基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法技术

本发明专利技术公开了基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法，先利用反溶剂辅助旋涂法在SiO2/Si衬底上进行高结晶性有机单层分子薄膜的旋涂制备，旋涂的材料为：有机半导体材料（p型）为C8‑BTBT 2,7‑二辛基[1]苯并噻吩并[3,2‑b]苯并噻吩，溶于苯甲醚和甲氧基苯甲醚与反溶剂DMF混合溶液中，C8‑BTBT浓度为0.25～1wt%，反溶剂为DMF二甲基甲酰胺，反溶剂DMF与C8‑BTBT溶液的体积相同（如60µL）；旋涂完成后即可得到大尺寸均一的单层薄膜；用该单层薄膜作为衬底，进行有机场效应晶体管器件的生长。

【技术实现步骤摘要】
基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法
本专利技术涉及有机电子、薄膜沉积技术、半导体技术、有机场效应晶体管等领域。尤其是用单层分子作为基底制备半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法。
技术介绍
场效应晶体管是利用电场来控制半导体材料导电性的有源器件，在其输入端漏电极小，具有阻抗高、噪声低、热稳定性好等特点，在大规模和超大规模继承电路中被广泛应用。然而无机场效应晶体管主要是以硅为半导体材料，高质量硅的制备工艺需要高温高压等条件，不可避免地产生极大地能耗需求，同时由于该材料在具有质量大、不可折叠等特点，限制了其在特定方面的使用，如柔性面板，柔性显示器等。与无机场效应晶体管相比，有机场效应晶体管是以有机半导体材料作为沟道层的晶体管器件，具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等特点，可应用于生产大面积柔性器件。目前有机场效应晶体管的器件性能比较低，因此，提高其器件性能是实现有机场效应晶体管商业化应用的一个重要前提。有机场效应晶体管可以参见CN201510119192一种固态电解质薄膜晶体管及其制备方法，固态电解质薄膜晶体管包括：绝缘衬底(11)、源电极(12)、漏电极(13)、半导体层(14)、电解质绝缘层(15)、栅电极(16)和栅极衬底(17)。其中：所述绝缘衬底(11)位于晶体管的最底层。
技术实现思路
本专利技术目的是，解决以上技术问题，提供一种以高质量的单层分子薄膜作为有机半导体层的生长基底，能够制备出高结晶性、分子有序排列的半导体薄膜，从而制备出高性能有机场效应晶体管器件。并且能够制备晶体管阵列，可以大面积制备的器件。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法，其特征是先利用反溶剂辅助旋涂法（anantisolvent-assistedspin-coatingmethod）在SiO2/Si衬底上进行高结晶性有机单层分子薄膜的旋涂制备，旋涂的材料为：有机半导体材料（p型）为Dioctylbenzothienobenzothiophene(C8-BTBT2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩)，溶于苯甲醚（anisole）和甲氧基苯甲醚（p-anisaldehyde）与反溶剂DMF混合溶液中，C8-BTBT浓度为0.25～1wt%，反溶剂为N,N-dimethylformamide(DMF二甲基甲酰胺)，反溶剂DMF与C8-BTBT溶液的体积相同，如实施例中均为60µL；旋涂完成后即可得到大尺寸均一的单层薄膜；用该单层薄膜作为衬底，进行有机场效应晶体管器件的生长。单层薄膜作为衬底并在其上生长有机半导体层薄膜生长，整个有机半导体层薄膜作为晶体管器件的沟道，制备有机场效应晶体管。有机场效应晶体管制备方法：1.使用SiO2/Si衬底液相生长C8-BTBT单层薄膜（3nm）；2.在C8-BTBT单层薄膜上使用热蒸镀的方法蒸镀27nmC8-BTBT薄膜，合计30nmC8-BTBT作为半导体沟道层；3.使用掩模版，蒸镀80nm金电极。有机场效应晶体管器件的半导体层C8-BTBT是应用高质量分子单层薄膜作为基底模板进行生长的。单层薄膜的制备过程中，不同制备条件下（半导体溶液浓度（图3）、溶剂反溶剂比例（图4）、旋涂速度（图5）等），得到的超薄薄膜的薄膜特性（粗糙度，均一性等）也不相同，这就导致了器件性能的不同，例如在4000rpm的条件下制备的单层薄膜具有最佳的基底作用。利用反溶剂辅助旋涂法（anantisolvent-assistedspin-coatingmethod）进行高结晶性有机单层分子薄膜的制备，再以此单层薄膜作为基底生长半导体薄膜，从而制备有机场效应晶体管器件。本专利技术的有益效果：本专利技术使用气相生长和液相生长相结合的方法，是以液相制备的单层分子薄膜作为基底，再在单层分子薄膜基底上通过气相生长方法制备半导体层，从而制备出高性能有机场效应晶体管器件。