镀的有机半导体层材料为并五苯，蒸镀速率为真空度控制在6×10^-5pa～6×10^-4pa，采用晶振控制厚度在40～60nm；所述真空蒸镀源漏电极为铜，蒸镀速率控制厚度在60～100nm。

优选的，所述源漏电极的材料为金或铜。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的有机场效应晶体管可以通过控制聚合物修饰的退火速度和温度来控制有机半导体层的结晶程度，可实现有机场效应晶体管迁移率的提高。

2、本发明与其它方法相比能够在不需要额外的沟道掺杂工艺的前提下，制备得到表面能优化的修饰层薄膜。

3、本发明可根据具体选用的聚合物材料灵活调控退火温度和速度，易于制备可控的高迁移率有机场效应晶体管。

附图说明

图1为本发明实例所采用的有机场效应晶体管结构示意图。

图2为根据本发明实施例1提供的快速退火法诱导的有机半导体结晶增强示意图。

图3是根据本发明实施例1提供的快速退火与否的转移特性曲线对比示意图。

图4是根据本发明实施例2提供的快速退火与否的转移特性曲线对比示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的作进一步说明。其中提到的附图仅仅适用于下述实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据本发明中提到的方法获得其他的附图。但是，本发明的保护范围并不限于下述实施例。

实施例1

一种快速退火提高有机场效应晶体管迁移率的方法，包括：

(1)、制备具有聚合物修饰层的有机场效应晶体管，其结构示意图如图1所示；

具体包括如下步骤：实际制备时，实验室室温保持在25℃左右，室内湿度保存在30％以下。

(a)配置聚合物聚(4-乙烯基苯酚)(PVP，分子量Mw＝11kg/mol,T_g＝130℃)溶液，将PVP用乙酸乙酯作为溶剂配制成溶液，溶度3mg/ml；

(b)选择表面有300nm二氧化硅的重掺杂硅作为衬底和栅绝缘层，使用丙酮、乙醇、去离子水分别用100KHz超声清洗10分钟，其后在120℃的真空烘箱中烘干；

(c)将步骤(b)中烘干的基片放入紫外臭氧中处理3min；

(d)在步骤(c)中处理好的基片表面旋涂步骤(a)中配置好的溶液，薄膜厚度为20nm；

(2)将步骤(1)制备的薄膜置于70℃热台上退火，12h后立即取下置于室温中冷却备用；

(3)在步骤(2)快速退火后的聚合物薄膜上真空蒸镀有机半导体层和源漏电极。所述的真空蒸镀半导体材料为并五苯，蒸镀速率为真空度控制在5×10^-4pa以下，控制蒸镀薄膜厚度为50nm。制备的半导体层XRD衍射对比示意图如图2所示，快速退火诱导下并五苯的结晶性能得到了大幅度提升；所述真空蒸镀源漏电极为铜，蒸镀速率控制厚度在100nm。

(4)、器件制备完成后，其电学性能由安捷伦B1500半导体分析仪进行表征，数据处理绘制成的转移曲线如图3所示。与炉冷的退火方式相比，快速退火法制备的有机场效应晶体管平均迁移率可从0.28cm²/Vs，提高到0.59cm²/Vs，开关比达10⁵。

实施例2

一种快速退火提高有机场效应晶体管迁移率的方法，包括：

(1)、制备具有聚合物修饰层的有机场效应晶体管，其结构示意图如图1所示；

具体包括如下步骤：实际制备时，实验室室温保持在25℃左右，室内湿度保存在30％以下。

(a)配置聚合物聚苯乙烯(PS，分子量Mw＝250kg/mol,T_g＝100℃)溶液，将PS用甲苯作为溶剂配制成溶液，溶度3mg/ml；

(b)选择表面有300nm二氧化硅的重掺杂硅作为衬底和栅绝缘层，使用丙酮、乙醇、去离子水分别用100KHz超声清洗10分钟，其后在120℃的真空烘箱中烘干；

(c)将步骤(b)中烘干的基片放入紫外臭氧中处理3min；

(d)在步骤(c)中处理好的基片表面旋涂步骤(a)中配置好的溶液，薄膜厚度为20nm；

(2)将步骤(1)制备的薄膜置于70℃热台上退火，12h后立即取下置于室温中冷却备用；

(3)在步骤(2)快速退火后的聚合物薄膜上真空蒸镀有机半导体层和源漏电极。所述的真空蒸镀半导体材料为并五苯，蒸镀速率为真空度控制在5×10^-4pa以下，控制蒸镀薄膜厚度为50nm；所述真空蒸镀源漏电极为铜，蒸镀速率控制厚度在100nm。

(4)、器件制备完成后，其电学性能由安捷伦B1500半导体分析仪进行表征，数据处理绘制成的转移曲线如图4所示，与炉冷的退火方式相比，快速退火法制备的有机场效应晶体管的平均迁移率可从0.59cm²/Vs，提高到0.80cm²/Vs，开关比达10⁵。

所有测试结果表明，本发明所涉及的一种快速退火提高有机场效应晶体管迁移率的方法，操作简单，便于推广，适用于侧链含有苯环的聚合物修饰层的有机场效应晶体管。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均属于本发明的保护范围。