一种超高增益有机放大器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种超高增益有机放大器及其制备方法。该超高增益有机放大器由一个驱动晶体管和一个负载晶体管串联构成，其中负载晶体管的栅极与源极短接；驱动晶体管和负载晶体管的栅极介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。其制备方法包括：在衬底上制备局域栅极金属层；在局域栅极金属层表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；制备半导体层和电极层。该超高增益有机放大器可以在3V工作电压下实现超过10000的电压增益，1V工作电压下实现4000的增益，同时，可以实现电池供电。该超高增益的有机放大器亦可在柔性衬底上实现。另外，该有机放大器可用于各类微小信号的检测和放大。

【技术实现步骤摘要】
一种超高增益有机放大器及其制备方法
本专利技术涉及一种放大器及其制备方法，特别涉及一种超高增益有机放大器及其制备方法，属于有机半导体电子器件和可穿戴电子器件

技术介绍
由于加工成本低廉以及其本征柔性，有机半导体器件已经广泛应用于可穿戴电子应用中，如物联网、射频电子标签、可穿戴传感器等。对于这些应用，有机半导体已经得到了大量研究，但是使用的电路通常需要较大的工作电压，从而导致高功耗和不适合电池供电的操作。同时，穿戴式电子设备最具挑战性的部分是传感器接口，作为一种模拟电路应用，其需要具有高增益，高的输入阻抗和简单、低成本制造工艺的低电压、低功率电路。目前，用于穿戴式电子设备中的信号放大模块，部分采用传统的放大芯片，但其难以实完全的柔性；也有部分采用新型结构的柔性放大器，但其增益最大在100左右。基于此，专利技术人设计开发了一种超高增益有机放大器，其增益超过104，且可以实现完全的柔性化。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有有机放大器存在的问题，本专利技术提供一种在低工作电压下可实现电压增益超过104的超高增益有机放大器，并提供了一种该有机放大器的制备方法。技术方案：本专利技术所述的一种超高增益有机放大器，该超高增益有机放大器由一个驱动晶体管和一个负载晶体管串联构成，其中负载晶体管的栅极与源极短接；该驱动晶体管和负载晶体管的放大器中栅极介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。利用铁电性氧化物薄膜作为介电层引入的负电容效应第一次打破了有机薄膜晶体管的玻尔兹曼限制，大大提高了放大器中薄膜晶体管的跨导以及输出电阻，使得该放大器可实现超低的工作电压和超高的电压增益。优选的，铁电性氧化物薄膜为铪基铁电性氧化物薄膜、钙钛矿结构铁电氧化物薄膜中的一种。进一步优选的，铪基铁电性氧化物为铪锆氧、铪铝氧、铪镧氧、铪硅氧、铪钇氧、铪锶氧、铪钆氧、铪钕氧或铪钐氧；钙钛矿结构铁电氧化物为锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、锶钛酸钡或铋钽酸锶。有机分子薄膜可采用任何一种有机半导体薄膜，有机半导体材料优选有机小分子半导体或有机聚合物半导体，进一步优选2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩、并五苯等。本专利技术所述的一种超高增益有机放大器的制备方法，包括如下步骤：(1)根据有机放大器的结构，在衬底上制备局域栅极金属层；(2)在局域栅极金属层表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；(3)在介电层表面生长单层有机分子薄膜作为半导体沟道层；(4)在半导体沟道层表面制备电极层。上述步骤(1)中，衬底可为刚性衬底或柔性衬底，当采用柔性衬底时，可得到具有超高增益的柔性有机放大器，从而可在可穿戴式电子设备上应用。局域栅极金属层可根据需要选择多种金属，优选为钛/金双层金属。上述步骤(2)中，优选的，利用原子层沉积技术，在局域栅极金属层表面生长铁电性氧化物薄膜，具体方法为：将做好局域栅极金属层的衬底放置在原子层沉积腔体中，抽真空，将腔体温度升高，然后通入金属源及氧化源，在该衬底表面原位沉积得到均匀的铁电性氧化物薄膜。生长温度根据铁电性氧化物的性质调节，如采用铪锆氧时，生长温度优选为150℃左右。进一步优选的，介电层还包括超薄非铁电性氧化物薄膜，步骤(1)中，铁电性氧化物薄膜生长完成后，可在其表面继续生长一层非铁电性氧化物薄膜，用作隔离保护和电容匹配；较优的，非铁电性氧化物薄膜优选氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化铪、氧化钛等，其厚度优选为0～6nm。上述步骤(3)中，半导体沟道层可以由任何一种有机半导体材料制得，优选有机小分子半导体材料或有机聚合物半导体材料，如并五苯，2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩以及2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩等。