CN105470389A - 一种三维结构的柔性有机场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种柔性有机三维结构场效应晶体管，其结构如图1所示，包括第一源电极(101)、第二源电极(102)、第一漏电极(201)、第二漏电极(202)、电极延伸层(203)、第一有机半导体层(301)、第二有机半导体层(302)、第一绝缘层(401)、第二绝缘层(402)、栅电极(5)、柔性衬底(6)。由于平面结构的场效应在降低沟道长度上受到了限制，我们采用垂直沟道制备的有机场效应晶体管，这种结构的长效应晶体管沟道长度是由有机半导体层厚度决定的，而有机半导体层是采用蒸发的技术制备而成，这种方式形成的薄膜均匀性好，厚度最小能达到几个纳米，由于沟道长度的大幅度降低，源漏电流可以明显的得到提高。
Description
【技术领域】
本发明属于有机半导体器件领域，特别是涉及一种三维结构的柔性有机场效应晶体管。
【背景技术】
随着对传统OFETs研究的深入，在功能化、集成化、溶液化等方面应用的研究已经有了很大的发展，并成为当前有机电子学/分子电子学研究的一个前沿热点，与无机材料相比，有机材料在低价、大面积、柔性电路中具有很多固有的优势.例如，其成膜工艺简单，材料种类多，与柔性衬底相容，尺寸小量轻，成本低廉，很容易用旋涂和蘸涂技术进行大面积制备各种柔性器件和电路等.此外，对于有机半导体材料，人们可以通过改变分子结构很容易地实现对器件性能的调控，从而可以根据器件的应用要求来设计有机半导体材料.低成本、大面积柔性显示、柔性传感器等领域的大规模产业化生产，其前景非常广阔。主要应用有：柔性显示驱动、电子报纸、人体传感器、有源矩阵电路、低成本全打印柔性射频标签、商业化柔性射频标签等。
传统的有机场效应晶体管的主要包括顶栅和底栅两种结构，其中顶栅又包括底接触型和顶接触型两种，底栅又包括底接触型和顶接触型两种，由于OTFT有机材料本身的特性，有机场效应晶体管一般采用底栅结构。所谓顶接触就是源漏电极在顶部、栅极在底部，而底接触是源漏电极在底部、栅极在顶部。顶接触型OTFT的主要特点是，源漏极远离衬底，有机半导体层和绝缘层直接相连，在制作的过程中可以采取对绝缘层的修饰改变半导体的成膜结构和形貌，从而提高器件的载流子迁移率，同时该结构中半导体层受栅极电场影响的面积大于源漏在底部的器件结构，因此具有较高的载流子迁移率；底接触型OTFT的主要特点是有机半导体层蒸镀于源漏电极之上，且源漏电极在底的器件结构可以通过光刻方法一次性制备栅极和源漏电极，工艺制备上可以实现简化，而且对于有机传感器来说，需要半导体层无覆盖地暴露在测试环境中，此时源漏电极在底的器件结构就具有比较大的优势。
但是，现有平面结构的有机场效应晶体管由于许多原因会导致性能的局限性，例如受到光刻技术的限制，沟道长度继续降低十分困难，加上有机场效应晶体管本身具有低迁移率的特点，导致了输出电流较低、工作电压较高，工作频率较低；从器件层面上提高输出电流的主要有两种方法即提高迁移率和降低沟道宽度；在沟道长度方面，由于平面结构的场效应在降低沟道长度上受到了限制，我们采用垂直沟道制备的有机场效应晶体管，这种结构的场效应晶体管沟道长度是由有机半导体层厚度决定的，而有机半导体层是采用蒸发的技术制备而成，这种方式形成的薄膜均匀性好，厚度最小能达到几个纳米，由于沟道长度的大幅度降低，源漏电流可以明显的得到提高，这种沟道长度在水平沟道的场效应晶体管中很难实现。在大规模，高集成度的电路中，单层的器件是不能满足所需要求的，由于有机器件的厚度都很薄，在实际电路应用中通常将多层器件叠加，这样节约空间，提高集成度；垂直沟道的有机场效应晶体管的另一个重要特点在于其可以作为层与层之间的连接器件，将二维的电路扩展到了三维的空间结构。综上所述，垂直沟道的场效应晶体管在未来有机集成电路中是必不可少的，本发明对有机场效应晶体管电路的真正实现具有重要的意义。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种柔性有机三维结构场效应晶体管。
本发明提供的一种柔性有机三维结构场效应晶体管，其结构如图1所示，包括第一源电极(101)、第二源电极(102)、第一漏电极(201)、第二漏电极(202)、电极延伸层(203)、第一有机半导体层(301)、第二有机半导体层(302)、第一绝缘层(401)、第二绝缘层(402)、栅电极(5)、柔性衬底(6)；
其中：柔性衬底、栅电极、第二绝缘层依次叠加组成，电极延伸层和第二漏电极分别位于第二绝缘层上方两侧，且电极延伸层和第二漏电极相连接；第二有机半导体层和第二源电极依次位于第二漏电极上方，且第二有机半导体层和第二源电极的宽度与第二漏电极相同；第一绝缘层覆盖在电极延伸层、第二有机半导体层和第二源电极上方；第一有机半导体层位于第一绝缘层上方，第一源电极和第一漏电极分别位于第一有机半导体层上方两侧。构成第二源电极为网格状金属金，构成电极延伸层的材料为金属金。构成第一源电极、第一漏电极、第二漏电极的材料为金属铝，构成第一有机半导体层、第二有机半导体层的材料为酞箐铜、并五苯、P3HT中的一种或多种，构成第一绝缘层、第二绝缘层的材料为PVA，构成栅电极的材料为ITO，构成柔性衬底的材料为苯二甲酸乙二酯(PET)或聚酰亚胺(PI)；第一有机半导体层、第一源电极和第一漏电极整体面积小于或等于第二源电极。
