一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法

摘要

本发明公开了一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法，属于微电子材料及器件技术领域，所述制备方法包括：首先在衬底上方蒸镀形成源漏电极，继而通过旋涂的方式在其上方形成半导体层和介电层，然后通过蒸镀的方式在介电层上方形成栅极，本发明选用DPPT‑TT作半导体层，选用CYTOP作介电层，通过CYTOP介电层的最佳退火温度能在介电层和半导体层界面产生最多的偶极子数目，获得电学性能最优的有机晶体管器件。本申请所提供的基于氟化聚合物电介质的高性能有机场效应晶体管制备方法，在保证器件工作状态最佳的情况下，通过确认使用最佳介电层退火温度，优化了有机薄膜晶体管的迁移率、阈值电压和开关比。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子材料及器件技术领域，具体涉及一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法。

背景技术

随着半导体技术以及制备工艺的发展，半导体芯片的面积越来越小，市场对半导体器件的性能要求越来越高，如何提高器件的性能，减小器件的功耗成为了目前电子工艺界急需要解决的重要问题。

近年来，随着对输运机制的深入研究，发现场效应晶体管的性能和很多因素紧密相关，包括栅压、器件结构、温度、外界辐射等。迁移率是有机场效应晶体管的一个重要性能参数，其反映了电荷的输运能力，迁移率越高，电荷越容易在器件中传输，进而器件工作效率更高。有机场效应晶体管中影响迁移率的因素包括接触电阻、有机半导体/介电层界面处的粗糙度及偶极子、有机薄膜和栅电介质中的电荷俘获以及相关的库仑散射，其中对载流子的输运影响较大的当属半导体/电介质层界面的物理化学特性，这是因为在载流子在沟道输运的过程中，受介电/半导体层的界面处存在的大量陷阱、位错影响(载流子输运普遍分布在靠近界面的2-5个分子层)，使器件电学性能产生巨大差异，进而影响电路的功能和性能。

在文献Shin E S,Park W T,Kwon Y W,et al.Spontaneous Doping at thePolymer–Polymer Interface for High-Performance Organic Transistors[J].AcsApplied Materials&Interfaces,2019.中，发现含氟聚合物CYTOP与D-A共聚物DPPT-TT之间通过热退火会产生偶极子，半导体/电介质层界面在强C-F键的作用下，形成规则排列的偶极子层，极大的提高了空穴的积累，产生自掺杂效应，提高了沟道内空穴载流子的浓度，使得本征双极型的半导体材料转变为p型的单极型器件。这种自掺杂大大简化了单极性OFET的制造，提高了载流子迁移率，降低了关态电流和功耗，也提升了载流子输运性能。

在上述文献中，偶极子需在热退火等特殊条件下产生，但是对偶极子具体的产生机制，例如随退火温度变化，偶极子形成的变化趋势、器件性能，尤其是迁移率的提升条件，有待详尽的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法，通过CYTOP介电层的最佳退火温度能在介电层和半导体层界面产生最多的偶极子数目，从而获得电学性能最优的有机晶体管器件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：选择玻璃片作为衬底并清洗；

步骤S2：源漏电极的制备：在清洗后的衬底上真空蒸镀镍层和金层作为源漏电极，镍层与衬底直接接触，金层在镍层之上；

步骤S3：半导体层的制备：将全氟1-丁烯基乙烯基醚聚合物的原液，即CYTOP原液旋涂铺满在制备有源漏电极的衬底上，然后在200℃纯氮气环境下加热退火1h形成半导体层；

步骤S4：介电层的制备：将介电层溶液旋涂铺满在步骤S3得到的半导体层上方表面，在80-200℃下加热退火处理，形成介电层；

步骤S5：栅极的制备：利用不锈钢掩模版在步骤S4得到的介电层上方蒸镀铝层作为栅极。

进一步的，步骤S2中所制备得到的镍层的厚度为5nm，金层的厚度为38nm。

进一步的，所述步骤S3中，半导体溶液的配置方法如下：将半导体材料与高沸点的有机溶剂以5mg/ml的质量体积比进行配置；所述半导体材料为高分子量的有机共轭聚合物，所述高沸点的有机溶剂为二氯苯。

