专利名称：一种有机单晶晶体管阵列及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种场效应晶体管阵列的制备方法，尤其涉及一种有机单晶晶体管阵
列的制备方法，属于半导体材料领域。
背景技术：
有机场效应晶体管可以应用于有源驱动显示、大规模集成电路、传感器、有机激光 等，具有广阔的应用前景。相对于无机半导体材料，应用于有机场效应晶体管的有机半导体 材料具有成本低、产量高、质轻柔软等优点，并且有机半导体有望在分子区域内实现对电子 运动的控制，有望突破Moore定律的限制，极大地提高电路的集成度与计算机的运行速度。
有机场效应晶体管的发展是先从有机薄膜场效应晶体管开始的，但是其性能受薄 膜形貌和制备情况的影响很大，而有机单晶内则不存在晶界，也排除了分子排列无序的问 题，因此有机半导体单晶场效应晶体管成为当今世界的研究热点。但是目前的组装技术大 多还是手工操作有机单晶进而制备晶体管器件，这样不但会引入一些缺陷，降低器件的性 能，而且也不适用于组装大面积有机单晶晶体管的密集阵列。另外有机单晶晶体管阵列还 可以显著地降低器件间的漏电流，进而提高器件的性能，所以发展新的有机单晶晶体管阵 列的组装技术具有重大意义。 在2006年，美国Standford大学的Zhenan Bao等人采用物理气相传输方法和 聚二甲基硅氧烷(以下简称PDMS)打印技术相结合的方法制备了大面积微晶晶体管阵列 (A. L. Briseno， Zhenan Bao， et al. Nature, 2006， 444 :913-917)，随后他们又对此方法进 行了改进，但是微纳米晶体在晶体管绝缘层和源漏电极表面排列的均匀性较差，直接影响 了器件的性能。此外其它的一些组装技术，比如溶液法(Stefan C. B. Mannsfeld， Zhenan Bao，et al. Advanced Materials, 2008， 20 :4044_4048) 、"Dry-t卿ing，，法(Shuhong Liu， Zhenan Bao，et al. Chem. Mater， 2009， 21 :15-17)等，也没有很好解决晶体排列均匀性差的 问题。
发明内容
针对上述现有制备大面积微晶晶体管阵列技术的不足，本发明的目的旨在提出一 种有机单晶晶体管阵列及其制备方法，克服现有手工操作有机单晶制备晶体管阵列器件所
带来的一些问题，并进一步发展大面积微晶晶体管阵列的组装技术。
本发明的一个目的，将通过以下技术方案来实现 —种有机单晶晶体管阵列，所述阵列为底栅极底接触结构，自底部朝向上表面依 次包括基底的栅极、绝缘层、源漏电极阵列及有机半导体晶体，其特征在于所述源漏电极 阵列表面修饰有诱导晶体生长的石墨烯，有机半导体晶体生长于石墨烯薄膜之上。
进一步地，其中所述的源漏电极阵列为金属电极，其厚度为40nm，沟道长度可选包 括10 m 100 m ;而所述有机半导体晶体的生长原料至少包括并五苯、红荧烯、C60。
本发明另一目的的实现，通过一种有机单晶晶体管阵列的制备方法，其特征在于
3包括步骤 1、选用掺杂的硅片作为基底的栅极，并在栅极上部制备硅的氧化绝缘层，得到底 片；II、通过光刻在底片上制备源漏电极阵列；III、制备与源漏电极阵列相吻合的PDMS阵 列，再将石墨烯涂布到该PDMS阵列上并风干；IV、通过将两阵列压合，去除PDMS阵列，将石 墨烯遮覆于源漏电极阵列之上；V、对步骤IV所得晶体管表面通过物理气相传输方法蒸镀 有机半导体材料，调控生长工艺参数，制备得到有机单晶晶体管阵列。 进一步地，前述一种有机单晶晶体管阵列的制备方法，步骤III中该涂布的石墨 烯浓度范围以0. 1-1M为宜。用PDMS面板将石墨烯转移到源漏电极和Si02绝缘层表面时， 只需将带有石墨烯的PDMS面板轻压在底片上3-8分种，处理后无需清洗或加热处理。
应用实施本发明的技术方案，其有益效果为 本发明通过对底片进行修饰诱导晶体生长，成功制得了排列均匀性佳的大面积有 机单晶晶体管阵列，有效克服了传统手工操作有机单晶进而制备晶体管器件的诸多缺陷，
促进了有机场效应晶体管的研究应用。
具体实施例方式
本发明提供了一种组装有机单晶场效应晶体管阵列的方法在以Si为基底的 Si02表面上，先通过光刻技术制备好源漏电极阵列，然后制备好与源漏电极阵列相对应的 PDMS阵列；再在PDMS阵列表面修饰石墨烯等有机材料后，通过传递打印方法将石墨烯转移 到源漏电极和Si02表面，然后将处理好的硅片放置到物理气相传输方法生长装置中，调控 生长工艺参数，即可在石墨烯修饰过的基片阵列表面上生长得到有机半导体单晶，从而制 备出大面积微晶晶体管阵列。 本发明中组装有机单晶场效应晶体管阵列的具体步骤为 (1)首先采用的栅极为掺杂的硅片，上面是经热氧化得到的300nm厚的Si02绝缘 层。我们通过光刻技术在底片上制备源漏电极阵列，源漏电极为金电极，厚度为40nm，沟 道长度可为10 ii m、20 ii m、50 y m、 100 y m等，然后再制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵 列； (2)将配好的石墨烯溶液用棉签涂到PDMS阵列面板上，待表面风干后，将PDMS阵 列面板轻压在制备好的源漏电极阵列上，3-8分钟后即可移去，制备好的底片无需清洗或加 热处理。
