紫外线传感器及其制备方法与流程

本申请涉及半导体器件领域，尤其涉及一种紫外线传感器及其制备方法。

背景技术：

长期暴露在高强度紫外线的环境，会对眼睛、皮肤、免疫系统造成不良的影响。为了掌握环境中的紫外线强度以做好相关的防护措施，一般会采用紫外线传感器来获取环境中的紫外线强度信息。

紫外线传感器是一种将紫外光信号转换为电信号的电子器件。目前应用的紫外线传感器的基底一般为硅基材料(包括玻璃)或者金属等，其活性层包括：无机材料(氮化镓、硫化锌、氧化锌等)和氧化石墨烯等，但是其制备工艺复杂，价格昂贵，对环境污染较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种紫外线传感器及其制备方法，用以解决现有技术中紫外线传感器制备过程中高能耗、高污染、价格昂贵的技术问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种紫外线传感器，其特征包括：基底；栅极，形成于所述基底；电介质层，形成于所述栅极；源极和漏极，形成于所述电介质层，所述源极和漏极之间存在未覆盖所述电介质层的沟道；紫外光敏有机半导体层，相应的形成于所述沟道，厚度大于所述源极和漏极。

优选的，所述紫外光敏有机半导体层的材料是c8-btbt及其衍生物。

所述基底的材料是柔性材料。

所述柔性材料是pen薄膜。

所述栅极、源极和漏极的材料是金属或者有机聚合物；所述电介质层的材料是有机聚合物或者无机材料。

所述沟道的长度范围是10纳米到1毫米。

根据本申请实施例的另一个方面，提供了一种紫外线传感器的制备方法，包括：形成一个基底；在所述基底上形成栅极；在所述栅极上形成电介质层；在所述电介质层上形成源极和漏极，所述源极和漏极之间存在未覆盖所述电介质层的沟道；相应的在所述沟道位置形成紫外光敏有机半导体层，所述紫外光敏有机半导体层的厚度大于所述源极和漏极。

优选的，以pen薄膜形成柔性基底。

相应的在所述沟道位置形成紫外光敏有机半导体层包括：

在所述沟道位置滴上氯苯溶液，所述氯苯溶液包括浓度为5mg/ml的c8-btbt和浓度为0.5mg/ml的pla；经过室温干燥后进行加热处理，形成所述紫外光敏有机半导体层。

在所述基底上形成栅极包括：在所述基底上喷墨打印一层银墨水，经加热处理形成所述栅极；在所述栅极上形成电介质层包括：在所述栅极上喷墨打印一层含pvp和交联剂甲基化聚pmf的墨水，经过加热处理形成所述电介质层；在所述电介质层上形成源极和漏极包括：在所述电介质层上喷墨打印一层银墨水，经加热处理形成所述源极和漏极。

本申请实施例的有益效果包括：本申请实施例提供的基于有机薄膜晶体管的紫外线传感器，活性层采用有机半导体聚合物材料并且形成于源极和漏极之间的沟道，可以有效解决硅基器件制备过程中高能耗、高污染、价格昂贵等问题；紫外传感器的基底材料还可以是柔性聚合物，使其具备柔韧性，易于弯曲，从而相对于硅基器件，其在物联网、柔性显示、智能穿戴、生物医疗等领域有更好的应用前景；该紫外传感器的制备工艺简单，可通过喷墨打印、滴膜、刮涂、旋涂、丝网印刷、压印等工艺实现，制备过程对环境的容忍性强，无需手套箱、无尘间等特殊装置，在室温环境和空气中亦可制备。

附图说明

通过以下参照附图对本申请实施例的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本申请实施例提供的紫外线传感器的剖面示意图；

