一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管及其制備方法，包括襯底、柵電極、柵極絕緣層、具有光探測功能的有機層、源電極、漏電極，有機層與源電極、漏電極形成肖特基接觸，界面具很高的接觸勢壘，器件在無光照時即使存在柵壓和漏極電壓，仍能保持關斷，但是在外界光源的照射下，有機層處產(chǎn)生的激子在柵電場作用下，解離成電子和空穴，電子在源電極、漏電極處聚集，降低了有機層和源電極、漏電極的接觸勢壘，在漏極電壓下形成溝道電流。本發(fā)明由于在無光照時器件保持關斷，故能獲得高靈敏度的光響應，并且結(jié)構(gòu)簡單，且能獲得高的光靈敏度。
【專利說明】一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管及其制備方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及有機光電子器件【技術領域】，屬于傳感器應用領域，光敏有機半導體材料制成的光敏薄膜晶體管作為光照探測器單元，其陣列可實現(xiàn)體積小、重量輕的光照探測器和光控開關，本發(fā)明具體涉及一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)作為國家重大支持項目，其應用日益廣泛，對核心技術一傳感器技術的要求也是越來越高，其中有機薄膜傳感器以其低成本，制備工藝簡單，成膜方法眾多且與柔性基底相兼容等特點在近年來越來越受到人們的關注。
[0003]1998年，IBM公司用一種新型的具有更高介電常數(shù)(17.3)的無定形金屬氧化物鋯酸鋇作為以并五苯為有源層OTFT的絕緣層，使器件的驅(qū)動電壓降低了 4V，遷移率到達0.38 cm2/V.s。隨后就引起了大量研究人員進行的相關研究，據(jù)報道，迄今為止，基于并五苯單晶為有源層的OTFT器件的室溫下遷移率為現(xiàn)今最高的35 cm2/V.s,溫度為225K時已達到58 cm2/V.S0
[0004]使用有機半導 體材料的薄膜晶體管(OTFT)的開發(fā)在加速進行。使用有機材料，降低了工藝溫度。因此，預期可在大面積上廉價制作晶體管。有機薄膜晶體管可用做超薄顯示器和電子紙、射頻識別卡、IC卡等驅(qū)動電路。為使有機薄膜晶體管工作，在源電極接地，漏電極施加漏極電壓的條件下，對柵電極施加的電壓要超過閥值電壓。此時，有機薄膜晶體管的電導率因柵極電場而改變，使得電流在源電極與漏電極間流動。因此，作為開關，就可根據(jù)柵壓對源電極與漏電極間流動的電流進行通、斷控制。
[0005]在以上研究進行之時，研究人員又發(fā)現(xiàn)有機薄膜晶體管(OTFT)器件具有多參數(shù)響應的特性，這使得OTFT器件的應用范圍非常廣泛且具有許多無機薄膜晶體管無可比擬的優(yōu)勢。利用有機光敏半導體材料制成的有機光敏薄膜晶體管可以應用于光誘導開關、光探測電路、圖像傳感器等方面。如果采用對紫外光敏感的有機材料可制備成基于OTFT的紫外光探測器，無論軍用還是民用上都有重要的應用價值。
[0006]OTFT做光敏傳感器可利用其跨導放大光電流，具有很高的增益和良好的信噪比。同時器件的響應速度快，選擇性、可逆性好，可室溫工作，而且能夠微型化、陣列化，為制備微型化、價格低廉、便于攜帶的光敏傳感器件提供了一個新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明旨在提供一種制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低廉，用于探測光的一種光敏有機薄膜晶體管及其制備方法。
[0008]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管，包括襯底、柵電極、柵極絕緣層、具有光探測功能的有機層、源電極、漏電極，其特征在于，所述柵電極刻蝕在玻璃襯底上，柵極絕緣層位于柵電極表面上，有機層位于絕緣層上，源電極和漏電極分別位于有機層的左右兩端，所述有機層既為有機薄膜場效應晶體管器件的基本結(jié)構(gòu)組成部分又作為敏感功能層；其中，有機層和源電極、漏電極形成肖特基接觸。
[0009]有機層與源電極、漏電極形成界面具有高接觸勢壘的肖特基接觸，肖特基接觸使晶體管在無光照時即使存在柵壓和漏極電壓，仍能保持關斷，極大減小了無光照下的源漏電流。而在光照下，有機層處產(chǎn)生的激子在柵電場作用下，解離成電子和空穴，電子在源電極和漏電極處聚集，降低了有機層與電極的接觸勢壘，在漏極電壓下形成溝道電流，由于光靈敏度P= (I光-1暗)/I暗，該光敏有機薄膜晶體管具有高的光靈敏度。
[0010]按照本發(fā)明所提供的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，所述柵極絕緣層為無機柵極絕緣層，其材料采用SiOx、Si3N4、Ta205、Ti02、A1203、BZT (鋯鈦酸鋇)、BST (鈦酸鍶鋇)，有機柵極絕緣層材料采用聚乙酸乙烯酯(PVA)、聚對乙烯苯酚(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚有機硅氧烷(RSiOx)、聚酞亞胺(PI)、苯并環(huán)丁烯(BCB)、聚四氟乙烯(PTFE)、丙烯晴鏈淀粉酶(CyanoethylpulIulane)、聚對二甲基苯(Parylene-C)、娃基倍半氧烷樹脂(SR)、氰乙基普魯士藍(CYEPL )。
[0011]按照本發(fā)明所提供的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機層為并五苯，厚度為 5-500 nm。
[0012]所述襯底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箔制成。
[0013]按照本發(fā)明所提供的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，源電極、漏電極和有機層之間形成肖特基接觸，有機層的材料為有機半導體，該有機半導體材料并五苯的HOMO能級約為4.9 eV,與之對應的可以形成肖特基接觸的金屬為典型功函數(shù)低的金屬Ag (4.26eV)、Al (4.28eV)、In (4.12eV)、Mg (3.66eV)、Mg: Ag (10:1) (3.7eV)。
[0014]本發(fā)明提供一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟，
①先對襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；
②在襯底表面制備柵電極；
③在柵電極上面制備柵極絕緣層并對絕緣層進行處理；
④在所述柵極絕緣層上制備用于探測光的有機層；
⑤在有機層上制備源電極和漏電極。
[0015]按照本發(fā)明所提供的基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵電極、源電極、漏電極通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、打印或旋涂中的任一方法制備，所述柵極絕緣層通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂或者真空蒸鍍中的任一方法制備。
[0016]按照本發(fā)明所提供的基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述有機層通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、旋涂、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的任一方法制備。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果表現(xiàn):
