專利名稱：聚合物電解質(zhì)薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管是電場控制下的電流或電壓開關(guān)，是利用改變外加電場來控制半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的有源薄膜器件。隨著有機薄膜電致發(fā)光(OLED)和液晶平板顯示(LCD)技術(shù)的發(fā)展，用有機材料制備的薄膜晶體管(OTFT)近年得到迅速發(fā)展。目前有機薄膜晶體管的應(yīng)用主要集中在平板顯示器，電子紙，交易卡，電子識別標(biāo)簽以及傳感器等領(lǐng)域。與無機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管具有加工溫度低，可采用低成本沉積工序(旋涂、印刷、真空蒸發(fā)等技術(shù))，適合大面積制備以及可與柔性襯底兼容等獨特的優(yōu)點。
目前，有機薄膜晶體管存在的主要問題是有源半導(dǎo)體材料的遷移率較低，導(dǎo)致輸出電流較小，通常電流只能達到幾十微安。這種小電流的有機薄膜晶體管不能用于有機電致發(fā)光器件(OLED)驅(qū)動，因為有機薄膜電致發(fā)光器件的驅(qū)動電流要求在毫安數(shù)量級以上，離OLED使用要求相差甚遠(yuǎn)。因此，急需解決的問題是如何提高有機薄膜晶體管的工作電流，同時不明顯增加薄膜晶體管的工作面積，不降低OLED點陣顯示屏的開口率。現(xiàn)在通常采用以下幾種方法提高源漏輸出電流(1)設(shè)計合成高遷移率的有機半導(dǎo)體材料。目前遷移率最高的材料是并五苯(遷移率在10-2～101cm2/Vs之間)，但仍然小于無機非晶硅的遷移率(100～102cm2/Vs)，還不能滿足驅(qū)動OLED的要求。
(2)改善有機薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)。包括設(shè)計特殊的器件結(jié)構(gòu)使之有利于載流子輸運，使用不同的源漏電極材料使載流子更容易注入，以及采用多層膜的方法來改善器件的電學(xué)性能。
(3)改善薄膜的質(zhì)量。包括使用不同的成膜方法，通過控制成膜條件，如不同的成膜溫度、速度；對材料進行高導(dǎo)電性分子摻雜；對薄膜界面進行修飾以及對薄膜進行熱處理等。
(4)提高導(dǎo)電溝道的寬長比。薄膜晶體管的飽和電流和導(dǎo)電溝道的寬長比成正比。但目前由于工藝技術(shù)方面的原因，源漏電極間所能達到的最小距離還非常有限，采用掩模技術(shù)一般只能達到100μm左右，而采用一般的光刻技術(shù)最小也只能達到幾個μm。所以在長度不能再小的情況下只能通過增加溝道寬度的辦法提高寬長比，但寬度的增加又導(dǎo)致了器件面積的增大，限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種聚合物電解質(zhì)薄膜晶體管，它采用聚合物電解質(zhì)作為有機薄膜晶體管器件的絕緣層(即介質(zhì)層)，具有較大的電容率，從而降低工作電壓和提高輸出電流。這類電解質(zhì)作為絕緣層的有機薄膜晶體管的工作原理是，在柵極上加一偏壓，電解質(zhì)中的離子在半導(dǎo)體有源層和電解質(zhì)層之間的界面上聚集，從而誘導(dǎo)半導(dǎo)體有源層內(nèi)的載流子聚集形成導(dǎo)電溝道。
本發(fā)明的一種聚合物電解質(zhì)薄膜晶體管，如圖1所示，由襯底1，源漏電極2，半導(dǎo)體有源層3，聚合物電解質(zhì)層4和柵極電極5依次層疊構(gòu)成。
襯底1的材料可以是玻璃，二氧化硅，氮化硅等無機絕緣材料，也可以是有機高分子絕緣材料；源漏電極2的材料成分可以是金屬、高摻雜的硅無機導(dǎo)電材料，也可以是聚乙炔、聚苯胺等有機高分子導(dǎo)電材料；半導(dǎo)體有源層3可以采用各種有機半導(dǎo)體材料，如并五苯、聚噻吩、聚芴、聚咔唑、及其齊聚物、金屬配合物、金屬螯合物等有機小分子或聚合物材料；聚合物電解質(zhì)層4的材料含有芴基化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，且單元中含極性基團或離子性基團的化學(xué)組分；所述芴基化學(xué)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為 其中R1，R2為帶有烷基、胺基、季銨鹽基、腈基、羧基、磺酸基和磷酸基中一個或多個的側(cè)鏈。
本發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點和效果本發(fā)明所提出的聚合物電解質(zhì)作為有機薄膜晶體管的絕緣層，其電容率比傳統(tǒng)的絕緣層(如二氧化硅)大，因此能夠感應(yīng)出較大的載流子密度，大大提高了輸出電流，降低工作電壓。另外，聚合物電解質(zhì)可以與半導(dǎo)體有源層耦合得更好，使得半導(dǎo)體材料的載流子遷移率更高和器件輸出電流更大?？梢?，本發(fā)明在提供大電流輸出和低工作電壓方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明提出的薄膜晶體管器件斷面結(jié)構(gòu)示意圖，1是固體襯底；2是源漏電極；3是半導(dǎo)體有源層；4是聚合物電解質(zhì)層；5是柵電極。
圖2是實施例1中晶體管的輸出特性曲線。
圖3是實施例1中晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。
圖4是實施例2中晶體管的輸出特性曲線。
圖5是實施例2中晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的進一步解釋和說明。