(3)将该硅片放置到物理气相传输方法生长装置中，有机半导体原料选用并五苯、
红荧烯、C60等。调控生长工艺参数，并五苯、红荧烯、C60原料所在升华区温度分别设置为
260-270。C 、270-285 。C 、500-520。C ，衬底所在沉积区温度分别设为220-240。C 、230-250。C 、
410-425t:，真空度设为0. 36-0. 40mmHg。蒸镀30-60分钟即可在石墨烯修饰过的基片阵列
表面上生长得到有机半导体单晶，从而制备出大面积微晶晶体管阵列。 以下通过本发明若干具体的实施例，以便进一步说明本发明的制备工艺 实施例1 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘层。 通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度可为 10ym。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印石墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 36mmHg，采用并五苯粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为26(TC，衬底所在沉积区温度设为24(TC，蒸镀30min即得到并五苯单晶晶体管阵 列。 实施例2 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘层。 通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度可为 50iim。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印石 墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 38mmHg，采用并五苯粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为265t:，衬底所在沉积区温度设为23(TC，蒸镀40min即得到并五苯单晶晶体管阵 列。 实施例3 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘 层。通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度 为100 ii m。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印 石墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 40mmHg，采用并五苯粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为27(TC，衬底所在沉积区温度设为22(TC，蒸镀60min即得到并五苯单晶晶体管阵 列。 实施例4 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘层。 通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度可为 10ym。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印石 墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 36mmHg，采用红荧烯粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为27(TC，衬底所在沉积区温度设为25(TC，蒸镀30min即得到红荧烯单晶晶体管阵 列。 实施例5 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘层。 通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度可为 20iim。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印石 墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 37mmHg，采用红荧烯粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为275t:，衬底所在沉积区温度设为24(TC，蒸镀40min即得到红荧烯单晶晶体管阵 列。 实施例6 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘 层。通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度为100 m。