图2是本申请实施例提供的紫外线传感器的制备方法的流程示意图；

图3是本申请实施例提供的紫外线传感器的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本申请进行描述，但是本申请并不仅仅限于这些实施例。在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。为了避免混淆本申请的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请实施例提供的紫外线传感器是基于有机薄膜晶体管的紫外线传感器，其活性层采用有机半导体聚合物材料并且形成于源极和漏极之间的沟道，可以有效解决硅基器件制备过程中高能耗、高污染、价格昂贵等问题；该紫外传感器的基底材料还可以是柔性聚合物，使其具备柔韧性，易于弯曲，从而相对于硅基器件，其在物联网、柔性显示、智能穿戴、生物医疗等领域有更好的应用前景；该紫外传感器的制备工艺简单，可通过喷墨打印、滴膜、刮涂、旋涂、丝网印刷、压印等工艺实现，制备过程对环境的容忍性强，无需手套箱、无尘间等特殊装置，在空气中亦可制备。

图1是本申请实施例提供的紫外传感器的剖面示意图，包括基底10，栅极11，电介质层12，源极13，漏极14和紫外光敏有机半导体层15。

基底10为金属或者硅基材料，如硅片、玻璃、金属箔等，具有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整度。

在基底10上形成一个电极层作为有机薄膜晶体管的栅极11。然后在栅极11上形成电介质层12。电介质层12采用具有良好介电性能的材料，包括无机绝缘材料如二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(a12o3)、氟化锂(lif)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、五氧化二坦(ta2o5)等；有机绝缘材料如聚乙烯醇(pva)、聚氯乙烯(pvc)、聚对乙烯基苯酚(pvp)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙基丙烯酸酯(pca)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酰亚胺(pi)或聚乙烯(pe)等。

在电介质层12上再形成一个电极层，该电极层被分为两部分，分别作为薄膜晶体管的源极13和漏极14。栅极11、源极13和漏极14采用具有低电阻的材料，如金(au)、银(ag)、镁(mg)、铝(al)、铜(cu)、钙(ca)、钡(ba)、镍(ni)等金属及其合金材料；氧化铟锡(ito)，氧化锌锡(izo)等金属氧化物材料；金胶、银胶、碳胶等导电薄膜和导电复合材料。制备方法可以是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印、旋涂等各种沉积方法。

源极13和漏极14之间未覆盖电介质层12的部分即形成源极13和漏极14之间的沟道，源极13和漏极14之间距离即沟道长度的范围为10纳米到1毫米。在沟道的对应位置上形成紫外光敏有机半导体层15，当有紫外光照射紫外光敏有机半导体层15时，其阻值降低，产生漏极电流idrain；如果紫外光的光强度增加，漏极电流idrain也随之增大。紫外光敏有机半导体层15的形成方式包括蒸镀、打印、刮涂、旋涂、溅射、化学沉积等。

如果活性层采用无机材料，例如氮化镓、硫化锌、氧化锌和氧化石墨烯等，则制备工艺复杂，价格昂贵，对环境污染较大；而本实施例中，采用紫外光敏有机半导体材料作为紫外线传感器的活性层，生产工艺相对简单，并且可降解，对环境污染更小，可以解决硅基器件制备过程中高能耗、高污染、价格昂贵等问题。

在一个实施例中，作为活性层的紫外光敏有机半导体材料为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(c8-btbt)及其衍生物。c8-btbt及其衍生物的紫外光敏有机半导体层的形成方式为打印、刮涂、旋涂等溶液处理过程，溶液包括c8-btbt及其衍生物和有机溶剂，还可以进一步包含聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚苯乙烯(ps)、聚乳酸(pla)等，以及其他添加剂。c8-btbt及其衍生物作为活性层的材料具有更高的光电响应度，并且可以有效降低激子在有机晶体中的复合几率。

在一个实施例中，该紫外线传感器的基底10采用柔性聚合物作为基底材料，例如有机塑料，包括聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚酰亚胺(pi)等。采用柔性聚合物作为基底材料能使紫外传感器形成的有机阵列具备良好的柔韧性，当利用紫外传感器作为有机薄膜晶体管阵列使用时能够具备可弯曲的特性，从而可作为可弯曲屏幕的显示阵列来使用。其中，使用聚萘二甲酸乙二醇酯pen作为柔性基底材料，具有更优异的阻隔性、防紫外线性和耐高温性，并且pen在韧性、耐折皱性和耐温性等各方面性能相对更加均衡，可耐温121℃，因此更适合作为柔性电子产品显示阵列的基底材料使用。

