一种溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管及其制备方法

摘要

一种溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管，其包括：绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、源电极、漏电极、电极修饰材料和有机半导体层，其中，绝缘衬底位于有机薄膜晶体管的最底层，栅电极和栅极绝缘层自下而上地依次叠覆于该绝缘衬底之上，源电极和漏电极分离地位于栅极绝缘层之上，电极修饰材料分别包覆在该源电极和漏电极的表面上，有机半导体层覆盖在栅极绝缘层和电极修饰材料之上且位于有机薄膜晶体管的最顶层。本发明选择合适的材料体系和工艺，不受限于绝缘层的厚度和介电常数，通过降低器件的亚阈值摆幅来得到低电压(2V)的溶液法有机薄膜晶体管。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子器件，具体涉及一种溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管及其制备 方法，属于有机电子技术领域。

背景技术

溶液法有机薄膜晶体管由于其低成本、可低温制备、易于柔性和大面积集成等优点得到 了广泛的关注，在传感单元、射频标志识别标签、电子纸显示背板、医疗卫生等领域中已经 取得了实际应用。随着人们对于电子产品低成本和便携性日益增长的追求，溶液法有机薄膜 晶体管的发展势必会得到更大的推动和重视。

作为电路的基础元器件，有机薄膜晶体管的驱动电压对整个系统的功耗起着决定性的作 用。近些年来国内外的报导表明，溶液法有机薄膜晶体管的迁移率等各项指标都在不断提高， 但是工作电压通常都在数十伏以上。较高的工作电压限制了其得到更广泛的应用，因此，在 保证高性能的同时降低有机薄膜晶体管的工作电压具有很重要的意义。

目前用来降低有机薄膜晶体管工作电压的方法主要是减小绝缘层的厚度和增大绝缘层的 介电常数，但是由于溶液法工艺的特殊性，该两种方法都过度依赖于绝缘层性能的精确控制， 极大地限制了有机薄膜晶体管的实际应用及进一步发展。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种新型的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管，其 通过降低器件的亚阈值摆幅来得到低的工作电压。本发明的目的还在于提供相应的制备方法， 通过合理的工艺控制，使得器件工作在耗尽型沟道模式以及通过筛选合适的材料体系降低载 流子传输界面的陷阱来有效地降低器件的亚阈值摆幅，该方法具有更好的工艺兼容性和冗余 度，不依赖于绝缘层的厚度和介电常数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管，其包括：绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、 源电极、漏电极、电极修饰材料和有机半导体层，其中，绝缘衬底位于有机薄膜晶体管的最 底层，栅电极和栅极绝缘层自下而上地依次叠覆于该绝缘衬底之上，源电极和漏电极分离地 位于栅极绝缘层之上，电极修饰材料分别包覆在该源电极和漏电极的表面上，有机半导体层 覆盖在栅极绝缘层和电极修饰材料之上且位于有机薄膜晶体管的最顶层。

所述绝缘衬底为玻璃或塑料薄膜。

所述栅电极的材料为金、银、铜、铝或聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐导电有机 物。

所述栅极绝缘层为溶液法加工的含羟基的可紫外线交联的有机聚合物薄膜，并且不溶于 制备所述有机半导体层时所用到的溶剂。

所述源电极和漏电极的材料为金或银。

所述电极修饰材料为含巯基的化学单分子自组装薄膜。

所述有机半导体层为采用溶液法加工的有机小分子和绝缘聚合物的共混体。

本发明的另一技术方案为：

一种用于上述溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管的制备方法，其包括如下步骤：

第一步，采用喷墨印刷、丝网印刷、光刻或者使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀的方 法在绝缘衬底的上表面上制备栅电极；

第二步，采用旋涂或刮涂有机聚合物溶液在栅电极上成膜，然后进行紫外线交联和加热 烘干，在栅电极的上表面上制备栅极绝缘层；

第三步，采用喷墨印刷、丝网印刷、光刻或者使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀的方 法在栅极绝缘层的上表面上制备源电极和漏电极；

第四步，将所述源电极和漏电极浸涂在化学单分子自组装薄膜内一段时间后取出，分别 在源电极和漏电极表面修饰电极修饰材料；

第五步，采用旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法在栅极绝缘层和电极修饰材料之上形 成有机小分子和绝缘聚合物的共混体构成的薄膜，从而在栅极绝缘层和电极修饰材料的上表 面上制备有机半导体层，然后进行退火以改善有机半导体层的结晶。

所述的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管的制备方法，其所有步骤中，工艺的最高温 度不超过120℃。

