一种侧向异质绝缘层有机场效应晶体管及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种侧向异质绝缘层有机场效应晶体管及其制备方法与应用。所述侧向异质绝缘层OFET的制备方法包括如下步骤：在栅极上依次制备无机绝缘层和有机绝缘层；将金膜转移至有机绝缘层上，然后采用氧等离子体进行刻蚀；将未被所述金膜覆盖的有机绝缘层全部刻蚀掉后，转移金膜，得到有机绝缘层/无机绝缘层的异质绝缘层；在异质绝缘层上制备有机半导体层，有机半导体层连续地覆盖在异质绝缘层的交界处；在无机绝缘层和所述有机绝缘层上的有机半导体层上制备源漏电极，即得到侧向异质绝缘层OFET。与常规整流器件相比，本发明专利技术整流器件所耗原料少，普适性好；无需像PN结整流器挑选相应的相反类型半导体，也无需像肖特基整流器那样选择适配的金属材料。那样选择适配的金属材料。那样选择适配的金属材料。

【技术实现步骤摘要】
一种侧向异质绝缘层有机场效应晶体管及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种侧向异质绝缘层有机场效应晶体管及其制备方法与应用，属于有机场效应晶体管器件的


技术介绍

[0002]有机场效应晶体管(OFETs)是由栅极、绝缘层、有机半导体层和源、漏电极构成。绝大部分有机场效应晶体管的研究集中在半导体材料的开发上，但随着对有机场效应晶体管研究的不断开展和认识的不断加深，人们发现绝缘层材料对器件性能的影响也非常重要。因此研究绝缘层对电荷传输的影响是非常有必要的。研究发现OFET的电荷传输主要在最靠近绝缘层的几个分子层内，故绝缘层的种类以及绝缘层表面的性质会对OFETs的电学性能产生极大的影响。然而在大部分场效应器件研究中，绝缘层在平行于半导体方向上即侧向上是同质的。这是由于在制备侧向异质绝缘层的过程中，绝缘层交界处会不可避免地产生一个具有一定高度差的台阶，这就使得半导体在异质绝缘层上的搭建以及搭建后保持OFETs一定的电学性质变得异常困难。2019年M.IqbalBaktiUtama.et al等人通过物理转移的方法转移单分子层氮化硼制备出首个侧向异质绝缘层场效应晶体管。但由于不同绝缘层交界处的台阶只有一个单分子层的厚度，所以可以在绝缘层的交界处较为容易的构筑半导体材料。然而并不是所有绝缘层都能以物理转移地方法完成较薄厚度甚至单分子层厚度级别绝缘层的转移。基于此，我们专利技术了一种能适用于不同绝缘层种类和不同的台阶厚度的侧向异质绝缘层OFETs的方法，不仅保持了一定的电学性能，而且通过该方法实现了一定的整流效果。
[0003]有机半导体整流器件(交流电转直流电)在滤波和信号能量转换等方面有着重要的应用。传统整流器件的制备方法主要有两种：一种是制成PN结，利用P型半导体和N型半导体交接区域形成的内建电场实现电流的单向导通。另一种方法是使用不同功函数的金属电极，利用两电极与半导体间肖特基势垒大小的不同实现整流。但第一种制备方法至少需要两种半导体材料，且绝大部分有机N型材料在空气中不稳定，因此这种方法搭建成的整流器件使用寿命是比较短的。第二种制备方法除了需要两种不同功函数的金属材料外，此方法还需要根据不同半导体的能级结构找到适配的金属材料，如P型半导体的最高占据能级(HOMO)和N型半导体的最低未占据能级(LUMO)。因此设计一种所耗原料种类少，适配于不同半导体材料以及有一定整流效果的器件是非常有意义的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种侧向异质绝缘层有机场效应晶体管(OFETs)，以实现整流效果；其中侧向异质绝缘层中的一个绝缘层是耐氧等离子体刻蚀的无机绝缘层，另一个绝缘层是能被氧等离子体刻蚀的有机绝缘层。通过本专利技术方法，能够在2nm到500nm台阶的位置实现侧向双界面器件的搭建，并且光学显微镜图片、原子力显微镜图片和制备成的OFET器件的输出转移曲线表明，半导体没有损坏，且半导体本身能保持一定的电学性质和
整流特性。
[0005]本专利技术为制备不同侧向双绝缘层器件提供了普适的方法，从而为绝缘层对载流子传输的影响提供了一个器件基础；也为异质绝缘层整流器件的制备提供了新的方法；为研究绝缘层对电荷传输的影响提供了一个良好的平台，具有普适性好、操作简单以及成本低的优点。
[0006]本专利技术中的“侧向异质绝缘层”指的是与OFETs中参与导电的半导体层直接接触的绝缘层。
[0007]本专利技术所述OFET为底栅顶接触结构，导电栅极置于基底上或者基底本身就是栅极，然后依次搭建绝缘层，半导体层和源漏电极。
[0008]本专利技术提供的侧向异质绝缘层OFET的制备方法，包括如下步骤：
[0009]1)在栅极上依次制备无机绝缘层和有机绝缘层；
[0010]2)将金膜转移至所述有机绝缘层上，然后采用氧等离子体进行刻蚀；将未被所述金膜覆盖的所述有机绝缘层全部刻蚀掉后，转移所述金膜，得到有机绝缘层/无机绝缘层的异质绝缘层；
[0011]3)在所述异质绝缘层上制备有机半导体层，所述有机半导体层连续地覆盖在所述异质绝缘层的交界处；即要求每个绝缘层(有机绝缘层和无机绝缘层)上都有有机半导体；