本发明提供的制备上述一种柔性有机三维结构场效应晶体管方法，包括如下步骤：
(1)将柔性衬底依次放入乙醇、丙酮、去离子水溶液中超声清洗10min，清洗过后用氮气吹干；
(2)在柔性衬底上制备第二绝缘层，采用的工艺为旋涂，将配好浓度为20wt％PVA水溶液旋涂，转速为4000rpm，旋涂好的PVA放在365nm波长(8W)紫外光下照射10min，并放在200℃的真空干燥箱中交联2小时，然后在60℃下退火30min；
(3)在第二绝缘层上制备第二源电极和电极延伸层，采用光刻工艺在第二绝缘层上制备一层网格状牺牲层，再通过真空热蒸镀制备一层金属金，控制蒸发速率和时间使得蒸发上的金属金厚度小于网格状牺牲层厚度，通过释放牺牲层形成网格状金属金；电极延伸层通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备；
(4)在制备好的第二源电极和电极延伸层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第二有机半导体层，真空度为10-6帕斯卡以下；
(5)在制备好的第二有机半导体层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第二漏电极；
(6)在制备好的第二漏电极上制备第一绝缘层，采用的工艺为旋涂，转速为4000rpm，旋涂好的PVA在150℃真空干燥箱中退火两小时；
(7)在制备好的第一绝缘层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第一有机半导体层，真空度为10-6帕斯卡以下；
(8)在制备好的第一有机半导体层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第一源电极和第一漏电极；
本发明的技术分析：
在沟道长度方面，由于平面结构的场效应晶体管在降低沟道长度上受到了限制，我们采用垂直沟道制备有机场效应晶体管，这种结构的场效应晶体管沟道长度是由有机半导体层厚度决定的，而有机半导体层是采用蒸发技术制备而成，这种方式形成的薄膜均匀性好，厚度最小能达到几个纳米，由于沟道长度的大幅度降低，源漏电流可以明显的得到提高；同时三维结构的有机场效应晶体管可以将上下两层互联，且采用同一栅电极控制，在实际应用中可以控制不同两层器件，具有重要应用意义。
【附图说明】
图1为本发明提供的一种三维结构的柔性有机场效应晶体管的结构示意图。
图中，101为第一源电极、102为第二源电极、201为第一漏电极、202为第二漏电极、203为电极延伸层、301为第一有机半导体层、302为第二有机半导体层、401为第一绝缘层、402为第二绝缘层、5为栅电极、6为柔性衬底。
图2为本发明明提供的一种三维结构的柔性有机场效应晶体管中，由第二漏电极(202)、第二有机半导体层(302)、第二源电极(102)、第二绝缘层(402)、栅电极(5)组成的垂直沟道部分的工作原理。
图中，202为第二漏电极、302为第二有机半导体层、102为第二源电极、402为第二绝缘层、5为栅电极。
【具体实施方式】
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
如图2所示，垂直沟道的有机场效应晶体管工作原理，由于选取的有机半导体材料为P型，漏源电压为负，在不施加栅压时，有机半导体内仅存少量的空穴载流子，在源漏电压增大时，由于载流子数量极少，输出电流极小；当施加负栅极电压时，源极和栅极组成电容结构，源极采用的网状结构可以使部分积累的空穴电荷存在于有机半导体层内，导致有机半导体层中的载流子数目增加，输出电流增大。
本实施例按照下述步骤制备一种三维结构的柔性有机场效应晶体管：
1)将柔性衬底依次放入乙醇、丙酮、去离子水溶液中超声清洗10min，清洗过后用氮气吹干；
2)柔性衬底上制备第二绝缘层，采用的工艺为旋涂，将配好浓度为20wt％PVA水溶液旋涂，转速为4000rpm，旋涂好的PVA放在365nm波长(8W)紫外光下照射10min，并放在200℃的真空干燥箱中交联2小时，然后在60℃下退火30min；
3)在第二绝缘层上制备第二源电极和电极延伸层，采用光刻工艺在第二绝缘层上制备一层网格状牺牲层，再通过真空热蒸镀制备一层金属金，控制蒸发速率和时间使得蒸发上的金属金厚度小于网格状牺牲层厚度，通过释放牺牲层形成网格状金属金；电极延伸层通过掩膜版采用真空热蒸镀的方式制备；
4)在制备好的第二源电极和电极延伸层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第二有机半导体层，真空度为10-6帕斯卡以下；