图2是本申请实施例提供的上述紫外线传感器的制备方法的流程示意图，该方法包括以下主要步骤。

s20，形成一个基底。包括有机塑料(例如pen、pet、pi等)以及玻璃、硅基材料等基底。

s21，在基底上形成栅极。形成方式包括蒸镀、打印、刮涂、旋涂、溅射、化学沉积等；电极材料包括金属(金、银、铜、铝、铂、铁、镍等)、有机聚合物导电材料、无机导电材料等。

s22，在栅极上形成电介质层。形成方式包括蒸镀、打印、刮涂、旋涂、溅射、化学沉积等；电介质层材料包括有机聚合物介电材料和无机介电材料等。

s23，在电介质层上形成源极和漏极，源极和漏极之间存在未覆盖所述电介质层的沟道。形成方式包括蒸镀、打印、刮涂、旋涂、溅射、化学沉积等；电极材料包括金属(金、银、铜、铝、铂、铁、镍等)、有机聚合物导电材料、无机导电材料等。源极和漏极未覆盖电介质层的部分即形成沟道，将处于同一电极层的源极和漏极分为两部分，两部分之间距离即沟道长度的范围为10纳米到1毫米。

s24，相应的在沟道位置形成紫外光敏有机半导体层，紫外光敏有机半导体层的厚度大于源极和漏极。紫外光敏有机半导体材料优选为c8-btbt及其衍生物；形成方式为打印、刮涂、旋涂等溶液处理过程，溶液包括c8-btbt及其衍生物和有机溶剂，可以进一步包含聚合物(pmma、ps、pla等)和其它添加剂。

此外，对于上述过程中形成的基底、电极、电介质层和紫外光敏有机半导体层，还可以经过各种工艺处理，包括：加热、光照(紫外光照、可见光照、红外光照)、光刻、等离子体处理、各种化学物质处理(浸泡、修饰、涂层等)、机械处理等，以达到对应的处理效果。

本实施例中，可通过如喷墨打印、滴膜、刮涂、旋涂、丝网印刷、压印等工艺实现，制备器件过程的处理工艺较为简单，对环境的容忍性强，无需手套箱、无尘间等特殊装置，在空气中即可完成制备。

图3是本申请实施例提供的一种采用柔性基底材料并且使用c8-btbt及其衍生物作为紫外光敏有机半导体层的紫外线传感器的制备方法，该方法包括以下步骤。

s30，以pen薄膜为材料形成柔性基底。

s31，在柔性基底上喷墨打印一层银墨水，经过加热处理形成一层银电极。这一层银电极作为紫外线传感器的栅极。加热处理是在150℃条件下加热约10分钟，形成大约50nm厚的银电极。

s32，在银电极上喷墨打印一层含表面活性剂(例如，聚对乙烯基苯酚pvp)和交联剂(例如，甲基化聚(三聚氰胺-co-甲醛)pmf)的墨水，经过加热处理形成电介质层。加热处理是在150℃的条件下加热约30分钟，形成大约2微米厚的电介质层。

s33，在电介质层上喷墨打印一层银墨水，经过加热处理形成一层银电极。加热处理是在150℃的条件下加热约一小时，形成大约50nm厚的一层银电极。该银电极被喷墨打印为两部分，分别作为源极和漏极，两电极之间距离即沟道长度约为50微米。

s34，将上述结构在含有1mg/ml的五氟苯硫酚(pfbt)的乙醇溶液中浸泡。以改善银电极的功函，浸泡时间大约为10分钟。

s35，在上述结构的沟道位置滴上活性层墨水，经过室温干燥后再加热处理形成紫外光敏有机半导体层。活性层墨水为包含浓度为5mg/ml的c8-btbt以及浓度为0.5mg/ml的pla的氯苯溶液。加热处理是在120℃条件下加热30分钟后退火。

上述制备过程能耗、污染和制备成本都相对更低，且在室温环境和空气条件下即可完成制备。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域技术人员而言，本申请可以有各种改动和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。