[0012]4)在所述无机绝缘层和所述有机绝缘层上的所述有机半导体层上制备源漏电极，即得到侧向异质绝缘层OFET。
[0013]上述的制备方法中，步骤1)中，在基底上制备金属层作为所述栅极，或选择本身具有导电能力的金属作为所述栅极和基底；
[0014]所述基底为非柔性基底或柔性基底；
[0015]所述非柔性基底为石英、玻璃、掺杂硅或金属铝等；
[0016]所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。
[0017]上述的制备方法中，步骤1)中，所述无机绝缘层的材质可为二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)等所有不被氧刻蚀的材质，所制备的绝缘层的厚度和表面的性质基本上不受氧刻蚀影响。
[0018]上述的制备方法中，步骤1)中，所述有机绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、含氟聚合物(CYTOP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚对乙烯基苯酚(PVP)、聚酰亚胺(PI)、有机硅氧烷类(BCB)、偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物(P(VDF
‑
TrFE)、聚α
‑
甲基苯乙烯(PαMS)、聚异丁烯(PIB)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等能被氧等离子体刻蚀的有机绝缘层，由于几乎所有有机绝缘层都可以被氧等离子体刻蚀，故本专利技术方法基本适用于所有有机绝缘层；
[0019]可通过旋涂的方式制备所述有机绝缘层。
[0020]上述的制备方法中，步骤2)中，采用微操作技术转移所述金膜至所述有机绝缘层上；
[0021]采用物理转移的方法转移所述金膜。
[0022]上述的制备方法中，步骤2)中，采用氧等离子体刻蚀的方法刻蚀整个样品，由于氧等离子体可以氧化刻蚀有机绝缘层，无法刻蚀金属，因此在刻蚀一定时间后，金膜下的有机
绝缘层在金膜的保护下不会被刻蚀，而没有金膜的有机绝缘层将会全部被刻蚀掉；而无机绝缘层材料不会被刻蚀；可通过调整刻蚀时间达到全部刻蚀(有机绝缘层)的效果。
[0023]上述的制备方法中，步骤3)中，所述有机半导体层的材质为烷基取代苯并噻吩类化合物(如2,7
‑
二辛基[1]苯并噻吩[3,2
‑
b][1]苯并噻吩(C8
‑
BTBT))、烷基取代联噻吩类化合物(如α,ω
‑
二己基联六噻吩(DH6T)、α,ω
‑
二全氟己基联四噻吩(DFH4T)、2,2
’‑
3,7
‑
二
‑3‑
己基十一烷基
‑
2,6
‑
二氰代亚甲基
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种侧向异质绝缘层OFET的制备方法，包括如下步骤：1)在栅极上依次制备无机绝缘层和有机绝缘层；2)将金膜转移至所述有机绝缘层上，然后采用氧等离子体进行刻蚀；将未被所述金膜覆盖的所述有机绝缘层全部刻蚀掉后，转移所述金膜，得到有机绝缘层/无机绝缘层的异质绝缘层；3)在所述异质绝缘层上制备有机半导体层，所述有机半导体层连续地覆盖在所述异质绝缘层的交界处；4)在所述无机绝缘层和所述有机绝缘层上的所述有机半导体层上制备源漏电极，即得到侧向异质绝缘层OFET。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，在基底上制备金属层作为所述栅极，或选择本身具有导电能力的金属作为所述栅极和基底；所述基底为非柔性基底或柔性基底；所述非柔性基底为石英、玻璃、掺杂硅或金属铝；所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述无机绝缘层的材质为二氧化硅、氧化铝、氧化铪、二氧化钛或五氧化二钽。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述有机绝缘层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、含氟聚合物、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚对乙烯基苯酚、聚酰亚胺、有机硅氧烷类、偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物、聚α
‑
甲基苯乙烯、聚异丁烯、聚丙、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；通过旋涂的方式制备所述有机绝缘层。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用微操作技术转移所述金膜至所述有机绝缘层上；采用物理转移的方法转移所述金...

【专利技术属性】
技术研发人员：江浪，郁明，刘洁，朱丹蕾，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：