一种通过钝化聚合物晶体管界面提高有机晶体管迁移率的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过钝化聚合物晶体管界面提高有机晶体管迁移率的方法。首先将四氯化铪（HfCl4）溶于去离子水（DI），并将其旋涂于P+掺杂的硅片上，以低温热退火的工艺形成氧化铪（HfO2）薄膜；之后将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于乙酸丁酯（NBA），旋涂在HfO2薄膜表面，以低温热退火的方式形成很薄的PMMA薄膜，来对HfO2的表面进行钝化，从而减小有机场效应晶体管（OFETs）的回滞，提高OFETs的场效应迁移率。该HfO2薄膜的溶液相工艺操作简单，可在大气环境下进行处理，制备成本低，可适用于大规模的成产，对柔性、可便携电子设备的应用有很好的前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种通过钝化聚合物晶体管界面提高有机晶体管迁移率的方法


[0001]本专利技术涉及一种通过钝化聚合物晶体管界面提高有机晶体管迁移率的方法，属于电子材料


技术介绍

[0002]随着技术的进步，电子设备逐渐的向柔性可便携的方向发展，但目前这些柔性设备的价格昂贵，这就需要开发出一种便于大规模生产的、可商业化的有机晶体管。尤其是为了满足可便携设备的要求，就需要降低有机晶体管的阈值电压来降低产品的功耗。降低晶体管的工作电压通常是降低介质层厚度或者提高介质层的介电常数，而对于传统的二氧化硅材料而言，其介电常数相对较低，且该材料已经达到了基本材料的极限，不能再继续减小其厚度；这就需要引入一些新的高介电常数(high
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k)的材料来代替二氧化硅。
[0003]传统的high
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k无机金属氧化物包括氧化锆(ZrO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)，氧化铪(HfO2)和氧化铝(Al2O3)，它们通常应用于无机器件，少量应用于有机器件。其中HfO2由于有很大的介电常数，且带隙较大，是一种有前途的材料。然而，大多数的high
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k的无机金属氧化物薄膜通常使用的是通过在真空系统下以溅射或电子束蒸发沉积的，这就导致了工艺的复杂度很高，且成本过大，难以大规模制备。溶液相工艺的方式避免了这些问题，它能够在大气环境下制备，且成本低、工艺要求低，因此为了降低制备的复杂度，这里使用溶液相的工艺来制备HfO2薄膜。通常HfO2的溶液是基于乙腈或乙醇等有机溶剂，但是在制备HfO2薄膜时通常需要300℃左右的高温退火，不满足有机晶体管低温热退火的要求(见Yoo,Y.B.et al.Solution
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processed high
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k HfO2gate dielectric processed under softening temperature of polymer substrates.Journal of Materials Chemistry C 1,doi:10.1039/c2tc00481j(2013).)。
[0004]high
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k材料作为栅介质层会存在一些问题，表现在high
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k介质材料会在有机半导体/电介质界面上形成偶极子无序，导致陷阱态密度的展宽，从而使有机器件的迁移率降低，而且器件有很大的回滞。这就说明了直接使用high
‑
k材料作为有机晶体管的栅介质有很大的局限性，不能够提高器件的性能。(见Veres,J.,Ogier,S.D.,Leeming,S.W.,Cupertino,D.C.&Mohialdin Khaffaf,S.Low
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k Insulators as the Choice of Dielectrics in Organic Field
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Effect Transistors.Advanced Functional Materials 13,199
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204,doi:10.1002/adfm.200390030(2003).