本发明通过选择合适的材料体系和工艺，降低器件的亚阈值摆幅来取得低的工作电压， 不受限于绝缘层的厚度和介电常数，即，通过合理的工艺控制使得器件工作在耗尽型沟道模 式以及通过筛选合适的材料体系降低载流子传输界面的陷阱，有效地降低了器件的亚阈值摆 幅，从而得到低的工作电压。这种方法具有更好的工艺兼容性和冗余度，不依赖于绝缘层的 厚度和介电常数，进一步提高了有机薄膜晶体管的工艺可行性。

本发明所述的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管及其制备方法具有以下优点：

第一、通过降低器件的亚阈值摆幅来得到工作电压2V以内的有机薄膜晶体管，具有很 好的工艺兼容性和冗余度。

第二、底栅底接触结构的有机薄膜晶体管更容易用于电路集成，能够更好的与现有硅基 电子工艺兼容。

第三、上述所有工艺的最高温度不超过120摄氏度，能够很好的应用于柔性衬底。

第四、可采用全溶液法进行器件制备，极大地节约了成本。

图3给出了本发明经实验得到的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管的转移特性和输出 特性曲线，电学特性如下表所示：

 迁移率(cm²V^-1s^-1) 开关比(I_on/I_off)  阈值电压(V)   亚阈值摆幅(mV/decade)  1.42 10⁴-10⁵ -0.03V   110

从上表可以看出，通过本发明所述的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管有着非常出色 的电学性能，工作电压小于2V，其中亚阈值摆幅仅为110mV/decade，这在现阶段国内外报 导的有机薄膜晶体管中处于领先水平。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图。

图2A-图2E是本发明制备方法的流程示意图。

图3是本发明的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管的转移特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作一详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提给出 了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

如图1所示，本发明所述的溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管为底栅底接触结构，其 包括：绝缘衬底11、栅电极12、栅极绝缘层13、源电极14、漏电极15、电极修饰材料16 和有机半导体层17。

所述绝缘衬底11为玻璃或塑料薄膜等，其位于有机薄膜晶体管的最底层。

所述栅电极12和栅极绝缘层13自下而上地依次叠覆于所述绝缘衬底11之上；该栅电极 的12材料为金、银、铜或铝等导电金属，或者聚3，4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS)等导电有机物，通常厚度为几十纳米，；所述栅极绝缘层13为溶液法加工的 含羟基的可紫外线交联的有机聚合物薄膜，该有机聚合物薄膜不溶于制备所述有机半导体层 17时所用到的溶剂，该栅极绝缘层13的厚度一般为几百纳米。

所述源电极14和漏电极15分离地位于所述栅极绝缘层13之上，该源电极14和漏电极 15的材料为金或银等导电金属，通常厚度为几十纳米。

所述电极修饰材料16为含巯基的化学单分子自组装薄膜，其分别包覆在所述源电极14 和漏电极15的表面上，能够起到改善电极-半导体接触的作用。

所述有机半导体层17为采用溶液法加工的有机小分子和绝缘聚合物的共混体，其覆盖在 栅极绝缘层13和电极修饰材料16之上，并且位于有机薄膜晶体管的最顶层，该有机半导体 层17有助于器件工作在耗尽型沟道模式。

下面结合附图说明本发明所述的制备方法。

所述用于上述溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

第一步，在绝缘衬底11的上表面上制备栅电极12，见图2A。采用喷墨印刷、丝网印刷、 光刻或者使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀的方法。

第二步，在栅电极12的上表面上制备栅极绝缘层13，见图2B。采用旋涂或刮涂有机聚 合物溶液在栅电极12上成膜，然后进行紫外线交联和加热烘干溶剂形成栅极绝缘层13。

第三步，在栅极绝缘层13的上表面上分离地制备源电极14和漏电极15，见图2C。采 用喷墨印刷、丝网印刷、光刻或者使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀的方法。

第四步，在源电极14和漏电极15表面分别修饰电极修饰材料16，见图2D。将所述源 电极14和漏电极15浸涂在含巯基的化学单分子自组装薄膜内一段时间后取出。

第五步，在栅极绝缘层13和电极修饰材料16的上表面上制备有机半导体层17，见图2E。 采用旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法在栅极绝缘层13和电极修饰材料16之上形成有机 小分子和绝缘聚合物的共混体构成的薄膜，成膜后有机小分子和绝缘聚合物会发生相分离形 成很薄的有机半导体层17，然后进行退火以改善有机半导体层17的结晶，提高器件性能。

在上述溶液法低电压高性能有机薄膜晶体管的制备方法中，所有步骤的工艺的最高温度 不超过120℃。