一种有机半导体薄膜晶体管的制备方法与流程

本发明属于有机电子技术领域，具体涉及一种有机半导体薄膜晶体管的制备方法。

背景技术

薄膜晶体管是被广泛应用在有源阵列显示器、光电传感器、薄膜型存储器和气敏传感器等领域，它由衬底、栅电极、绝缘层、有源层和源漏电极组成。有机半导体薄膜晶体管是指其中有源层使用的是有机半导体材料。与硅、金属氧化物半导体为有源层的薄膜晶体管相比，有机薄膜具有良好的柔韧性、质量轻且容易携带，可方便大面积显示器件的制备。可以通过修饰有机分子结构来提高器件的性能，随着研究发展的深入有机薄膜晶体管的迁移率、开关电流比等性能都得到了大规模的提高，因此在液晶和有机电致发光显示器、传感器、电子标签等领域已经得到广泛的应用。

有机薄膜的制膜技术比较多，不需要高真空环境下，可在低温下制备薄膜，制作工艺简单，能够降低器件的生产成本。有机半导体优良的溶解性，可以采用溶液旋凃法制备薄膜，旋涂法制备速度快，兼容性好，基底选择比较广泛。旋涂高分子薄膜具有较好的均匀性和稳定性，使其在有机薄膜晶体管的制备过程中得到广泛的应用。

通常薄膜晶体管中的有源层和绝缘层是分两步制备的，这不仅消耗大量时间，增加了制造成本，还容易引起杂质污染，增加界面电荷密度，从而影响薄膜晶体管的电学性质。因此简化制备工艺、提高器件的稳定性成为有机薄膜晶体管一个重要的研究方向。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种有机半导体薄膜晶体管的制备方法，其中有源层与绝缘层是通过化学旋凃工艺一步获得。

本发明采用如下技术方案：

一种有机半导体薄膜晶体管的制备方法，所述晶体管包括从下至上依次布设的衬底、栅电极层、绝缘层和有源层，所述有源层上布设有源电极和漏电极；

晶体管的制备包括以下步骤：将有机半导体材料和绝缘聚合物溶解到有机溶剂中，形成前驱体混合溶液，然后将前驱体混合溶液旋凃在衬底的栅电极层之上，绝缘聚合物处在旋涂薄膜底层并与栅电极层接触，形成绝缘层，有机半导体材料位于绝缘聚合物上方，形成有源层，然后进行干燥，最后在有源层上制备源电极和漏电极，形成有机半导体薄膜晶体管。

进一步地，所述衬底为玻璃或硅片，栅电极层为附着在衬底上的ito薄膜或者au、ag或al薄膜。

进一步地，所述有机半导体材料为小分子型有机半导体材料或共轭高分子型有机半导体材料；小分子型有机半导体材料为富勒烯、并五苯、酞菁或金属络合物中的任意一种；所述共轭高分子型有机半导体材料为聚乙炔或聚噻吩及其衍生物中的任意一种。

进一步地，所述绝缘聚合物为聚苯乙烯、聚苯醚、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酰亚胺或聚丁二烯中的任意一种。

进一步地，所述前驱体混合溶液的浓度为5～15mg/ml，前驱体混合溶液中有机半导体材料与绝缘聚合物的质量比为（3～30）：100。

进一步地，所述有机溶剂为氯仿、间二甲苯、二硫化碳或邻二氯苯中的任意一种。

进一步地，所述旋涂的速度为1000～3000rpm，旋涂的时间为30～60s。

进一步地，所述干燥的温度为50℃～90℃，干燥的时间为1～5h。

进一步地，所述漏电极和源电极采用真空热蒸发法进行制备，漏电极和源电极的材料为au。

本发明提供的一种制备有机半导体薄膜晶体管的方法，是将有机半导体材料和绝缘聚合物溶解到有机溶剂中，形成前驱体混合溶液。然后通过旋涂的方法，同时制备有源层和绝缘层。其原理是由于不同组分间的化学不相容性，薄膜在旋凃过程中沿垂直方向发生相分离，绝缘聚合物位于旋涂薄膜底层并与栅电极相接触，而有机半导体材料位于绝缘聚合物顶部。对旋凃薄膜进行干燥处理，去除有机溶剂，然后在上面制备源电极和漏电极，即得到有机薄膜晶体管。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过低成本的旋凃工艺同时制备有源层和绝缘层，能够降低制造成本，减小界面污染，提高薄膜晶体管的性能，在低成本有机薄膜晶体管的制备中具有很重大的应用价值。

2、本发明将前驱体混合溶液直接旋凃硅片（导电的硅片，既作为衬底也作为栅电极）或ito玻璃上，有源层和绝缘层同时采用旋凃制备。硅片或ito玻璃上无需起修饰作用的绝缘层（如二氧化硅）。