另外，单层薄膜的制备过程中，在不同的实验条件下（旋涂速度），该薄膜作为基底对之后的气相生长的薄膜中的分子排列的影响也有差异。例如在4000rpm的条件下制备的单层薄膜具有最佳的基底作用。并且，与不应用该单层分子薄膜作为基底的器件相比，平均载流子迁移率的提高达到6倍以上，证明该方法的可行性及有效性。制备的器件性能能够达到9.8cm2V−1s−1（平均迁移率），阵列器件性能达到7.7cm2V−1s−1。附图说明图1、分子薄膜的制备过程示意图。其中（a）分别将两种溶液滴在衬底上；（b）两种溶液分层，在中间层界面形成单层分子薄膜；（c）旋涂之后界面处形成单层薄膜附着在衬底表面；（d）单层薄膜中有机分子的排列示意图。图2、有机场效应晶体管器件结构和制备的单层分子的薄膜特性表征。（a）有机场效应晶体管器件结构及半导体沟道组成部分；（b）通过反溶剂辅助旋涂法得到均匀的大面积的单层薄膜的光学显微镜图；（c）单层薄膜的原子力显微镜图片；（d）单层薄膜的隧穿电子显微镜图片及（e）对应的选定区域的电子衍射光斑。图3、不同半导体浓度下旋涂得到C8-BTBT薄膜。C8-BTBT浓度分别是（a）0.25wt％、（b）0.5wt%和（c）1.0wt%时旋涂得到的C8-BTBT薄膜。图4、不同反溶剂的量的条件下旋涂得到C8-BTBT薄膜。反溶剂的量为（a）0µL、（b）20µL、（c）40µL和（d）60µL时旋涂得到的C8-BTBT薄膜。图5、不同旋涂速度下旋涂得到C8-BTBT薄膜。旋涂速度为（a）2000rpm、（b）3000rpm、（c）4000rpm、（d）5000rpm和（e）6000rpm时旋涂得到的C8-BTBT薄膜。图6、不同旋涂速度条件下制备的分子薄膜对于之后的气相薄膜生长的影响的表征。不同厚度气相生长薄膜的X射线衍射（a）3nmC8-BTBT和（b）27nmC8-BTBT;（c）基于（a）和计算的半峰宽和晶面间距；（d）气相生长薄膜的分子排列模型；（e）以4000rpm旋涂制备的单层薄膜为平台气相生长的C8-BTBT（27nm）薄膜的X射线反射表征；（f）不同旋涂速度下制备的超薄薄膜为平台气相生长的C8-BTBT（27nm）薄膜中C8和BTBT两部分的厚度和密度。图7、基于不同旋涂速度条件下制备的薄膜的有机场效应晶体管的器件性能表征。（a）半导体层完全由气相制备（30nm）;（b~f）半导体层为以不同旋涂速度下（2000rpm~6000rpm）制备的超薄薄膜为平台气相生长的C8-BTBT（27nm）。图8、基于不同旋涂速度条件下制备的薄膜的有机场效应晶体管的器件性能的总结。（a）有机场效应晶体管的平均迁移率；（b）有机场效应晶体管的开关比和阈值电压。图9、大面积晶体管阵列的制备和表征。（a）有机场效应晶体管5×7阵列；（b）特定区域液相生长单层分子薄膜；（c）有机场效应晶体管的转移曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参考附图：本专利技术实施例包括：一种用反溶剂辅助旋涂法（anantisolvent-assistedspin-coatingmethod）制备高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法，其特征是先利用反溶剂辅助旋涂法在SiO2/Si衬底上进行高结晶性有机单层分子薄膜的旋涂制备，旋涂的材料为：有机半导体材料为C8‑BTBT 2,7‑二辛基[1]苯并噻吩并[3,2‑b]苯并噻吩)，溶于苯甲醚和甲氧基苯甲醚与反溶剂DMF混合溶液中，C8‑BTBT浓度为0.25 ～ 1 wt%，反溶剂为DMF甲基甲酰胺，反溶剂DMF与C8‑BTBT溶液的体积相同；旋涂完成后即可得到大尺寸均一的单层薄膜；用该单层薄膜作为衬底，进行有机场效应晶体管器件的生长。

【技术特征摘要】
1.基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的方法，其特征是先利用反溶剂辅助旋涂法在SiO2/Si衬底上进行高结晶性有机单层分子薄膜的旋涂制备，旋涂的材料为：有机半导体材料为C8-BTBT2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩)，溶于苯甲醚和甲氧基苯甲醚与反溶剂DMF混合溶液中，C8-BTBT浓度为0.25～1wt%，反溶剂为DMF甲基甲酰胺，反溶剂DMF与C8-BTBT溶液的体积相同；旋涂完成后即可得到大尺寸均一的单层薄膜；用该单层薄膜作为衬底，进行有机场效应晶体管器件的生长。2.根据权利要求1所述的基于单层分子半导体薄膜提升有机场效应晶体管器件性能的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昀，王启晶，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32