有机单晶场效应晶体管的制备方法技术

本发明专利技术揭示了一种有机单晶场效应晶体管的制备方法，将一些容易结晶的有机材料用适当溶剂配制成墨水，再利用印刷技术将配制好的有机墨水精确打印在预先制备好的源、漏电极之间的沟道中，随着溶剂的挥发，逐渐生长的有机材料单晶会在两个电极间形成桥连，从而获得高效有机单晶场效应管。上述打印和生长过程均可在大气环境下进行，不需要进行专门的除水除氧操作，所获得器件具有很强的抗水氧能力。用本方案所制作有机电子器件尺寸完全由源漏电极的尺寸决定，甚至有机单晶层可达纳米尺度，为目前有机场效应管制作中存在的难以进行大规模、大容量、低成本生产的难题提供了解决方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体晶体管器件的制法工艺，尤其涉及一种有机单晶场效应晶 体管的制备方法。该方法可应用于大规模、大容量和低成本的有机单晶场效应管的生产，对 有机电子器件的应用推广具有深远意义。
技术介绍
有机电子器件，包括有机电致发光(OLED)、有机光伏(OPV)和有机场效应晶体管 (OTFT)等，由于该类产品具有低生产成本的潜在优势，近年来引起国内外很多研究机构的 关注，并在很多方面已经取得了许多瞩目的成果。目前这些器件虽然已经逐步从实验室走 向实用化的领域，但总体上器件的性能还须进一步的提高才可以真正满足人们的应用需要。尤其是对OTFT而言，要想充分利用其低成本的优势进行大规模生产，必须设法提 高有机材料的迁移率。众所周知，器件的迁移率是与有机材料的晶化程度密切相关，为提高 器件性能，必须要提高有机层的晶化度。为此，很多研究组都在进行着辛苦的努力。目前有机层的形成主要是利用真空蒸镀或者溶液法进行沉积的。溶液法相对真空 蒸镀的制作方法，不需要昂贵的真空蒸镀设备，材料消耗比较少，更有利于大规模生产的实 现，因此更受人们的关注。但是一般的溶液法制作的有机层，其材料晶化程度相对真空沉积 获得的有机层要低，因此前者器件的迁移率一般要比后者低一个数量级。有机单晶材料在结构上具有较少的缺陷，不仅具有很高的迁移率，而且对周围环 境中水氧不敏感，相对无定形态的0TFT，优势十分明显。目前有机单晶多用物理气相生长 (PVG)获得，然后再转移到源漏电极上，或者通过自组织(SAM)的方法对衬底表面进行处 理，然后再通过PVG的方法进行单晶生长。然而这两种方法都不易在规模化生产中实现，因 此开发一种同时可以兼顾有机单晶材料高迁移率和溶液法低成本优势的制作方法来获得 高效低成本的有机单晶晶体管显得尤为迫切。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的旨在提供一种有机单晶场效应晶体 管的制备方法，结合打印技术和具有易结晶特性的有机材料的特点，获得工艺简单、低成 本、高迁移率、抗水氧有机单晶晶体管的大规模生产方式。本专利技术的上述目的，是通过以下技术方案得以实现，其特征在于在已制备得到源、漏电极阵列的 衬底表面，通过印刷法将有机分子配制成的墨水打印在源、漏电极间的沟道中，并在一定衬 底温度下将墨水的溶剂完全挥发，同时生长源、漏电极间的桥连。上述技术方案的进一步细化方案，其特征在于包括步骤I、在硅片或聚合物的衬底上制备得到源、漏电极；II、选取具平面结构的有机分子，均勻混合入至少包括乙醇、甲苯、1，4- 二氧六环、三氯甲烷之一的溶剂中，制成墨水；III、在具源、漏电极阵列的衬底表面利用喷墨或气溶胶打印法在成对源、漏电极 间的沟道中定位、打印上墨水；IV、对应所选用的墨水溶剂，控制衬底温度范围在20°C到150°C之间，在溶剂挥发 的同时生长源、漏电极间的桥连，得到衬底上生长形貌可控的有机单晶场效应晶体管。更进一步地，前述步骤I中所述源、漏电极在 衬底上的制备方法为气溶胶印刷法、喷墨印刷法，或真空蒸镀沉积法之一的方法。本专利技术利用打印技术制备高效有机单晶场效应晶体管的方法，较之于现有有机晶 体管的制造技术，可实现低成本、大规模纳米尺度高效有机晶体管的大规模制作。同时，该 制备方法要求的环境很宽松，不需要在手套箱等无水无氧环境下实施，简化了工艺，且制得 的有机电子器件具有很强的抗水氧能力。附图说明图1是有机单晶场效应晶体管的工艺流程示意图。 