一种改善有机薄膜晶体管性能的方法

摘要

本发明公开了一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，其包括了将二氧化硅的P型掺杂硅片切割成小片，经去离子水、丙酮、乙醇清洗烘干，然后再滴入OTS，旋涂上OTFT新型活性层材料BFTII和经典材料P3HT的混合溶液，经热退火等步骤处理，本发明方法制造成本低，工艺简单，通过在新型低聚OTFT活性层材料中掺杂聚合物和热退火方法，即可使得OTFT在保持较低阈值电压的条件下，载流子迁移率提升两个以上数量级，开关比也能上升一个数量级，适于大规模产业化应用。

权利要求

1.一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，其步骤如下：

步骤一：将单面带有厚度为300nm二氧化硅的p型掺杂硅片压在无尘纸上，沿刻度标尺用金刚石尖刀拉划切割成小片；

步骤二：将经过步骤一处理的硅片依次经去离子水清洗10分钟、丙酮清洗20分钟、乙醇清洗15分钟，在80℃下烘30分钟后取出；

步骤三：将经过步骤二处理的硅片置于培养皿中放入真空干燥箱，在培养皿中硅片旁用毛细吸管滴入一滴OTS，在120℃下烘3小时后取出；

步骤四：将经过步骤三处理的硅片转移到惰性气体手套箱，旋涂上OTFT活性层材料BFTII和P3HT的混合溶液，热退火，BFTII的分子结构如下：步骤五：热退火处理后转移到真空腔室，装好金属掩模板，真空沉积一层金电极；

步骤六：电极蒸镀完毕后，用测试台和Keithley源表对制得的OTFT进行电学性能测试；

步骤七：涂紫外固化胶、盖上玻璃片、紫外固化，封装完毕。

2.根据权利要求1所述的一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，所述步骤一中单个硅片切割尺寸为1.6cm×1.4cm。

3.根据权利要求1所述的一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，所述步骤四中将P3HT掺入BFTII用氯仿做溶剂配成溶液的浓度为4mg/mL，P3HT占溶质的质量百分比从0％开始每

10％增加一次进行比较。

4.根据权利要求1所述的一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，所述步骤四中旋涂转速为3000r/min，持续时间30秒，厚度为60nm。

5.根据权利要求1所述的一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，所述步骤四中热退火为130℃真空退火10分钟。

6.根据权利要求1所述的一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，所述步骤五中金属掩膜板的沟道长为80μm，沟道宽为8800μm。

7.根据权利要求1所述的一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，所述步骤五中电极的沉积速度为

说明书

一种改善有机薄膜晶体管性能的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到有机场效应晶体管的制备方法，尤其涉及到一种改善有机薄膜晶体管性能的方法。

背景技术

[0002] 无机电子器件问世以后，基于有机半导体的电子器件的应用前景随着时间的推移而越发广阔，比如有机太阳能电池、有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机光电存储器等纳米器件。其中，有机场薄膜晶体管，简称organic thin-film transistor(OTFT)，在经历了多年的调查研究后，其颇具吸引力的特征逐渐映入大众眼帘。

[0003] OTFT的独特优势在于它可实现大面积机械柔性显示，同时拥有高性能、低功耗、低成本和易加工等技术特点，作为显示器色彩丰富清晰。如今对于OTFT的追求之一在于进一步地缩短响应时间提升其性价比，诸多的努力也使得OTFT在环境生物等领域的传感检测方面有用武之地。比如，Narayan和他的团队最初研究出的一种基于poly(3-octylthiophene-2,5-diyl)的OTFT光传感器，就已经可以获得100的开关电流的比(K.S.Narayan and N.Kumar,Appl.Phys.Lett.2001,79,1891-1893).。由此，各国各公司、高等院校和科研院所开始紧张密集地研究，以角逐这个行业的龙头老大，争取研发OTFT应用产品的一席之地。

[0004] OTFT中使用的有机材料基本可分为两类，一是聚合物，比如商业化药品poly(3-hexylthiophene)，简称P3HT；另一类则是小分子，典型例子则是并五苯。由于众多聚合物中强大的π–π键间作用可以大大促进载流子的传输，越来越多的研究致力于各种能改善OTFT载流子迁移率、电流开关比、阈值电压和亚阈值摆幅等性能参数的有机新型功能材料的使用。为了进一步增强OTFT性能，努力工作主要集中在以下几个方面：(1)研究探寻合成路线以构建出更利于载流子传输的材料模型，主要用于活性层、介电层和部分修饰层材料材料。(2)与传统的涂膜技术相比较，溶液法等新型途径获得的有机薄膜在大面积、低成本的OTFT器件制备技术中更有潜在优势。甚至在2014年，S.Tiwari等人发现悬浮膜转移法获得的OTFT电学性能比旋涂膜法制备的器件效果更佳(S.Tiwari,W.Takashima,S.Nagamatsu,S.K.Balasubramanian,and R.Prakash,J.Appl.Phys.2014,116,094306)。(3)由于载流子流经的活性层与介电层的距离仅为几个分子的厚度，所以半导体和介电层的界面效应成为改善OTFT性能的重要方式之一，通过适当的界面修饰或自组装处理可以显著提升其载流子迁移率(X.Zhao,Q.Tang,H.Tian,Y.Tong,and Y.Liu,Org.Electron.2015,16,171-176)。
(4)此外，越来越多的小组开始在活性层中掺杂各种有机分子，以此进一步增强其导电性。
不同有机材料的掺杂浓度会导致OTFT活性层表面形貌的变化，部分还会由于结晶度的差异影响其性能(H.Kleemann,C.Schuenemann,A.A.Zakhidov,M.Riede,B.Lüssem,and K.Leo,Org.Electron.2012,13,58-65)。