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种通过钝化聚合物晶体管界面提高有机晶体管迁移率的方法，减小有机半导体/栅介质界面之间的缺陷，提高有机晶体管的迁移率，减小回滞。该方法使用很薄的聚甲基丙烯酸甲酯对氧化铪进行钝化，提高了器件的迁移率。重要的是氧化铪薄膜是在大气环境下进行制备的，这减小了工艺复杂度，保证了其能够进行大规模的
制备，这在柔性、可便携电子设备有很大的应用前景。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种通过钝化聚合物晶体管界面提高有机晶体管迁移率的方法，包括如下步骤：
[0008]1)在大气环境下，以溶液相的方式来制备氧化铪栅介质薄膜，具体过程为将四氯化铪HfCl4作为溶质，去离子水作为溶剂，即将四氯化铪HfCl4溶于去离子水DI，制备得到HfO2前体溶液，在大气环境下，将其旋涂于P+掺杂的硅片上，以低温热退火的工艺形成氧化铪HfO2薄膜；
[0009]2)使用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为溶质，乙酸丁酯NBA作为溶剂，即将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶于乙酸丁酯NBA，在氮气环境下，将其旋涂于HfO2薄膜的表面，以低温热退火的方式形成很薄的PMMA薄膜，来对HfO2薄膜的表面进行钝化；
[0010]3)用步骤2)制备的使用PMMA钝化的HfO2薄膜来制备p型底栅顶接触的有机场效应晶体管；
[0011]所述的步骤1)中，四氯化铪HfCl4与去离子水用量比为32.03mg：1ml；
[0012]所述的步骤2)中，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与乙酸丁酯NBA用量比为0.2mg：1ml。
[0013]进一步地，所述的步骤1)中形成的HfO2薄膜厚度在90nm左右，可以为90nm
±
5nm；所述的步骤2)中形成的PMMA薄膜厚度在10nm左右，可以为10nm
±
4nm。
[0014]专利技术人发现，通过使用超薄的PMMA薄膜对HfO2栅介质层进行钝化，能够在不影响栅介质层的介电常数的情况下，减少表面缺陷、回滞，增强表面平整度。
[0015]进一步地，所述的步骤1)中，为了使四氯化铪HfCl4能够彻底溶解并与去离子水反应，将四氯化铪HfCl4溶于去离子水DI后，需要在通风橱内将溶液快速搅拌6h，速度为1500rpm，然后在通风橱内固化12h，再用于进行旋涂。
[0016]专利技术人发现，若搅拌时间较短，形成的HfO2薄膜就会有很多细小的结晶，薄膜表面均匀性较差；由于固化时间越长，回滞越小，因此为了降低回滞的数量级，要将搅拌后的溶液放在通风橱内固化12h。
[0017]进一步地，所述的步骤1)中，为了形成均匀的HfO2薄膜，要将溶液以3000rpm的速度在硅片上旋涂30s。
[0018]专利技术人发现，若转速远低于3000rpm，形成的HfO2表面会非常不均匀且存在结晶。
[0019]进一步地，所述的步骤1)中，为了减少硅片上的水溶剂，并固化HfO2薄膜，需要将硅片在150℃下预退火3min。
[0020]进一步地，所述的步骤1)中，旋涂并预退火多次，旋涂工艺具体为在大气环境下，将溶液以3000rpm的速度在硅片上旋涂30s，预退火方式为在150℃下预退火3min，并且在每次旋涂之前，都使用U/V ozone清洗15min，最后在150℃下退火1h，形成HfO2薄膜。
[0021]专利技术人发现，使用U/V ozone清洗15min可以提高表面的亲水性，以便形成更好的HfO2薄膜。
[0022]进一步地，所述的步骤2)中，为了对形成的HfO2薄膜表面进行钝化，并且保证PMMA薄膜的厚度仅仅起到修饰作用，需要使PMMA的厚度很薄且均匀，因此要将低浓度的PMMA/NBA溶液以500rpm的速度预旋涂3s，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
与去离子水用量比为32.03mg：1ml，在通风橱内将溶液快速搅拌6h，速度为1500rpm，然后在通风橱内固化12h；在大气环境下，将溶液旋涂在硅片上，然后在150℃下预退火3min，之后将其使用U/V ozone清洗15min；然后继续旋涂、预退火和U/V清洗，重复操作9次；最后在150℃下退火1h，形成HfO2薄膜；形成的HfO2薄膜厚度在90nm
±
5nm；所述的旋涂工艺具体为在大气环境下，将溶液以3000rpm的速度在硅片上旋涂30s；4）制备PMMA钝化层：首先将PMMA溶于NBA，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与乙酸丁酯NBA用量比为0.2mg：1ml，然后将溶液在80℃下加热12h；然后将HfO2薄膜使用U/V ozone清洗15min；然后将制备HfO2薄膜的硅片放入手套箱内，并在HfO2薄膜的表面旋涂PMMA，接着使用低温热退火工艺制备PMMA钝化层，形成的PMMA薄膜厚度在10nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙华斌，魏中晴，陈赓，丁佳瀚，徐勇，陈子龙，于志浩，吴洁，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：