具体实施例方式以下便结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步的详述，以使本专利技术技术方案更易于理解、掌握。该，利用容易结晶的有机材料溶入适当溶剂作 为墨水，通过印刷技术将配制好的有机墨水精确打印在源、漏电极之间的沟道中，随着溶剂 的挥发，逐渐生长的有机材料单晶会在两个电极间形成桥连，从而获得大容量、高效有机单 晶场效应管。该方法可以用于制作不同结构参数(最小尺寸可达纳米尺度)的器件。细化来看 可以选用多种材料作为衬底，如常规的硅或者聚合物柔性材料等；源、漏电极材质的选择广 泛，如金、银、铜等和PED0T:PSS等聚合物材料；电极制备可以采用气溶胶印刷法、喷墨印刷 法，或真空蒸镀沉积法等方式；有机材料选用范围广，各种容易形成晶体的有机分子(如具 有平面结构的有机分子)都可以作为印刷的墨水原料；有机层印刷方式局限性小，气溶胶 和喷墨打印都适用；该方法适用于大规模大容量产业化有机单晶场效应管的生产。另外，溶 剂的选择要结合具体有机材料单晶生长特性和溶剂本身挥发性等因素来综合考虑、选用， 可选包括乙醇、甲苯、1，4- 二氧六环、三氯甲烷等中的一种溶剂。以下结合附图，从两个实施例分别对该进行说 明。需要说明的是，以下对于实施例的详细说明仅作为实例提供，并非以此限制本专利技术多样 化的实施方式。实施例一首先根据生产规模制取一定大小的硅片衬底1或二氧化硅衬底，然后在硅片衬 底上采用现有成熟的气溶胶打印或喷墨印刷方式制作平行排列的、金的源电极2a、漏电极 2b，同样根据生产规模的大小及具体电极制作的工艺确定适宜的源、漏电极阵列密度；然后选取具平面结构的有机分子，如PXX等等，均勻混合入三氯甲烷中形成饱和 溶液作为墨水。去接着，在硅片衬底1表面根据源、漏电极阵列的密度，利用喷墨或气溶胶打印法在 成对源、漏电极间的沟道中定位，打印上制作好的有机墨水液滴3，墨滴的直径一般可以控 制在10μ -20μπ 左右。最后，对应所选用的墨水溶剂控制硅片衬底1的温度在20°C到150°C的范围内， 一方面使溶剂在气化温度下挥发，另一方面同时生长源、漏电极间的桥连4(即有机单晶晶 体，而所获得的有机单晶晶体长度一般可以从数百纳米到数十微米)，得到衬底上生长形貌 可控的、抗水氧能力强的高效有机单晶场效应晶体管。实施例二由于本实施例的有机单晶场效应管结构及制法工艺上与实施例一基本相同，仅选 材和局部方法上略有不同，故未图示。首先根据生产规模制取一定大小的聚合物衬底，如 PET和PEN等，然后在硅片衬底上采用现有成熟的真空蒸镀沉积的方式制作平行排列的、 PEDOTPSS材质的栅、源和漏电极，同样根据生产规模的大小及具体电极制作的工艺确定适 宜的源、漏电极阵列密度；然后选取具平面结构的有机分子，如PXX等等，均勻混合入三氯甲烷溶剂中制成 墨水；接着、在聚合物衬底表面根据源、漏电极阵列的密度，利用喷墨或气溶胶打印法在 成对源、漏电极间的沟道中定位、打印上制作好的有机墨水液滴，墨滴的直径一般可以控制 ^ 10 μ m-20 μ m ^M ；最后、对应所选用的墨水溶剂控制聚合物衬底的温度在20°C到150°C之间，一方 面使溶剂在气化温度下挥发，另一方面同时生长源、漏电极间的桥连(同实施例一)，得到 衬底上生长形貌可控的、抗水氧能力强的高效有机单晶场效应晶体管。本专利技术在小尺寸，特别是纳米尺度OTFT的制作中相对其他生产方法具有显著优 势。尤其对实现抗水氧、大容量和低成本有机单晶晶体管的大规模生产意义重大。具体来 看(1)可以采用印刷方式在源漏电极间进行精确定位的有机层制备，器件尺寸可以 做到纳米尺度，因此对器件原材料的需求量极低。(2)在有机单晶形成过程中可以采用改变溶剂、适当调整衬底温度等方法对晶体 形貌进行控制。(3)无需在手套本文档来自技高网...

【技术保护点】
有机单晶场效应晶体管的制备方法，其特征在于：在已制备得到源、漏电极阵列的衬底表面，通过印刷法将有机分子配制成的墨水打印在源、漏电极间的沟道中，并在一定衬底温度下将墨水的溶剂完全挥发，同时生长源、漏电极间的桥连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张东煜，崔铮，林剑，邱松，苏文明，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]