一种双极性聚合物场效应晶体管及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双极性聚合物场效应晶体管及其制备方法与应用，属于有机电子 学领域。
【背景技术】
[0002] 有机/聚合物场效应晶体管由于其在柔性电子纸，智能卡片和平板显示等方面的 巨大应用前景，倍受国内外广大科研工作者的关注。从1980年起，有机/聚合物半导体材料 作为有机/聚合物场效应晶体管的重要组成部分，一直是大家研究的重点。随着给体-受体 共辄聚合物的快速发展，其空穴迀移率已经达到了前所未有的水平。然而，目前绝大多数的 有机聚合物半导体材料只展示出单极性，只有很少一部分能被测试到双极性;双极性半导 体聚合物材料的研究将是迫切需要的，因为其在逻辑电路能耗方面非常小。
[0003] 另外，器件制备工艺的发展也带动着有机/聚合物场效应晶体管改善其性能，甚至 展现出很好的双极性。考虑到聚合物半导体材料的溶解性好，可以大面积溶液法加工制备， 其在高性能场效应晶体管器件和电路方面起了非常关键性的作用。众所周知，绝缘层和半 导体层间的界面是有机/聚合物场效应晶体管器件性能的关键所在;科研工作者大多数都 是从半导体材料角度去改善界面（H. Yan，Z · H · Chen，Y · Zheng，C · Newman，J · R · Quinn， F.Dotz，M.Kastler，A.Facchetti ,Nature 457(2009)679-686)，其实从绝缘层材料角度去 改变界面也是一个很好的办法。国际上已有课题组尝试使用不同的绝缘层材料制备有机/ 聚合物场效应晶体管器件，虽然他们通过这个方法能单方面地改善了一种载流子（电子或 者空穴）的迀移率，但会不同程度地降低另一种载流子(空穴或电子）的迀移率(K.J.Baeg， D.Khim,S.ff.Jung,M.Kang,I.K.You,D.Y.Kim,A.Facchetti,Y.Y.Noh,Adv.Mater.24(2012) 5433-5439；E.J.Meijer,D.M.De Leeuw,S.Setayesh,E.Van Veenendaal,B-H.Huisman, P.W.M.Blom，J.C.Hummelen，U.Scherf，T.M.Klapwijk，Nat.Mater.2(2003)678-682)。目前， 现有方法均不能做到提高有机/聚合物场效应晶体管的双极性传输性能，即均不能做到电 子和空穴迀移率都得到同时提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种双极性聚合物场效应晶体管及其制备方法与应用。本发 明双极性聚合物场效应晶体管的电子和空穴的迀移率都得到了提高，且其制备方法简单易 行。
[0005] 本发明提供了一种双极性聚合物场效应晶体管，它由下至上依次为衬底、源漏电 极、半导体层、绝缘层、栅极电极；
[0006] 所述绝缘层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
[0007] 上述的晶体管中，所述衬底的材料为硅片和/或玻璃；
[0008] 所述源漏电极的材料为金；
[0009] 所述源漏电极的厚度可为20~30纳米，具体可为20纳米或20~28纳米。
[0010] 上述的晶体管中，所述半导体层的厚度可为30~50纳米，具体可为30纳米或30~ 45纳米；
[0011] 所述半导体层的材料为具有双极性特性的聚合物材料，具体地，所述具有双极性 特性的聚合物材料为聚[2,6_双(2-辛基十二烷基)-1，4,5,8_萘酰亚胺-alt-5,5'-:(l， Γ-连二噻吩)噻吩]共聚物和聚[2,6_双(2-辛基十二烷基)-l，4,5,8-萘酰亚胺-alt-5,5'_ 二（噻吩-2-基）-2，2 ' -(反式）-2-( 2-(噻吩-2-基）乙烯基）噻吩]共聚物，分别简称P (NDI20D-T2WPPNVT-8;
[0012] 所述半导体层的材料的重均分子量可为10~100千道尔顿，具体可为40~70千道 尔顿;所述聚合物半导体具体采用的？(冊120012)和?附1'-8的重均分子量分别为43.4千道 尔顿和64.1千道尔顿；
[0013] 所述绝缘层的厚度可为850~1000纳米，具体可为1000纳米或900~1000纳米； [0014] 所述聚甲基丙烯酸甲酯的重均分子量可为120~1000千道尔顿，具体可为120千道 尔顿、550千道尔顿、1000千道尔顿、120~550千道尔顿或550~1000千道尔顿；
[0015] 所述栅极电极的厚度可为80~100纳米，具体可为85~100纳米或100纳米；
[0016] 所述栅极电极的材料为金和/或铝。
[0017] 本发明还提供了上述双极性聚合物场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：1) 在衬底上沉积带有图案的源漏电极；
[0018] 2)在步骤1)中沉积有源漏电极的衬底上旋涂聚合物半导体，得到聚合物半导体 层；
[0019] 3)在步骤2)中所述聚合物半导体层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，得到聚甲基丙烯酸 甲酯层；
