一種有機薄膜晶體管及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型有機薄膜晶體管，其使用的是一類新型的有機稠環芳姪衍生 物作為有機半導體，該類有機半導體材料具有大共輛體系和很好的光敏特性，在集成電路、 光敏和存儲有機光電子領域有重要應用前景。
【背景技術】
[0002] 有機薄膜晶體管是重要的有機半導體器件之一，其研究工作進展迅速并引起了 人們的廣泛關注。在有機半導體材料晶體管出現W前，晶體管主要是由娃Si、錯Ge、神化 嫁GaAs、氮化嫁GaN等為代表的半導體材料制備，已經廣泛應用于電子元件、高密度信息存 儲、光電器件等領域。隨著人們對有機半導體材料認識的逐步深入，一批具有類似無機半導 體特性的有機功能材料被開發出來了，并且正嘗試應用于傳統半導體材料的領域。目前利 用有機晶體管已經應用于環形振蕩器的邏輯口、有機顯示器的有源驅動電路、有機傳感器、 存儲器、電子書或電子紙領域等等。有機半導體材料的出現，極大地豐富了人們的視野，激 發了廣泛的研究興趣，已經成為當今的研究熱點之一。
[0003] 有機半導體材料與傳統的無機半導體材料相比有一定的相似性，它們在電導率、 載流子遷移率和能隙等方面存在著較多的類似點，應用領域也有一定的相似性。但是有機 半導體材料又具有許多不同于無機半導體材料的新特點，有機半導體可選范圍廣泛、制備 工藝簡單、成本低廉，并且可W制備柔性器件，該都給有機半導體材料的發展提供了美好的 前景和廣闊的空間
[0004] 通常晶體管包括雙極晶體管和場效應晶體管。所謂場效應是指半導體材料的導 電能力隨著電場的變化而變化。場效應晶體管工作過程和電子管十分相似，是電壓控制器 件，就是通過改變電場來控制固體材料導電能力的有源器件。在電子領域中有著廣泛的應 用，是微處理器和半導體儲存器等超大規模集成電路中最重要的器件之一。
[0005] 隨著有機半導體材料的發現和發展，人們開始嘗試利用有機物替代無機材料充 當載流子傳輸層，而利用有機材料充當載流子傳輸層的薄膜場效應晶體管也就被稱為有 機薄膜場效應晶體管（organic thin-film field-effect transistor, 0TFFET)。也稱有 機薄膜晶體管（organic thin-film transistor, OTFT)或者有機場效應晶體管（organic field-effect transistor, OFET)，在本論文中，為方便起見，我們統一稱為有機薄膜晶體 管。
[0006] 雖然有機半導體材料的種類不斷得到豐富，但是材料的選擇范圍很是很小的，基 本上集中于并五苯和寡聚喔吩及其衍生物上，除此W外駄菁及其衍生物也略有涉及但是要 少很多。
[0007] -方面載流子遷移率很難再有大幅度提高，另一方面該些種材料具有合成困難， 價格昂貴、穩定性較差等缺點。而且只選擇該些材料大大的縮小了有機半導體材料的選擇 范圍。新的有機半導體需要被嘗試。更多的有機材料應該被用于有機薄膜晶體管的領域當 中，不斷的拓寬有機薄膜晶體管的選材范圍，進而提高其性能。因而在本專利中研究了新的 材料，一類有機稠環芳姪衍生物材料作為新的半導體層，并制備了器件。通過對器件中有機 半導體材料層的厚度、蒸發和旋涂速率、金屬電極金Au電極的厚度參數等的不斷調整W及 采用退火等操作流程，大大優化了器件的性能，使得器件的載流子遷移率從l(T 5cmVVs達到 了 0. 9cmVVs，開關電流比從20~30提高到了 104~1〇5。
[0008] 場效應晶體管有著較好的工作速率，較低的能耗功率，封裝也比較容易實現大規 模制作，因此它們在存儲器、便攜式電子計算機、自動化電子設備、數據傳送設備、隨機邏輯 系統中可W有廣泛的應用。
[0009] 相對于無機的場效應晶體管，有機薄膜晶體管有著如下的優點：
[0010] 有機薄膜技術更多、更新、更薄，使得器件的尺寸能夠更小，集成度更高，使得應用 有機薄膜晶體管的電子元器件可W達到更高的運算速度和更小的操作功率。利用有機薄膜 大規模制備技術，可W制備大面積的器件。
[0011] 有機材料的合成相對于無機材料容易，有機分子選材廣泛，而且通過對有機分子 結構進行適當的修飾，可W得到不同性能的材料，因此通過嘗試新的材料W及對有機半導 體材料進行改性就能夠使有機薄膜晶體管的電學性能達到理想的結果。
[0012] 有機薄膜晶體管的上述特點決定了它有著非常廣闊的應用前途，因此人們在對有 機薄膜晶體管器件制備工藝和機理進行研究的同時，對相關的應用研究也投入了很大的精 力。現在已經被應用于有機存儲器件、有機集成電路、有機有源點陣顯示器的驅動、有機氣 體/離子傳感器等眾多的領域。

【發明內容】
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[0013] 本發明的目的是提出一種新型有機薄膜晶體管，其中采用了有機稠環芳姪衍生物 材料，作為一類新型有機半導體材料。
[0014] 特別地，我們發現，在本發明的材料中，通式（I )或（II)的母體結構都是共平面 的，該樣的稠環共輛體系有利于電子的傳輸。母體結構上連接H芳胺或稠雜環芳姪，例如巧 哇基團，二苯并喔吩基團，二苯并巧喃基團等，該樣的稠雜環有利于給出電子(雜原子上的 電子易給出）。整體效果是使用有機稠環芳姪衍生物材料的有機薄膜晶體管表現出優異的 晶體管性質。