一、本發(fā)明器件的體積小，重量輕，成本低，可微型化，便于攜帶，并與柔性基底相兼容，拓展了光敏傳感器件的內(nèi)容；
二、本發(fā)明制備簡單，極大減小了無光照下的源漏電流，具有高的光靈敏度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明提供的光敏有機薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明提供的光敏有機薄膜晶體管的源電極、漏電極和有機層的界面能級圖；圖3為本發(fā)明所提供的實施例1的光敏有機薄膜晶體管在無光照與光照下的轉(zhuǎn)移特性曲線；
圖4為本發(fā)明所提供的實施例1的光敏有機薄膜晶體管在無光照與光照下的輸出特性曲線；
附圖標記為:1為襯底、2為柵電極、3為柵極絕緣層、4為有機層、5為漏電極、6為源電極。
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述。
[0020]一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管，包括玻璃襯底、柵電極、柵極絕緣層、具有光探測功能的有機層、漏電極、源電極組成，其特征在于，所述柵電極刻蝕在玻璃襯底上，柵極絕緣層位于柵電極表面上，有機層位于絕緣層上，源電極和漏電極分別位于有機層的左右兩端，所述有機層既為有機薄膜場效應晶體管器件的基本結(jié)構(gòu)組成部分又作為光敏感功能層。
[0021]實施例1
光敏有機薄膜晶體管由玻璃襯底、柵電極、柵極絕緣層、有機層、漏電極、源電極組成，柵極絕緣層位于刻蝕有柵極的襯底上，有機層位于柵極絕緣層之上，源電極和漏電極位于有機層之上。有機層為P型有機半導體材料并五苯。
[0022]對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲10分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲10分鐘，再用丙酮溶液超聲10分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲10分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PMMA，厚度為500納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到30納米。最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Mg:Ag(10:l)電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米。
[0023]將上述光敏有機薄膜晶體管至于lOOmW/cm2的模擬太陽光源下，測試器件在無光照與光照下的轉(zhuǎn)移特性曲線，從而算出光靈敏度(明暗電流比)?？芍跓o光照的時候，源電極、漏電極與有機層形成肖特基接觸，界面具很高的接觸勢壘，器件即使存在柵壓和漏極電壓，仍能保持關斷。而在光照下，有機層處產(chǎn)生的激子在柵電場作用下，解離成電子和空穴，電子在源漏電極處聚集，降低了有機層與電極的接觸勢壘，在源漏電壓下形成溝道電流，從而具有聞的光靈敏度。
[0024]實施例2:
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲10分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲10分鐘，再用丙酮溶液超聲10分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲10分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PS，厚度為20納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到25納米；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Ag電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0025]實施例3:
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲15分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲15分鐘，再用丙酮溶液超聲10分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲15分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PMMA，厚度為250納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.03納米/秒，厚度達到50納米，前20nm速率為0.01納米/秒，后30nm為0.02-0.03納米/秒；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Ag電極，蒸鍍速率0.1-0.6納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0026]實施例4:
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲15分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲15分鐘，再用丙酮溶液超聲15分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲15分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PVA，厚度為250納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到5納米；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Ag電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0027]實施例5
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲15分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲15分鐘，再用丙酮溶液超聲15分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲15分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PMMA，厚度為2000納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到50納米；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Ag電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0028]實施例6