进一步的，所述有机共轭聚合物为1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物DPPT-TT。

进一步的，步骤S4中退火处理温度为100℃。

进一步的，所述步骤S2中，热蒸发电流为115A，蒸发速率为

进一步的，所述步骤S5中，热蒸发电流为130-170A，蒸发速率为

进一步的，步骤S5中蒸镀的铝层的厚度为80nm。

本发明提供的一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法，半导体层选用了D-A共聚物DPPT-TT，介电层选用了含氟聚合物CYTOP原液，由于含氟聚合物CYTOP与D-A共聚物DPPT-TT之间通过热退火会产生偶极子，这种偶极子极大的提高了空穴的积累，使得本征双极型的半导体材料转变为p型的单极型器件；进而通过CYTOP介电层的最佳退火温度能在介电层和半导体层界面产生最多的偶极子数目。通过固定半导体层的退火温度，并调整介电层的退火温度，研究了制备器件的主要性能参数，确定了顶栅底接触结构下最佳退火温度为100℃，通过该退火温度处理所获得的器件电学性能最优，如迁移率最高，开关比最大；与现有制备工艺相比，本发明在保证器件工作状态最佳的情况下，能确认可以使用的最佳介电层退火温度，优化有机薄膜晶体管的迁移率、阈值电压和开关比。

附图说明

图1为本发明的制备方法制得的有机薄膜晶体管的结构示意图；

图2为本发明实施例中不同退火温度下的饱和区转移特性曲线；

图3为本发明实施例中不同介电层退火温度下的有机薄膜晶体管的迁移率均值统计图；

图4为本发明实施例中不同介电层退火温度下的有机薄膜晶体管的阈值电压均值统计图；

图5为本发明实施例中不同介电层退火温度下的有机薄膜晶体管的开关比均值统计图。

附图标记

1、衬底；2、源漏电极；3、半导体层；4、介电层；5、栅极。

具体实施方式

为了相关技术领域人员更好的理解本发明专利的内容，下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的内容不限于下述的实例。

实施例1

如图1所示为本发明的一种基于氟化聚合物电介质的有机场效应晶体管制备方法制备得到的顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管，包括衬底1、源漏电极2、半导体层3、介电层4和金属栅极5；所述衬底1上方通过蒸镀的方式蒸镀形成器件的源漏电极2；继而在所述源漏电极2上方分别通过旋涂的方法形成半导体层3和介电层4，最后通过蒸镀的方式在介电层4上方蒸镀形成器件的金属栅极5。其具体制备过程如下：

1)半导体溶液配制：将1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)与二氯苯以5mg/ml的质量体积比进行配置，得到半导体溶液；将配置的溶液放在加热台上80℃静置溶解24小时。

2)选取大小约为1.5cm×1.5cm的玻璃片作为衬底1，将衬底1置于酒精、去离子水中分别超声20分钟，清洗一轮后再将衬底1置于酒精中超声20分钟，而后用氮气枪将其吹干；然后放在100℃加热台上加热15分钟，最后使用UV Ozone和等离子体清洗30分钟。

3)采用真空热蒸发的方式利用不锈钢掩膜版在衬底1上蒸镀出沟道长150μm、宽为1200μm的镍层和金层作为源漏电极2，蒸镀过程中，所采用的电流为115A，蒸镀速率控制在

4)半导体层3的制备：通过移液枪将上述配制好的半导体溶液在制备有源漏电极2的衬底1表面进行旋涂铺满，旋涂方法为：先在500rpm的转速下匀胶5秒，再在2000rpm的转速下匀胶60秒；旋涂完成后，将样品放在200℃的加热台上纯氮气环境下加热退火1h，形成半导体层3。

5)介电层4的制备：通过移液枪将CYTOP原液在半导体层3上方表面进行旋涂铺满，旋涂方法为：先在500rpm的转速下匀胶5秒，再在1500rpm的转速下匀胶60秒。旋涂完成后，将样品放在加热台上，将加热台的温度分别调至80℃、100℃、150℃、180℃、200℃，在纯氮气环境下加热退火2h，以确保成膜平整致密，形成介电层4。

6)采用真空热蒸发的方式利用不锈钢掩膜版在介电层4上方蒸镀形成厚度为80nm的铝层作为栅电极，蒸镀过程中电流为130-170A，速率控制在

相关性能测试

由图2可以看出，不同退火温度下的饱和区转移曲线都为单极P型，半导体层3与介电层4界面产生了偶极子，说明发生了自掺杂效应。对比图3、图4和图5可知，低场迁移率在退火温度为100℃时最大，这主要得益于半导体层3与介电层4界面产生的偶极子形成P掺杂，增加了空穴载流子密度，使得迁移率在退火温度为100℃时最大。本实施例所获得的有机场效应晶体管的开关比也符合随着退火温度增加，开关比先上升后降低的规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰、等同替换和改进等，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。图1是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。在本实施例中各层均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。