[0020] 4)在步骤3)中所述聚甲基丙烯酸甲酯层上沉积栅极电极，即得到双极性聚合物场 效应晶体管。
[0021] 上述的制备方法中，步骤1)中，所述沉积采用真空蒸镀方法;所述真空蒸镀的真空 度可为 5 X 10-4~8 X 10-4Pa，具体可为 8 X 10-4Pa或 6 X 10-4~8 X 10-4Pa;
[0022] 所述沉积的速度可为0.5~1.5埃每秒，具体可为1埃每秒、0.5~1埃每秒或1~1.5 埃每秒。
[0023] 上述的制备方法中，步骤1)中，在沉积所述源漏电极之前还包括对所述衬底依次 经去离子水、乙醇和丙酮超声清洗后烘干的步骤；
[0024]步骤1)之后还包括用乙醇超声清洗，然后用高纯氮气气枪吹干的步骤。
[0025] 上述的制备方法中，步骤2)和3)中均采用溶液法旋涂所述半导体和所述聚甲基丙 烯酸甲酯，所述半导体和所述聚甲基丙烯酸甲酯均溶解于乙酸正丁酯中。
[0026] 本发明中，所述半导体层的制备和所述绝缘层的制备过程均在高纯氮氛的手套箱 内完成。
[0027] 上述的制备方法中，步骤2)和3)中均包括对所述半导体层和所述绝缘层退火烘干 的步骤，所述退火烘干的温度可为90~100°C，具体可为100°C，所述退火烘干的时间可为30 ~40min，具体可为30min或30~36min。
[0028] 上述的制备方法中，步骤4)中，所述沉积采用真空蒸镀方法;所述真空蒸镀的真空 度可为 5 X 10-4~8 X 10-4Pa，具体可为 8 X 10-4Pa或 5 X 10-4~8 X 10-4Pa;
[0029] 所述沉积的速度可为1.5~2.5埃每秒，具体可为2埃每秒、1.5~2埃每秒或2~2.5 埃每秒。
[0030] 本发明双极性聚合物场效应晶体管应用于有机电子学和集成电路加工中，具体应 用在柔性电子纸、智能卡片和/或平板显示器中。
[0031] 本发明具有以下优点：
[0032] 1、本发明选用了不同分子量的聚甲基丙烯酸甲酯作为制备聚合物场效应晶体管 器件的绝缘层材料，来源广泛且成本低，从而更进一步降低了聚合物场效应晶体管器件的 成本；
[0033] 2、本发明采用乙酸正丁酯作为聚甲基丙烯酸甲酯溶液的溶剂；由于乙酸正丁酯对 有机半导体材料不具有溶解能力，可以达到很好的"正交溶剂"的效果。
[0034] 3、本发明双极性聚合物场效应晶体管的制备方法结合溶液法加工技术和真空蒸 镀技术，制备工艺简单，容易制备加工。
[0035] 4、本发明所制备的聚合物场效应晶体管的特性-双极性（即电子和空穴的迀移率） 都得到了提高。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明实施例1和实施例2中所采用的器件结构示意图。
[0037]图2为本发明实施例1中的P(NDI20D-T2)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的化学分子 式，其中图2a)为P (ND 120D-T2)的化学分子式，图2b)为PMM的化学分子式。
[0038]图3为本发明实施例2中所采用PNVT-8的化学分子式。
[0039] 图4为本发明实施例1中基于P(NDI20D_T2)的聚合物场效应晶体管测试获得的转 移曲线。（a)和(b)为聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为120千道尔顿时聚合物场效应晶体管测 试的转移曲线；（c)和(d)为聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为550千道尔顿时聚合物场效应晶 体管测试的转移曲线；（e)和(f)为聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为1000千道尔顿时聚合物场 效应晶体管测试的转移曲线。
[0040] 图5为本发明实施例2中基于PNVT-8的聚合物场效应晶体管测试获得的转移曲线。 (a)和(b)为聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为120千道尔顿时有机场效应晶体管测试的转移曲 线；（c)和(d)为聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为550千道尔顿时聚合物场效应晶体管测试的 转移曲线；（e)和(f)为聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为1000千道尔顿时聚合物场效应晶体管 测试的转移曲线。
【具体实施方式】
[0041 ]下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0042]下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0043]实施例1、P (NDI20D-T2)为聚合物半导体层的有机场效应晶体管
[0044] 第一步，源漏电极的制备：
[0045] 在康宁玻璃衬底依次经过去离子水、乙醇和丙酮超声清洗并烘干后，采用金属掩 膜方法，将金属掩膜板盖在康宁玻璃衬底上，放入真空镀膜机中，将真空度抽真空至8X HT 4Pa下，然后加热钨丝框蒸发源上的金，使其以1埃每秒的速度沉积到盖有金属掩膜板的康 宁玻璃