半导体沟道层的制备方法包括热蒸镀，气相外延沉积，溶液法等。作为一个优选例，利用溶液半月形剪切法制备半导体沟道层，制备过程具体可为：先将有机半导体材料(如2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩)配制成生长溶液，然后，将生长溶液注入到介电层和刮板的相交处，控制刮板向一个方向连续移动，完成有机分子的成长。当采用2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩作为有机分子时，生长溶液采用的溶剂可为四氢萘，由四氢萘来溶解2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩。生长溶液配置好后，最好放置在水浴中持续加热，确保溶液内有机分子溶解充分，减少有机薄膜上的成核点。上述步骤(3)中，电极层可以选择多种金属，如金，铂，银，以及钛/金等，制备方法包括热蒸镀，电子束蒸镀以及范德华转移法等。作为一个优选例，电极层采用金电极，利用范德华转移法制备。本专利技术的超高增益有机放大器可用于各类微小信号的检测和放大，如人体心电和脉搏等。具体而言，在制备得到超高增益有机放大器后，将微小信号导入到该有机放大器的输入端，在输出端使用电压测试设备采集放大后的信号。专利技术原理：本专利技术的超高增益有机放大器采用铁电性氧化物作为有机薄膜晶体管的介电层，其引入的负电容效应打破了传统有机薄膜晶体管的玻尔兹曼限制，有效提高了放大器中薄膜晶体管的跨导以及输出电阻，结合有机分子薄膜半导体层，实现了有机放大器超低的工作电压和超高的电压增益。根据Landau-Devonshire理论，单畴铁电性材料的吉布斯自由能密度(U)由下式得出：U＝αP2+βP4+γP6-E·P，其中P为极化，E为电场；通过使dU/dP＝0，可以获得连续的P-E曲线：E＝2αP+4βP3+6γP5，其包括响应于外部电场的铁电材料的所有可能的极化状态；在此P-E曲线中，有一部分呈现负P-E斜率，从物理上讲，其代表了负电容区域，即表明铁电性材料可以引入负电容效应。现有铪基铁电氧化物及钙钛矿结构铁电氧化物都具有铁电特性，因此，均可作为晶体管的介电层材料引入负电容效应，用于本专利技术的超高增益有机放大器中，实现有机放大器超低的工作电压和超高的电压增益。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点为：(1)本专利技术的超高增益有机放大器可以在低工作电压下实现超过104的电压增益，最大电压增益可以达到1.1×104，是目前同类结构的最高纪录，远高于目前包括有机半导体，二维材料，碳纳米管，氧化物半导体等体系同类结构已报导的结果；而且，工作电压低至1V，可以实现电池供电；(2)该低电压超高增益的性能使得本专利技术的有机放大器可在超低工作电压下实现对微小信号的检测和方法，为有机半导体器件在低功耗电子领域的应用奠定了基础；(3)本专利技术的有机放大器的制备工艺与柔性衬底相兼容，可以实现柔性有机放大器，为有机半导体器件在可穿戴医疗电子领域的应用奠定了基础；(4)本专利技术的有机放大器结构简单，易于制备，具有扩展成复杂电路的潜能，应用前景广泛。附图说明图1为实施例1制备的超高增益有机放大器的电路图(a)和器件截面示意图(b)；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高增益有机放大器，其特征在于，该超高增益有机放大器由一个驱动晶体管和一个负载晶体管串联构成，其中负载晶体管的栅极与源极短接；所述驱动晶体管和负载晶体管的栅极介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种超高增益有机放大器，其特征在于，该超高增益有机放大器由一个驱动晶体管和一个负载晶体管串联构成，其中负载晶体管的栅极与源极短接；所述驱动晶体管和负载晶体管的栅极介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。


2.根据权利要求1所述的超高增益有机放大器，其特征在于，所述铁电性氧化物薄膜为铪基铁电性氧化物薄膜、钙钛矿结构铁电氧化物薄膜中的一种。


3.根据权利要求1所述的超高增益有机放大器，其特征在于，所述有机分子薄膜为有机小分子半导体薄膜、有机聚合物半导体薄膜中的一种。


4.一种权利要求1所述的超高增益有机放大器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据有机放大器的结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：王欣然，罗中中，施毅，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32