[0005] 虽然我国的科研水平与发达国家几乎同步，但是OTFT经典活性层材料的单一使用使得性价比无法进一步提升，导致基于OTFT器件的产业化生产应用明显不足。

[0006] 但是现有技术存在的问题有：(1)传统经典材料的频繁使用致使制备成本过高；(2)制备OTFT工艺手段较为复杂；(3)传统器件能耗太大等。

发明内容

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种在新型低聚材料中掺杂聚合物改善有机薄膜晶体管性能的方法，其技术方案如下：

[0008] 一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，其步骤如下：

[0009] 步骤一：将单面带有厚度为300nm二氧化硅的p型掺杂硅片压在无尘纸上，沿刻度标尺用金刚石尖刀拉划切割成小片；

[0010] 步骤二：将经过步骤一处理的硅片依次经去离子水清洗10分钟、丙酮清洗20分钟、乙醇清洗15分钟，在80℃下烘30分钟后取出；

[0011] 步骤三：将经过步骤二处理的硅片置于培养皿中放入真空干燥箱，在培养皿中硅片旁用毛细吸管滴入一滴OTS，在120℃下烘3小时后取出。

[0012] 步骤四：将经过步骤三处理的硅片转移到惰性气体手套箱，旋涂上OTFT新型活性层材料BFTII和经典材料P3HT的混合溶液，热退火，BFTII的分子结构如下：

[0013]

[0014] 步骤五：热退火处理后转移到真空腔室，装好金属掩模板，真空沉积一层金电极。

[0015] 步骤六：电极蒸镀完毕后，用测试台和Keithley源表对制得的OTFT进行电学性能测试。

[0016] 步骤七：涂紫外固化胶、盖上玻璃片、紫外固化，封装完毕。

[0017] 所述步骤一中单个硅片切割尺寸为1.6cm×1.4cm。

[0018] 所述步骤四中将P3HT掺入BFTII用氯仿做溶剂配成溶液的浓度为4mg/mL，P3HT占溶质的质量百分比从0％开始每10％增加一次进行比较。

[0019] 所述步骤四中旋涂转速为3000r/min，持续时间30秒，厚度为60nm。

[0020] 所述步骤四中热退火为130℃真空退火10分钟。

[0021] 所述步骤五中金属掩膜板的沟道长为80μm，沟道宽为8800μm。

[0022] 所述步骤五中电极的沉积速度为

[0023] 本发明制造成本低，工艺简单，通过在新型低聚OTFT活性层材料中掺杂聚合物和热退火方法，即可使得OTFT在保持较低阈值电压的条件下，载流子迁移率提升两个以上数量级，开关比也能上升一个数量级，适于大规模产业化应用。

附图说明

[0024] 图1制得的OTFT结构示意图。

[0025] 图2 BFTII活性层在不同P3HT掺杂浓度下的X射线衍射图谱。

[0026] 图3纯BFTII活性层的原子力显微图像。

[0027] 图4 BFTII活性层在10％P3HT掺杂浓度下的原子力显微图像。

[0028] 图5 BFTII活性层在20％P3HT掺杂浓度下的原子力显微图像。

[0029] 图6 BFTII活性层在30％P3HT掺杂浓度下的原子力显微图像。

[0030] 图7 BFTII活性层在40％P3HT掺杂浓度下的原子力显微图像。

[0031] 图8制得的性能最佳OTFT器件为P3HT在活性层中掺杂浓度20％时的转移特性曲线。

[0032] 图9制得的性能最佳OTFT器件为P3HT在活性层中掺杂浓度20％时的输出特性曲线。

[0033] 图10 OTFT载流子迁移率在不同P3HT掺杂浓度下的比较。

[0034] 图11 OTFT电流开关比在不同P3HT掺杂浓度下的比较。

[0035] 图12 OTFT阈值电压在不同P3HT掺杂浓度下的比较。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图，对本发明做进一步的阐述。

