[发明专利]一种随形贴合有机场效应晶体管及晶体管阵列和它们的制备方法

说明书

本发明公开了一种随形贴合有机场效应晶体管及晶体管阵列和它们的制备方法。该方法包括如下步骤：在表面修饰十八烷基三氯硅烷的衬底分别制备源电极、漏电极和栅电极，然后在各电极的金属电极表面修饰五氟苯硫酚；继续在源、漏电极的金属电极表面沉积有机半导体层，然后旋涂绝缘聚合物层；在栅电极的金属电极表面旋涂弹性支撑层，并将栅电极从衬底上转移；将栅电极的金属电极表面、源、漏电极的聚合物绝缘层表面分别进行氧等离子体处理以在表面形成羟基；将栅电极、源电极和漏电极连接形成一个整体并从衬底转移下来即可。本发明把光刻法技术与有机半导体成功集成在一起，可以制备高精度、复杂的有机场效应晶体管和晶体管阵列，实现高集成度，利于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种随形贴合有机场效应晶体管及晶体管阵列和它们的制备方法，属于有机电子领域。

背景技术

随形贴合场效应晶体管是一种具有柔性、弹性、超薄特点的电子器件，可以像皮肤一样随形贴合在各种形状物体表面。近几年，随着仿生电子皮肤、可穿戴智能设备、智能显示等新一代电子产品的飞速发展，使随形贴合场效应晶体管倍受研究者的关注(Nat.Commun.2014,5,2982；Nat.Commun.2014,5,3329；Nat.Mater.2010,9,511；Nat.Commun.2012,3,770；Nat.Commun.2014,5,4147)。相比于无机半导体材料而言，有机半导体材料由于具有质轻、柔性、丰富的材料种类、能在形变条件下保持电学性能等一些列独特的特点，使其在未来电子产品应用中具有得天独厚的优势。然而，目前随形贴合有机场效应晶体管的报道非常有限。因为，要想实现这样的晶体管，需要整个器件同时具有柔性、弹性、超薄的特点，这对于器件的制备工艺提出了极其严格的要求。

目前随形贴合有机场效应晶体管的制备方法主要有以下两方面：(1)一方面采用传统的真空掩膜沉积的方式，层层沉积制备超薄柔性有机场效应晶体管(Adv.Electron.Mater.2016,2,1500452；Adv.Mater.2016,28,624；Nat.Commun.2014,5,4147；Nature2013,499,458；Adv.Mater.2013,25,5455)，使其具有一定贴合能力。例如，胡文平课题组采用在玻璃衬底上通过层层沉积栅极、绝缘层、半导体、源漏电极的方式，制备了有机场效应晶体管，然后把整个器件放进水里，在水的作用下，使有机场效应晶体管器件从玻璃衬底上被剥离下来，形成320nm无衬底的超薄器件。这种采用超薄器件制备随形贴合场效应晶体管的方式优势是：工艺比较简单，利用传统真空掩膜沉积与器件剥离技术相结合就可以制备超薄器件。这种方式的缺点是：需要在半导体上直接真空沉积金属电极，会对半导体有一定的热辐射损伤，严重的会使有机半导体失去场效应性能(Adv.Mater.2008,20,2947；Adv.Mater.2008,20,1511)；整个器件像纸一样没有弹性，当器件贴合在三维曲面上时会产生大量褶皱和气泡，无法形成完美贴合，这将严重影响器件贴合之后的稳定性和可靠性；由于采用真空掩膜蒸镀方式制备电极，器件的精度差，集成度低，不利于工业化生产。(2)另一种方式是采用层层转移技术制备弹性超薄有机场效应晶体管(Nature 2016,539,411；Science 2017,355,59)。例如，鲍哲南课题组在多个衬底上分别制备弹性可拉伸的电极、绝缘层、半导体，然后依次把它们剥离并转移到弹性的衬底上，形成整体可拉伸的有机场效应晶体管。这种采用弹性器件制备随形贴合场效应晶体管的方式优势是：可以避免真空蒸镀电极对于半导体的损伤；器件可以无褶皱、无气泡的贴合在三维曲面上，并且在物体运动过程中，器件依然保持场效应特性。这种方式的缺点是：器件制备工艺比较复杂；器件各层之间靠范德华力相互作用，作用力弱，在拉伸过程中容易出现分层现象；器件电极采用掩膜喷涂方式制备，导致单一器件寸大，精度差，集成度低，不利于未来工业化生产。因此，需要提供一种新的随形贴合有机场效应管晶体管及其器件阵列的制备方法，这种方法不仅要保证整个器件具有一定的弹性、柔性、超薄的特性，而且还要保证器件具有高的集成度和精度。

发明内容