附图说明

图1为本发明一种有机半导体薄膜晶体管的器件结构图。

图2为实施例1中所得有机半导体薄膜晶体管的输出曲线。所述输出曲线为不同栅极电压下，薄膜晶体管的源漏电流变化曲线。图中栅极电压为0～2v，增幅为0.5v。

图3实施例2中所得有机半导体薄膜晶体管的输出曲线。所述输出曲线为不同栅极电压下，薄膜晶体管的源漏电流变化曲线。图中栅极电压为0～2v，增幅为0.5v。

附图中，1为衬底，2为栅电极层，3为绝缘层，4为有源层，5为源电极，6为漏电极。

具体实施方式

以下实施例是为了更好的说明本发明的技术方案，而不是以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

一种有机半导体薄膜晶体管的制备，包括以下步骤：

步骤1：选择ito玻璃作为衬底，玻璃上的ito薄膜作为栅电极层。ito玻璃依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声10min，并用氮气吹干，然后在臭氧清洗机中对ito薄膜清洗20min。

步骤2：将有机半导体材料p3ht、绝缘聚合物pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）溶解在氯仿中，形成前驱体混合溶液。前驱体混合溶液的浓度为10mg/ml，其中有机半导体材料p3ht与绝缘聚合物pmma的质量比为30:100。把配制好的前驱体混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌，在60℃条件下搅拌2h。

步骤3：前驱体混合溶液配制完成后，使用匀胶机在ito玻璃上旋凃薄膜，旋凃速度为1500rpm，旋涂40s。由于不同组分的表面能和表面亲润性并不相同，旋涂薄膜沿垂直方向发生相分离。绝缘聚合物位于旋涂薄膜底部并和ito薄膜接触，形成绝缘层，有机半导体材料位于绝缘聚合物顶部，形成有源层。

步骤4：对旋凃薄膜进行干燥处理，干燥温度为60℃，干燥时间为2h。

步骤5：最后使用金属掩膜板在有源层上蒸镀au，形成源电极和漏电极，即得到有机半导体薄膜晶体管。源电极和漏电极的厚度均为40nm。

使用吉时利4200半导体特性测试仪对所得有机半导体薄膜晶体管进行电学测试，发现该器件具有较好的场效应特性，在栅极电压为2v，源漏电压为2v的条件下，其饱和电流为1.6×10^-2微安，见图2。

实施例2

一种有机半导体薄膜晶体管的制备，包括以下步骤：

步骤1：选择导电硅片作为衬底，同时也作为器件的栅电极层。导电硅片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声10min，并用氮气吹干，然后在臭氧清洗机中对硅片清洗20min。

步骤2：将有机半导体材料p3ht、绝缘聚合物ps（聚苯乙烯）溶解在氯仿中，形成前驱体混合溶液。前驱体混合溶液的浓度为8mg/ml，其中有机半导体材料p3ht与绝缘聚合物ps的质量比为10:100。把配制好的前驱体混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌，在室温条件下搅拌2h。

步骤3：前驱体混合溶液配制完成后，使用匀胶机在硅片上旋凃薄膜，旋凃的速度为1000rpm，旋涂60s。由于不同组分的表面能和表面亲润性并不相同，旋涂薄膜沿垂直方向发生相分离。绝缘聚合物ps位于旋涂薄膜底部并和硅片接触，形成绝缘层，有机半导体p3ht位于绝缘聚合物顶部，形成有源层。

步骤4：对旋凃薄膜进行干燥处理，干燥温度为90℃，干燥时间为2h。

步骤5：最后使用金属掩膜板在有源层上蒸镀au，形成源电极和漏电极，即得到有机半导体薄膜晶体管。源电极和漏电极的厚度均为50nm。

使用吉时利4200半导体特性测试仪对所得有机半导体薄膜晶体管进行电学测试，发现该器件有很好的场效应特性。在栅极电压为2v，源漏电压为2v的条件下，其饱和电流为4.3×10^-2微安，见图3。

实施例3

一种有机半导体薄膜晶体管的制备，包括以下步骤：

步骤1：选择ito玻璃作为衬底，玻璃上的ito薄膜作为栅电极层。ito玻璃依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声10min，并用氮气吹干，然后在臭氧清洗机中对ito薄膜清洗20min。

步骤2：将有机半导体材料并五苯、绝缘聚合物聚丁二烯溶解在间二甲苯中，形成前驱体混合溶液。前驱体混合溶液的浓度为13mg/ml，其中有机半导体材料并五苯与绝缘聚合物聚丁二烯的的质量比为3:10。把配制好的前驱体混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌，在60℃条件下搅拌2h。

步骤3：前驱体混合溶液配制完成后，使用匀胶机在ito玻璃上旋凃薄膜，旋凃速度为3000rpm，旋涂30s。由于不同组分的表面能和表面亲润性并不相同，旋涂薄膜沿垂直方向发生相分离。绝缘聚合物位于旋涂薄膜底部并和ito薄膜接触，形成绝缘层，有机半导体材料位于绝缘聚合物顶部，形成有源层。

步骤4：对旋凃薄膜进行干燥处理，干燥温度为50℃，干燥时间为5h。

步骤5：最后使用金属掩膜板在有源层上蒸镀au，形成源电极和漏电极，即得到有机半导体薄膜晶体管。源电极和漏电极的厚度均为40nm。

使用吉时利4200半导体特性测试仪对所得有机半导体薄膜晶体管进行电学测试，发现该器件具有较好的场效应特性，在栅极电压为2v，源漏电压为2v的条件下，其饱和电流为5.3×10^-1微安。