[0037] 本发明提供了一种改善有机薄膜晶体管性能的方法，其具体步骤如下：

[0038] 步骤一：方案的实施主要包括基底材料的选择，介电层的修饰处理、活性层的制备、热退火处理、电极沉积和产品封装等，制备好的器件结构示意图如附图1所示，从下向上依次为栅极电极基底(Si)、介电层(SiO2)、修饰层(OTS)、掺杂的活性层(P3HT+BFTII)和金源漏电极(Au)。基底材料既可以选择玻璃、硅片，又可以选择其他柔性基底材料，如PC、PET塑料等。基底材料主要是根据目标产品的用途来决定，如果需要用来照明透射，选择玻璃基底最为合适；如果要用作贴合可变形的显示板或传感检测，那么选择柔性基底更好。该发明选择了单光抛面的p型掺杂硅片同时做为基底和栅极，单面的二氧化硅层用作栅极介电层，可谓“一片三用”。将单面带有厚度为300nm二氧化硅的p型掺杂硅片压在无尘纸上，沿刻度标尺用金刚石尖刀拉划切割成小片。

[0039] 所述步骤一中单个硅片切割尺寸为1.6cm×1.4cm。

[0040] 步骤二：将经过步骤一处理的硅片依次经去离子水清洗10分钟、丙酮清洗20分钟、乙醇清洗15分钟，在80℃下烘30分钟后取出；

[0041] 步骤三：硅片的表面有一层300nm厚的二氧化硅介电层，接下来需要用OTS对其进行修饰。将经过步骤二处理的硅片置于培养皿中放入真空干燥箱，在培养皿中硅片旁用毛细吸管滴入一滴Octadecyltrimethoxysilane，简称OTS，在120℃下烘3小时后取出。

[0042] 步骤四：将经过前一步修饰处理的硅片转移到惰性气体手套箱，旋涂上OTFT新型活性层材料BFTII和经典材料P3HT的混合溶液，在130℃下热退火10分钟。

[0043] 从附图2中BFTII活性层在不同P3HT掺杂浓度下的X射线衍射图谱可见，随着活性层掺入的P3HT浓度从0变化到20％，热退火过程后的活性层分子呈现良好结晶度，继续增大浓度，则对应的结晶度也有所下降，而从对应的原子力显微图表面形貌也可以看出相应的关系。附图3中BFTII活性层的原子力显微图像显示出纯BFTII分子呈现棒状堆叠的状态，相互之间有很多空隙，随着活性层掺入的P3HT浓度从0逐渐增加的过程中，P3HT分子逐渐填充进了之前的空隙之间，使得表面愈加平整，附图4、附图5、附图6和附图7分别为BFTII活性层在10％、20％、30％和40％的P3HT掺杂浓度下的原子力显微图。

[0044] 所述步骤四中新型材料BFTII的分子结构如下：

[0045]

[0046] 该活性层材料BFTII是一种新型低聚有机半导体，其最高占据分子轨道能级(HOMO)和最低未占据分子轨道能级(LUMO)分别为-5.09eV和-3.60eV，做为OTFT的活性层能表现出很好的场效应特性。

[0047] 所述步骤四中将P3HT掺入BFTII用氯仿做溶剂配成溶液的浓度为4mg/mL，P3HT占溶质的质量百分比从0％开始每10％增加一次进行比较。

[0048] 所述步骤四中旋涂转速为3000r/min，持续时间30秒，厚度为60nm。

[0049] 所述步骤四中热退火为130℃真空退火10分钟。

[0050] 步骤五：热退火处理后转移到真空腔室，在基片上装好金属掩模板，真空沉积金属电极，沉积源极和漏极，金属材料为金，蒸镀金电极。

[0051] 所述步骤五中金属掩膜板的沟道长为80μm，沟道宽为8800μm。

[0052] 所述步骤五中电极的沉积速度为

[0053] 步骤六：电极蒸镀完毕后，用测试台探针分别连接OTFT的三个电极并通过Keithley源表能够对制得的OTFT进行电学性能测试，性能最佳OTFT器件为P3HT在活性层中掺杂浓度20％时的情况，其转移特性曲线和输出特性曲线分别见附图8和附图9所示，迁移率达到1.83×10-2cm2V-1s-1，同时电流开关比也达到极高的104.4。各OTFT载流子迁移率和电流开关比在不同P3HT掺杂浓度下的比较分别见附图10和附图11，随着P3HT掺杂浓度增加至20％，载流子迁移率相比未掺杂时提升了两个数量级，开关比也上升了一个数量级，继续掺杂至40％则又逐渐减小。由附图12中OTFT阈值电压在不同P3HT掺杂浓度下的比较可以看出，在掺杂浓度的改变过程中，OTFT阈值电压始终保持在较低值。

[0054] 步骤7：测试完毕后，在四周涂上紫外固化胶，盖上盖玻璃，紫外固化，即完成了封装，整个器件制备、测试和封装过程完毕。