5)在制备好的第二有机半导体层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第二漏电极；
6)在制备好的第二漏电极上制备第一绝缘层，采用的工艺为旋涂，将配好浓度为20wt％PVA水溶液旋涂，转速为4000rpm，旋涂好的PVA在150℃真空干燥箱中退火两小时；
7)在制备好的第一绝缘层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第一有机半导体层，真空度为10-6帕斯卡以下；
8)在制备好的第一有机半导体层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第一源电极和第一漏电极。
Claims (10)
1.一种三维结构的柔性有机场效应晶体管，其特征在于，包括第一源电极(101)、第二源电极(102)、第一漏电极(201)、第二漏电极(202)、电极延伸层(203)、第一有机半导体层(301)、第二有机半导体层(302)、第一绝缘层(401)、第二绝缘层(402)、栅电极(5)、柔性衬底(6)；
其中：柔性衬底、栅电极、第二绝缘层依次叠加组成，电极延伸层和第二漏电极分别位于第二绝缘层上方两侧，且电极延伸层和第二漏电极相连接；第二有机半导体层和第二源电极依次位于第二漏电极上方，且第二有机半导体层和第二源电极的宽度与第二漏电极相同；第一绝缘层覆盖在电极延伸层、第二有机半导体层和第二源电极上方；第一有机半导体层位于第一绝缘层上方，第一源电极和第一漏电极分别位于第一有机半导体层上方两侧。
2.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的第二源电极为网格状金属金。
3.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的电极延伸层的材料为金属金。
4.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的第一源电极、第一漏电极、第二漏电极的材料为金属铝。
5.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的第一有机半导体层、第二有机半导体层的材料为酞箐铜、并五苯、P3HT中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的第一绝缘层、第二绝缘层的材料为PVA。
7.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的栅电极的材料为ITO。
8.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的柔性衬底的材料为苯二甲酸乙二酯(PET)或聚酰亚胺(PI)。
9.根据权利要求1所述的一种三维结构的有机柔性场效应晶体管，其特征在于，所述的第一有机半导体层、第一源电极和第一漏电极整体面积小于或等于第二源电极。
10.一种制作柔性有机三维结构场效应晶体管的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将柔性衬底依次放入乙醇、丙酮、去离子水溶液中超声清洗10min，清洗过后用氮气吹干；
(2)在柔性衬底上制备第二绝缘层，采用的工艺为旋涂，转速为4000rpm，旋涂好的PVA放在365nm波长(8W)紫外光下照射10min，并放在200℃的真空干燥箱中交联2小时，然后在60℃下退火30min：
(3)在第二绝缘层上制备第二源电极和电极延伸层，采用光刻工艺在第二绝缘层上制备一层网格状牺牲层，再通过真空热蒸镀制备一层金属金，控制蒸发速率和时间使得蒸发上的金属金厚度小于网格状牺牲层厚度，通过释放牺牲层形成网格状金属金；电极延伸层通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备；
(4)在制备好的第二源电极和电极延伸层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第二有机半导体层，真空度为10-6帕斯卡以下；
(5)在制备好的第二有机半导体层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第二漏电极；
(6)在制备好的第二漏电极上制备第一绝缘层，采用的工艺为旋涂，转速为4000rpm，旋涂好的PVA在150℃真空干燥箱中退火两小时；
(7)在制备好的第一绝缘层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第一有机半导体层，真空度为10-6帕斯卡以下；
(8)在制备好的第一有机半导体层上，通过掩膜版，采用真空热蒸镀的方式制备第一源电极和第一漏电极。
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