实施例4

一种有机半导体薄膜晶体管的制备，包括以下步骤：

步骤1：选择导电硅片作为衬底，同时也作为器件的栅电极层。导电硅片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声10min，并用氮气吹干，然后在臭氧清洗机中对硅片清洗20min。

步骤2：将有机半导体材料聚乙炔、绝缘聚合物聚醚酰亚胺溶解在邻二氯苯中，形成前驱体混合溶液。前驱体混合溶液的浓度为5mg/ml，其中有机半导体材料聚乙炔与绝缘聚合物聚醚酰亚胺的质量比为5:100。把配制好的前驱体混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌，在室温条件下搅拌2h。

步骤3：前驱体混合溶液配制完成后，使用匀胶机在硅片旋凃薄膜，旋凃速度为2500rpm，旋涂35s。由于不同组分的表面能和表面亲润性并不相同，旋涂薄膜沿垂直方向发生相分离。绝缘聚合物聚醚酰亚胺位于旋涂薄膜底部并和硅片接触，形成绝缘层，有机半导体材料聚乙炔位于绝缘聚合物顶部，形成有源层。

步骤4：对旋凃薄膜进行干燥处理，干燥温度为90℃，干燥时间为1h。

步骤5：最后使用金属掩膜板在有源层上蒸镀au，形成形成源电极和漏电极，即得到有机半导体薄膜晶体管。源电极和漏电极的厚度均为50nm。

使用吉时利4200半导体特性测试仪所得有机半导体薄膜晶体管进行电学测试，发现该器件有很好的场效应特性。在栅极电压为2v，源漏电压为2v的条件下，其饱和电流为7.3×10^-2微安。

实施例5

一种有机半导体薄膜晶体管的制备，包括以下步骤：

步骤1：选择ito玻璃作为衬底，玻璃上的ito薄膜作为栅电极层。ito玻璃依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声10min，并用氮气吹干，然后在臭氧清洗机中对ito薄膜清洗20min。

步骤2：将有机半导体材料酞菁、绝缘聚合物聚苯醚溶解在二硫化碳中，形成前驱体混合溶液。前驱体混合溶液的浓度为6mg/ml，其中有机半导体材料酞菁与绝缘聚合物聚苯醚的质量比为10:100。把配制好的前驱体混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌，在60℃条件下搅拌2h。

步骤3：前驱体混合溶液配制完成后，使用匀胶机在ito玻璃上旋凃薄膜，旋凃速度为2000rpm，旋涂50s。由于不同组分的表面能和表面亲润性并不相同，旋涂薄膜沿垂直方向发生相分离。绝缘聚合物位于旋涂薄膜底部并和ito薄膜接触，形成绝缘层，有机半导体材料位于绝缘聚合物顶部，形成有源层。

步骤4：对旋凃薄膜进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为2h。

步骤5：最后使用金属掩膜板在有源层上蒸镀au电极，形成源电极和漏电极，即得到有机半导体薄膜晶体管。源电极和漏电极的厚度均为40nm。

使用吉时利4200半导体特性测试仪对所得有机半导体薄膜晶体管进行电学测试，发现该器件具有较好的场效应特性，在栅极电压为2v，源漏电压为2v的条件下，其饱和电流为2.8×10^-1微安。

实施例6

一种有机半导体薄膜晶体管的制备，包括以下步骤：

步骤1：选择导电硅片作为衬底，同时也作为器件的栅电极层。导电硅片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声10min，并用氮气吹干，然后在臭氧清洗机中对硅片清洗20min。

步骤2：将有机半导体材料p3ht、绝缘聚合物聚乳酸溶解在氯仿中，形成前驱体混合溶液。前驱体混合溶液的浓度为7mg/ml，其中有机半导体材料p3ht与绝缘聚合物聚乳酸的质量比为20:100。把配制好的前驱体混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌，在室温条件下搅拌2h。

步骤3：前驱体混合溶液配制完成后，使用匀胶机在硅片旋凃薄膜，旋凃速度为3000rpm，旋涂30s。由于不同组分的表面能和表面亲润性并不相同，旋涂薄膜沿垂直方向发生相分离。绝缘聚合物聚乳酸位于旋涂薄膜底部并和硅片接触，形成绝缘层，有机半导体p3ht位于绝缘聚合物顶部，形成有源层。

步骤4：对旋凃薄膜进行干燥处理，干燥温度为70℃，干燥时间为3h。

步骤5：最后使用金属掩膜板在有源层上蒸镀au，形成形成源电极和漏电极，即得到有机半导体薄膜晶体管。源电极和漏电极的厚度均为50nm。

使用吉时利4200半导体特性测试仪对所得有机半导体薄膜晶体管进行电学测试，发现该器件有很好的场效应特性。在栅极电压为2v，源漏电压为2v的条件下，其饱和电流为7.7×10^-2微安。

以上所述之实施例，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理及工艺条件所做的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。