[发明专利]一种双层修饰的高性能有机场效应晶体管及其修饰方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机场效应晶体管及其修饰方法，具体涉及绝缘层-半导体界面双层修饰有机场效应晶体管及其修饰方法，可以实现器件空穴迁移率超过1cm²/Vs。

背景技术

有机场效应晶体管由于其制造成本较低并且可大面积生产，在过去的几十年受到越来越多的关注与深入的研究。它可广泛应用于柔性电路、电子显示、非易失性存储以及传感器等设备中，因此，对于其电子性能的要求也不断提高。这主要包括制备工艺的提高，例如打印、气相沉积、旋涂等，以及对所用材料的不断探索。研究已经发现了一些具有高载流子迁移率的小分子材料，许多有机场效应晶体管的研究都是基于小分子作为半导体层而取得较高迁移率。同时，二氧化硅也是常用的绝缘层材料。由于其表面呈亲水性，不利于一些半导体粒子的生长，会产生一些缺陷。

目前已有很多关于半导体-绝缘层单层界面修饰的报道，早在1990年，Peng等人就研究了不同聚合物做绝缘层，提出迁移率与绝缘层的介电常数密切相关(X Z Peng,G Horowitz,D Fichou,F Garnier,Appl.Phys.Lett,1990,57,2013)。后来，也有文献报道了对绝缘层进行修饰以达到提高有机场效应晶体管电学性质的综述(W Shao,H L Dong,L Jiang,W P Hu,Chem.Sci,2011,2,590)。常用的修饰材料有聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对乙烯基苯酚(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)，还有自组装单层修饰材料十八烷基三氯硅烷(OTS)和六甲基二硅氮烷(HMDS)。OTS由于具有较长的烷基链，可以在氧化物表面形成羟基官能团的隧道屏障，并且可以作为界面接触层有效调节并五苯薄膜的结构排列。聚乙烯醇(PVA)、聚对乙烯基苯酚(PVP)等是高介电常数材料(又叫高-k材料)。高-k材料聚合物常被用在柔性有机场效应晶体管中，因为它可以实现低电压，但是不足之处在于它需要较高的退火温度，并且绝缘性质也较弱。聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等是电绝缘性较好的聚合物，这些具有较好绝缘性的聚合物也常被用在绝缘层修饰上，这是由于它们可以在进一步提高电绝缘性的同时有效减少绝缘层与半导体层之间的电荷陷阱。上述聚合物由于没有羟基官能团，使得表面疏水性更强，水分子难以接触其表面从而提高器件在空气中的稳定性，但是，随着绝缘性的提高，绝缘层-半导体层界面间的电荷浓度会降低，导致器件的漏电流变大。

然而，大多数的报道都是采用单层的修饰方法，应用了修饰材料的优势，但未解决修饰材料的劣势问题。因此，很少有通过界面修饰达到有机场效应晶体管电学性质的突破的报道。 对有机场效应晶体管的性能要求也不再仅仅体现在迁移率，还包括空气中的稳定性、亚阈值偏移、偏压效应等。虽然之前也有文献报道了双层修饰二氧化硅绝缘层表面的文章(Y M Sun,X F Lu,S W Lin,J Kettle,S G Yeates,A M Song,Org.Electron,2010,11,351)，上述文章双层修饰采用聚合物与自组装单层的结合，此种结合方式并没有有效改善器件的迁移率。为了解决界面修饰达不到有机场效应晶体管电学性质的问题，本发明采用两层聚合物修饰，得到可以大幅度提高电学特性的器件，器件空穴迁移率超过1cm²/Vs。

发明内容

为了发挥聚合物修饰的优势，同时解决聚合物修饰的不足之处，制备出在迁移率、稳定性、亚阈值偏移、偏压效应等电学特性有突破的有机场效应晶体管，本发明提供一种双层修饰的高性能有机场效应晶体管及其修饰方法。采用双层聚合物修饰一定厚度的二氧化硅表面，促进上层半导体粒子更好生长，提高有机场效应晶体管的电学性质，包括迁移率、空气中稳定性、亚阈值偏移、偏压效应。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种双层修饰的高性能有机场效应晶体管，包括源漏电极、半导体层、绝缘层，所述绝缘层为二氧化硅/硅基片，所述半导体层与二氧化硅/硅衬底之间从上到下依次有高-k材料聚合物层和高绝缘性聚合物层。

优选地，所述高-k材料聚合物层中高-k材料聚合物选自聚乙烯醇、聚对乙烯基苯酚、氰乙基普鲁兰多糖。

优选地，所述高绝缘性聚合物层中高绝缘性聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。

优选地，所述高绝缘性聚合物与高-k材料聚合物依次旋涂于所述绝缘层。

上述有机场效应晶体管的修饰方法，包括如下步骤：

(1)配置高绝缘性聚合物溶液，高绝缘性聚合物，溶于乙酸乙酯，浓度10-60mg/ml；