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲10分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲10分鐘，再用丙酮溶液超聲10分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲10分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PMMA，厚度為500納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到50納米。最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Al電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0029]實施例7
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲10分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲10分鐘，再用丙酮溶液超聲10分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲10分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PS，厚度為20納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到25納米；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Al電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0030]實施例8
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲15分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲15分鐘，再用丙酮溶液超聲10分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲15分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PVA，厚度為500納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.03納米/秒，厚度達到50納米，前20nm速率為0.01納米/秒，后30nm為0.02-0.03納米/秒；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Al電極，蒸鍍速率0.1-0.6納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
[0031]實施例9
對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底進行清洗，首先利用清洗劑擦洗后，清洗劑溶液超聲15分鐘，再用洗滌劑擦洗基片，用去離子水沖洗，去離子水溶液超聲15分鐘，再用丙酮溶液超聲15分鐘，最后放在乙醇溶液中超聲15分鐘。清洗后用氮氣吹干基片；設定前轉(zhuǎn)為500轉(zhuǎn)/分鐘、后轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)/分鐘的速度旋涂絕緣層PVA，厚度為250納米；然后在150°C溫度下，退火I個小時；然后蒸鍍有機層并五苯，速率為0.01-0.02納米/秒，厚度達到5納米；最后利用真空蒸鍍方法，蒸鍍源電極和漏電極，源漏電極均為Al電極，蒸鍍速率0.1-0.3納米/秒，厚度為50納米；最后即得光敏有機薄膜晶體管。
【權(quán)利要求】
1.基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管，包括襯底、柵電極、柵極絕緣層、具有光探測功能的有機層、源電極、漏電極，其特征在于，所述柵電極刻蝕在玻璃襯底上，柵極絕緣層位于柵電極表面上，有機層位于絕緣層上，源電極和漏電極分別位于有機層的左右兩端，所述有機層既為有機薄膜場效應晶體管器件的基本結(jié)構(gòu)組成部分又作為敏感功能層；其中，有機層和源電極、漏電極形成肖特基接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機層為并五苯，厚度為5-500 nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，并五苯的HOMO能級約為4.9 eV,與之對應的形成肖特基接觸的金屬為功函數(shù)低的金屬Ag、Al、In、Mg、Mg: Ag(10:1)ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，所述柵極絕緣層為無機柵極絕緣層，其材料采用SiOx、Si3N4、Ta205、Ti02、A1203、鋯鈦酸鋇BZT、BST鈦酸鍶鋇，有機柵極絕緣層材料采用聚乙酸乙烯酯PVA、聚對乙烯苯酚PVP、聚苯乙烯PS、聚甲基丙烯酸甲脂PMMA、聚有機硅氧烷RSiOx、聚酞亞胺P1、苯并環(huán)丁烯BCB、聚四氟乙烯PTFE、丙烯晴鏈淀粉酶、聚對二甲基苯Parylene-C、硅基倍半氧烷樹脂SR、氰乙基普魯士藍 CYEPL。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏有機薄膜晶體管，其特征在于，所述襯底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箔制成。
6.一種基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: ①先對襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥； ②在襯底表面制備柵電極； ③在柵電極上面制備柵極絕緣層并對絕緣層進行處理； ④在所述柵極絕緣層上制備用于探測光的有機層； ⑤在有機層上制備源電極和漏電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵電極、源電極、漏電極通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、打印或旋涂中的任一方法制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵極絕緣層通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂或者真空蒸鍍中的任一方法制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于肖特基接觸的光敏有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述有機層通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、旋涂、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的任一方法制備。
【文檔編號】H01L51/40GK103746074SQ201410000784
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】鐘建, 陳玉成, 鄧鳴, 顧可可, 于軍勝 申請人:電子科技大學