本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法如下所述如圖1所示，襯底1采用玻璃作為晶體管器件的襯底；源漏電極2的材料為金，用真空熱蒸鍍制備，真空度5×10-6Torr，電極薄膜厚度為30nm，并用掩模板控制晶體管溝道寬和長分別為3mm和0.4mm；有源半導(dǎo)體薄膜3的材料為聚3-己基噻吩(P3HT)，通過溶液旋涂的方法制備，薄膜厚度為200nm；將薄膜聚合物電解質(zhì)材料溶解在甲醇溶劑中，將配成的溶液直接滴在半導(dǎo)體層3上，通過旋涂成膜，然后自然干燥，薄膜厚度60nm-100nm；柵電極5的材料是金，用真空熱蒸鍍方法制備，真空度為5×10-6Torr，厚度為30nm。
實施例1選用聚[9，9-二辛基芴-9，9-(雙(3‘-(N，N-二甲基)-N-乙基銨)丙基)芴]二溴與4，7-二(N-甲基吡咯)-2，1，3-苯噻重氮(DBT)的聚合物電解質(zhì)(PFNBr-DBT)，按上述步驟制備薄膜晶體管。
聚[9，9-二辛基芴-9，9-(雙(3‘-(N，N-二甲基)-N-乙基銨)丙基)芴]二溴與4，7-二(N-甲基吡咯)-2，1，3-苯噻重氮(DBT)的聚合物電解質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為
圖2和圖3分別給出了利用PFNBr-DBT作為聚合物電解質(zhì)層的薄膜晶體管輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。圖2表明用這種方法制備的薄膜晶體管具有典型的飽和電流輸出特性，并且飽和電流隨著柵壓負(fù)向增大而增大，表明載流子是空穴傳輸特性；圖3表明柵極電壓在較小范圍內(nèi)變化(3V)，漏極輸出電流的變化范圍可以達到至少3個數(shù)量級，而且在柵極偏壓等于-3V時輸出電流可以達到4.5mA(毫安數(shù)量級)。場效應(yīng)遷移率用飽和區(qū)的晶體管溝道電流公式來計算IDsat=WμsatCi2L(VG-VT)2]]>其中W和L分別代表溝道的寬度和長度，Ci是柵絕緣層單位面積的電容，VT是閾值電壓，VG是柵極偏壓，μsat是飽和區(qū)場效應(yīng)遷移率。由圖3可知VT約為0.5V。而測得的PFNBr-DBT層的電容率Ci約為200μF/cm2，計算得遷移率約為1.2cm2/Vs，此遷移率比通常晶體管結(jié)構(gòu)的要大。
實施例2選用聚[9，9-二辛基芴-9，9-(雙(3‘-(N，N-二甲基)-N-乙基銨)丙基)芴]二溴(PFNBr)聚合物電解質(zhì)，制備薄膜晶體管(條件同實施例1)。
聚[9，9-二辛基芴-9，9-(雙(3‘-(N，N-二甲基)-N-乙基銨)丙基)芴]二溴的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為
圖4和圖5分別給出了利用PFNBr作為聚電解質(zhì)層的薄膜晶體管輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。輸出電流呈飽和趨勢，晶體管閾值電壓約-1.2V，是空穴載流子傳輸特性，在柵極偏壓等于-3V時輸出電流達到了0.3mA，計算得到的遷移率約為0.1cm2/Vs?？梢?，輸出電流和遷移率大小與電解質(zhì)絕緣層的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)薄膜晶體管，其特征在于由襯底(1)，源漏電極(2)，半導(dǎo)體有源層(3)，聚合物電解質(zhì)層(4)和柵極電極(5)依次層疊構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的聚合物電解質(zhì)層(4)的材料含有芴基化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，且單元中含極性基團或離子性基團的化學(xué)組分；所述芴基化學(xué)結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為 其中R1，R2為帶有烷基、胺基、季銨鹽基、腈基、羧基、磺酸基和磷酸基中一個或多個的側(cè)鏈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的襯底(1)的材料是玻璃、二氧化硅、氮化硅，或者是有機高分子絕緣材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的源漏電極(2)的材料成分是金屬、高摻雜的硅無機導(dǎo)電材料或者是聚乙炔、聚苯胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管，其特征在于所述的半導(dǎo)體有源層(3)的材料為并五苯、聚噻吩、聚芴、聚咔唑、及其齊聚物、金屬配合物、金屬螯合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚合物電解質(zhì)薄膜晶體管，由襯底，源漏電極，半導(dǎo)體有源層，聚合物電解質(zhì)層和柵極電極依次層疊構(gòu)成；所述的聚合物電解質(zhì)層的材料含有芴基化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，且單元中含極性基團或離子性基團的化學(xué)組分。利用上述聚合物電解質(zhì)材料作為有機薄膜晶體管的絕緣層，能大幅度提高漏極輸出電流和降低晶體管工作電壓。這種低工作電壓和大電流輸出的晶體管可用于驅(qū)動有機電致發(fā)光器件、電子紙和液晶顯示器，且成本低容易制備。
文檔編號H01L51/30GK101022152SQ20071002720
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者彭俊彪, 曹鏞, 蘭林鋒 申請人:華南理工大學(xué)