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印 石墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 40mmHg，采用红荧烯粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为285t:，衬底所在沉积区温度设为23(TC，蒸镀60min即得到红荧烯单晶晶体管阵 列。 实施例7 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘层。 通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度可为 10ym。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印石 墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 36mmHg，采用并C60粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华 区温度为50(TC，衬底所在沉积区温度设为425t:，蒸镀30min即可得到C60单晶晶体管阵 列。 实施例8 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘层。 通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度可为 50iim。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印石 墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 38mmHg，采用C60粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华区 温度为51(TC，衬底所在沉积区温度设为42(TC，蒸镀30min即可得到C60单晶晶体管阵列。
实施例9 采用N型重掺杂的硅片作为栅极，通过热氧化工艺得到300nm厚的Si02绝缘 层。通过光刻技术在绝缘层上制备源漏电极阵列，电极材料为金，厚度为40nm，沟道长度 为100 ii m。然后制备与源漏电极阵列相对应的PDMS阵列，并在该PDMS阵列上涂制、转印 石墨烯等有机材料薄膜到源漏电极阵列上。在物理气相传输方法生长装置中，真空度设为 0. 40mmHg，采用C60粉末为原料，以上步制得的源漏电极阵列为衬底，设置原料所在升华区 温度为52(TC，衬底所在沉积区温度设为41(TC，蒸镀30min即可得到C60单晶晶体管阵列。
权利要求
一种有机单晶晶体管阵列，所述阵列为底栅极底接触结构，自底部朝向上表面依次包括基底的栅极、绝缘层、源漏电极阵列及有机半导体晶体，其特征在于所述源漏电极阵列表面修饰有诱导晶体生长的石墨烯，有机半导体晶体生长于石墨烯薄膜之上。
2. 根据权利要求1所述的一种有机单晶晶体管阵列，其特征在于所述源漏电极阵列为金属电极，其厚度为40nm，沟道长度可选包括10 ii m 100 ii m。
3. 根据权利要求1所述的一种有机单晶晶体管阵列，其特征在于所述有机半导体晶 体的生长原料至少包括并五苯、红荧烯、C60。
4. 一种有机单晶晶体管阵列的制备方法，其特征在于包括步骤 1、选用掺杂的硅片作为基底的栅极，并在栅极上部制备硅的氧化绝缘层，得到底片； I工、通过光刻在底片上制备源漏电极阵列；ni、制备与源漏电极阵列相吻合的聚二甲基硅氧烷阵列，再将石墨烯涂布到该聚二甲基硅氧烷阵列上并风干；IV、 通过将两阵列压合，去除聚二甲基硅氧烷阵列，将石墨烯遮覆于源漏电极阵列之上；V、 对步骤IV所得晶体管表面通过物理气相传输方法蒸镀有机半导体材料，调控生长 工艺参数，制备得到有机单晶晶体管阵列。
5. 根据权利要求4所述的一种有机单晶晶体管阵列的制备方法，其特征在于步骤III 中涂布的石墨烯浓度范围为0. I-IM。
全文摘要
本发明揭示了一种有机单晶晶体管阵列，该晶体管阵列为底栅极底接触结构，自底部朝向上表面依次包括基底的栅极、绝缘层、源漏电极阵列及有机半导体晶体，其特征在于所述源漏电极阵列表面修饰有诱导晶体生长的石墨烯，有机半导体晶体生长于石墨烯薄膜之上。通过PDMS打印技术与物理气相传输方法相结合，特别是在石墨烯的诱导下在源漏电极阵列及绝缘层表面生长有机半导体单晶。由本发明方法制备所得的有机单晶晶体管阵列，具有单晶排列均匀的优点，且能适用于大多数有机半导体材料，有效克服了传统手工操作有机单晶进而制备大面积晶体管器件的诸多缺陷，促进了有机场效应晶体管的研究应用。
文档编号H01L21/8234GK101789440SQ20101012279
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者包峰, 张锦平, 张鹏强, 徐科, 曾雄辉, 黄凯 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所