[发明专利]基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及场效应光电晶体管技术，具体地讲是一种基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管及制备方法。

背景技术

众所周知，在有机场效应光电晶体管(又称“有机场效应光敏晶体管”或“有机光电场效应晶体管”)中，场效应晶体管的跨导是用来放大光电流的。典型的有机场效应光电晶体管具有与有机场效应晶体管(OFETs)相同的结构，都具有三个导电极(即源极、漏极和基极)以及一层有机半导体层。在光照期间，有机材料内部产生激子并紧接着分裂为自由载流子，其中的某一种载流子就被陷在器件内的载流子陷阱中。事实上，有机场效应光电晶体管是一种不断内建被陷载流子的集成器件。这种内建载流子不断改变场效应晶体管的阈值电压---这样就转化为放大的漏电流。要得到高增益，必须能有效地产生光生自由载流子、具有良好的场效应晶体管特性以及能有效地捕捉某一种载流子。至今，对于不同的有机半导体材料，许多人都注意到了光照条件下有机场效应晶体管的漏电流增强行为。

与有机光电二极管以及有机双极光电晶体管相比，工作在场效应晶体管的“关”态下的有机场效应光电晶体管具有较高的增益和信噪比。而且，由于有机场效应光电晶体管具有与OFETs相似的结构，与其它有机光电探测器相比，把有机场效应光电晶体管与OFETs集成到电路中会更加直接且简单。因此，有机场效应光电晶体管是实现全有机图像传感器的很有前景的器件。

另外，自从第一个OFETs被报道以来，传统结构的有机薄膜晶体管一直是国内外研究的热点。高性能(场效应迁移率μ_F为2.7cm²/V·s，“开/关”电流比为10⁸)、多功能(双极、超导)OFETs以及光电集成电子器件(由OFETs驱动的发光二极管)等的出现，使OFETs的研究取得了突破性进展。OFETs的研究将为实现全有机电路打下基础。近几年研究的重点集中在对新有机材料的合成、薄膜形态结构控制；利用单晶有机晶体管来研究载流子传输的深层次问题以及与有机薄膜晶体管的集成器件等等。然而，传统结构的有机薄膜晶体管在制作过程中仍需光刻工艺，对有机薄膜的有序性产生一定的影响，进而影响器件的整体性能；同时，源、漏电极的接触电阻和沟道电阻也是影响器件性能的主要因素。有机晶体管由于材料的迁移率相对较低以及“开/关”电流比依赖于沟道长度等因素，它们的性能和微型化受到限制。因此，为了适合于工作频率高的应用，利用垂直结构来减小OFETs中沟道长度从而提高工作频率的有机晶体管主要包括两种：一种是基于肖特基势垒类型的静电感应晶体管(Static Induction Transistor，SIT)结构；另一种是利用一绝缘层在垂直方向分开源、漏电极的结构，通过控制有机绝缘层厚度可以控制有机薄膜晶体管的沟道长度。最近，YangYang研究组提出了一种在有机半导体层与绝缘层之间加入一金属薄层作为源极的叠层结构的有机薄膜晶体管，但这层共源极的薄金属层制作起来条件苛刻：要求非常薄且粗糙。Hümmelgen研究组提出了一种类似于金属基极晶体管(Metal-base Transistors，MBTs)结构的赝金属基极晶体管(pseudo-MBTs)，采用C₆₀/PEDOT/n-Si结构(其中C₆₀为发射区，PEDOT为基区，n-Si为集电区)，得到了大的共基极电流增益。而通常的无机MBTs的电流增益很低或者制备过程复杂又昂贵。最近报道了一种既具有硅化物MBTs优点(即高的共基极电流增益且与平面硅技术相兼容)并且制作工艺简单且廉价的晶体管器件。其主要创新点在于使用了一层蒸镀的有机发射层(C₆₀或者Alq₃)。基极是镀在硅衬底(作为集电区)上的超薄金(Au)层。Nakayama研究组也报道了一种平面金属基极的垂直构型有机晶体管(其结构为Organic/Metal/Organic)。在插入的薄基极上加电压可调整器件的发射层和集电层之间的面电流。当用C₆₀和二萘嵌苯衍生物为沟道层时，仅用几伏的基极电压就能使集电极电流超过300mA/cm²。他们认为该器件属于MBTs的工作机理。