[0015] 本發明提出一種有機薄膜晶體管，包括基片、源/漏電極、n電極，W及位于源/漏 電極和口電極之間的半導體層和絕緣層，所述半導體層材料為結構通式如下式（I)或（II) 所示有機稠環芳姪衍生物，
[0016]
【主權項】
1. 一種有機薄膜晶體管，包括基片、源/漏電極、門電極，以及位于源/漏電極和門電極 之間的半導體層和絕緣層，其特征在于，所述半導體層材料為結構通式如下式（I )或（II) 所示有機稠環芳烴衍生物：
其中：Ar1-Ar8獨立選自H、C6~C30的取代或非取代的芳烴基團、C6~C30的取代或 非取代的稠環芳烴基團、C6~C30的取代或非取代的稠雜環基團、五元、六元的雜環或取代 雜環、三芳胺基基團、二苯胺基基團、芳醚團基基團、Cl~C20的取代或非取代的的脂肪族 烷基基團中的一種； X選自第V主族或第VI主族的元素； 且Ar1-Ar8F同時為H。
2. 根據權利要求1所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機稠環芳烴衍生物通 式（I )或（Π )中，X選自S、0、N或P。
3. 根據權利要求1所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機稠環芳烴衍生物通 式（I )或（II)中，Ar1-Ar8分別獨立選自苯基、取代的苯基、聯苯基、萘基、取代的萘基、咔唑 基、取代的咔唑基、三芳胺基、二苯胺基、N-苯基萘胺基、二苯并噻吩基、取代的二苯并噻吩 基、二苯并呋喃基、取代的二苯并呋喃基。
4. 根據權利要求1-3任一項所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述半導體層的材 料選自以下結構式：

5. 根據權利要求1所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述基片所用材料選自玻璃、 硅片、金屬、陶瓷或者有機高分子材料。
6. 根據權利要求1所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述基片是柔性基片。
7. 根據權利要求1所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述的半導體層的厚度在 IO-IOOnm范圍內。
8. 根據權利要求1所述的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機薄膜晶體管中的源/ 漏電極或門電極厚度為10_200nm。
9. 一種制備權利要求1所述的有機薄膜晶體管的方法，具體步驟包括： (1) 有機稠環芳烴衍生物材料的合成和提純； (2) 在帶有門電極或源/漏電極的基片上制備絕緣層； (3) 在絕緣層上沉積所述有機稠環芳烴衍生物材料作為器件的半導體層； (4) 制備源/漏電極或門電極； (5) 采用退火工藝處理器件。
10. 根據權利要求9所述的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述有機稠環芳 烴衍生物薄膜層是在真空腔室中蒸鍍制備的，蒸鍍速度為0.1~I A/s。
11. 根據權利要求9所述的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述有機稠環芳 烴衍生物薄膜層是通過把所述有機稠環芳烴衍生物溶解在溶劑中，通過旋涂、噴墨打印和 印刷濕法制備的。
12. 根據權利要求9所述的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，所述退火工藝步 驟中控制溫度為50°C至120°C，退火時間為1-4小時。
【專利摘要】本發明涉及一種有機薄膜晶體管，包括基片、源/漏電極、門電極，以及位于源/漏電極和門電極之間的半導體層和絕緣層，所述半導體層材料為結構通式如下式（Ⅰ）或（Ⅱ）所示有機稠環芳烴衍生物，其中：Ar1-Ar8獨立選自H、C6～C30的取代或非取代的芳烴基團、C6～C30的取代或非取代的稠環芳烴基團、C6～C30的取代或非取代的稠雜環基團、五元、六元的雜環或取代雜環、三芳胺基基團、芳醚團基基團、C1～C20的取代或非取代的的脂肪族烷基基團中的一種；X選自第Ⅴ主族或第Ⅵ主族的元素；且Ar1-Ar8不同時為H。本發明采用新型的有機場致效應半導體材料，同時利用本材料制備了有機薄膜晶體管，特別的，在有機柔性顯示器以及其他要求柔性的器件中可以有很好的應用。
【IPC分類】H01L51-05, H01L51-30, H01L51-40
【公開號】CN104638105
【申請號】CN201310552881
【發明人】李銀奎, 董桂芳
【申請人】北京鼎材科技有限公司, 清華大學, 北京維信諾科技有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月8日