一种全固态有机电化学光晶体管及其制备方法与流程

本发明属于电子材料及器件技术领域，涉及一种全固态有机电化学光晶体管及其制备方法。

背景技术：

有机场效应光晶体管已经得到了广泛的关注，然而其光电特性的改善主要集中在有源层材料的优化，包括：n/p型半导体材料共混，n/p型半导体材料层异质结等。事实上，有机场效应光晶体管性能的提高受限于有机半导体材料的迁移率，更重要的是场效应晶体管低跨导的本质。同时，大多数有机场效应光晶体管的工作电压高于10v，产生较大的功耗并且也不利于集成到可穿戴设备中，限制了其应用范围。

同样属于薄膜晶体管之一的电化学晶体管，由于其电荷与离子的耦合效应发生在整个有源层沟道里，从而产生了较大的体电容及随之而来的高跨导特性。同时，其在较低的操作电压（通常低于1v）就可实现较大的体电荷密度调控。但目前所有的电化学晶体管采用液态电解质，工艺过程较为复杂，并且液态电解质易挥发的特性，不仅造成器件性能的不稳定，而且很难集成到现有固态的电子器件中，这些严重影响了电化学晶体管的应用范围。目前，关于结合高跨导的电化学晶体管制备全固态的有机电化学光晶体管的研究尚无报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全固态有机电化学光晶体管及其制备方法，以提高光探测器的光电性能及固态电化学晶体管的应用范围。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种全固态有机电化学光晶体管，所述有机电化学光晶体管为底栅平面结构，从下往上依次为基底、固态电解质层、有源层、源漏电极和吸光层，所述基底为高掺杂硅片，该硅片既为衬底又为栅极，所述固态电解质层为聚合物离子凝胶电解质，所述有源层为聚合物导体材料，所述吸光层为有机光敏半导体材料。

进一步地，所述聚合物离子凝胶电解质是将聚丙烯腈和双三氟甲基磺酰亚胺锂共混物溶于碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶剂制得的，其中聚丙烯腈：双三氟甲基磺酰亚胺锂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯酯质量比为14.1:3.9:41:41，所述固态电解质层的厚度为2-3μm。

进一步地，所述聚合物导体材料为pedot:pss或p3ht，所述有源层是通过旋涂工艺沉积制成，其厚度为100-600nm。

进一步地，所述源漏电极层所用材料为金、铝或银，其厚度为50-100nm。

进一步地，所述吸光层的厚度为50-120nm，所述有机光敏半导体材料包括j71:itic、dts:pcbm。

上述全固态有机电化学光晶体管的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）在以高掺杂硅片为基底上通过旋涂或刮涂工艺沉积聚合物离子凝胶电解质并退火，得到固态电解质层；

（2）在步骤（1）得到的电解质层上通过旋涂工艺旋涂聚合物导体材料，制得有源层；

（3）在步骤（2）得到的有源层上通过热蒸发工艺并利用掩膜版蒸镀源漏电极制得源漏电极；

（4）在步骤（3）得到的有源层上通过旋涂工艺旋涂有机光敏半导体材料，制得吸光层，即得到全固态有机电化学光晶体管。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明是通过离子凝胶制备固态电解质层，从而实现全固态的有机电化学晶体管，同时获得电化学晶体管高跨导及体传输的特性，使基于有机电化学晶体管的光探测器展示出极佳的光响应r和探测率d。本发明中所采用的离子凝胶制备方法及刮涂、旋涂工艺方法所制备的固态有机电化学光晶体管，操作简单，成本低，有利于推广运用，具备显著的经济和社会效益，且得到的有机电化学光晶体管在可见光探测器中具有出色的光电性能。

附图说明

图1为本发明的全固态有机电化学光晶体管结构示意图；

图2为本发明的全固态有机电化学光晶体管的三维结构及加光源设备的示意图；

图3为实施例1制备的有机电化学光晶体管在不同波长光照情况下的转移特性曲线；

图4为实施例1制备的金属氧化物光晶体管在不同波长光照（vds=-0.5v,p=10μw/cm²）情况下所获得的光响应（r）和探测率（d）；

图中：100-基底、110-固态电解质层、120-有源层、130-源漏电极、140-吸光层、150-光源。

具体实施方式

本发明的全固态有机电化学光晶体管结构如图1所示，从下往上依次为基底100、固态电解质层110、有源层120、源漏电极130和吸光层140，所述基底100为高掺杂硅片，该硅片既为衬底又为栅极，所述固态电解质层110为聚合物离子凝胶电解质，所述有源层120为聚合物导体材料，所述吸光层140为有机光敏半导体材料。

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。

实施例1

1）将已割好1.5cm×1.5cm尺寸，重掺杂p型硅片，经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）清洗，再用氮气吹干后得到干净的硅片做基底。

2）制备离子凝胶电解质：将聚丙烯腈、双三氟甲基磺酰亚胺锂、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯按质量比为14.1:3.9:41:41混合并使用90℃水浴加热并搅拌至澄清、透明的胶状凝胶态；

3）使用注射器将步骤2）制备的电解质凝胶铺满硅片，然后用低速500rpm（5s），高速3500rpm（45s）的旋涂转数使溶液在硅片形成均匀的膜，再将硅片移入真空干燥箱120℃退火10h形成2μm的电解质层。

4）将pedot:pss的分散液使用1000rpm（60s）的转数旋涂制备有源层，后在120℃条件下退火1h,膜厚约为200nm。

5）采用热蒸发的方式利用专用掩膜版在步骤4）所得的硅片上蒸镀出沟道长30μm宽1000μm的50nm厚源漏电极。

6）在步骤5）的基础上将j71:itic（1:1）18mg/ml溶解在三氯甲烷中，使用1500rpm（60s）的旋涂转数制备光吸收层，后在150℃条件下退火10min。

实施例2

1）将已割好1.5cm×1.5cm尺寸，重掺杂p型硅片，经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）清洗，再用氮气吹干后得到干净的硅片做基底。

2）制备离子凝胶电解质：将聚丙烯腈、双三氟甲基磺酰亚胺锂、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯按质量比为14.1:3.9:41:41混合并使用90℃水浴加热并搅拌至澄清、透明的胶状凝胶态；

3）使用注射器将步骤2）制备的电解质铺在刮刀与硅片交界边缘处，刮刀与硅衬底距离为200μm，刮涂速度为20mm/s，形成均匀薄膜后移入真空干燥箱120℃退火10h。

4）在步骤3）基础上将pedot:pss的分散液铺在刮刀与硅片交界边缘处，刮刀与硅衬底距离为100μm，刮涂速度为20mm/s，后在120℃条件下退火1h,膜厚约为300-400nm。

5）采用热蒸发的方式利用专用掩膜版在步骤4）所得的硅片上蒸镀出沟道长30μm宽1000μm的50nm厚源漏电极。

6）在步骤5）的基础上将j71:itic（1:1）18mg/ml溶解在三氯甲烷中，使用1500rpm（60s）的旋涂转数制备光吸收层，后在150℃条件下退火10min。

实施例1制备的一种全固态有机电化学光晶体管在不同波长光照条件下转移特性曲线如图3所示，光响应r和探测率d如图4所示。由图3可知，平面结构有机电化学光晶体管的光电流变化明显。由图4可知平面结构有机电化学光晶体管的最大光响应（r）超过6.7×10⁵aw⁻¹和最大探测率(d)超过9.7×10¹⁴jones。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。