专利名称：基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管及制备方法
技术领域：
本发明涉及场效应光电晶体管技术，具体地讲是一种基于并五苯的垂直 构型有机场效应光电晶体管及制备方法。
背景技术：
众所周知，在有机场效应光电晶体管(又称"有机场效应光敏晶体管"或 "有机光电场效应晶体管")中，场效应晶体管的跨导是用来放大光电流的。
典型的有机场效应光电晶体管具有与有机场效应晶体管(OFETs)相同的结 构，都具有三个导电极(即源极、漏极和基极)以及一层有机半导体层。在 光照期间，有机材料内部产生激子并紧接着分裂为自由载流子，其中的某一 种载流子就被陷在器件内的载流子陷阱中。事实上，有机场效应光电晶体管 是一种不断内建被陷载流子的集成器件。这种内建载流子不断改变场效应晶 体管的阈值电压---这样就转化为放大的漏电流。要得到高增益，必须能有效 地产生光生自由载流子、具有良好的场效应晶体管特性以及能有效地捕捉某 一种载流子。至今，对于不同的有机半导体材料，许多人都注意到了光照条 件下有机场效应晶体管的漏电流增强行为。
与有机光电二极管以及有机双极光电晶体管相比，工作在场效应晶体管 的"关"态下的有机场效应光电晶体管具有较高的增益和信噪比。而且，由于 有机场效应光电晶体管具有与OFETs相似的结构，与其它有机光电探测器 相比，把有机场效应光电晶体管与OFETs集成到电路中会更加直接且简单。 因此，有机场效应光电晶体管是实现全有机图像传感器的很有前景的器件。
另外，自从第一个OFETs被报道以来，传统结构的有机薄膜晶体管一直 是国内外研究的热点。高性能(场效应迁移率A为2.7cmV^s，"开/关"电流 比为108)、多功能(双极、超导)OFETs以及光电集成电子器件(由OFETs 驱动的发光二极管)等的出现，使OFETs的研究取得了突破性进展。OFETs 的研究将为实现全有机电路打下基础。近几年研究的重点集中在对新有机材 料的合成、薄膜形态结构控制；利用单晶有机晶体管来研究载流子传输的深 层次问题以及与有机薄膜晶体管的集成器件等等。然而，传统结构的有机薄 膜晶体管在制作过程中仍需光刻工艺，对有机薄膜的有序性产生一定的影响， 进而影响器件的整体性能；同时，源、漏电极的接触电阻和沟道电阻也是影 响器件性能的主要因素。有机晶体管由于材料的迁移率相对较低以及"开/关" 电流比依赖于沟道长度等因素，它们的性能和微型化受到限制。因此，为了 适合于工作频率高的应用，利用垂直结构来减小OFETs中沟道长度从而提高 工作频率的有机晶体管主要包括两种 一种是基于肖特基势垒类型的静电感 应晶体管(Static Induction Transistor, SIT)结构；另一种是利用一绝缘层在 垂直方向分开源、漏电极的结构，通过控制有机绝缘层厚度可以控制有机薄 膜晶体管的沟道长度。最近，YangYang研究组提出了一种在有机半导体层与 绝缘层之间加入一金属薄层作为源极的叠层结构的有机薄膜晶体管，但这层 共源极的薄金属层制作起来条件苛刻要求非常薄且粗糙。Hiimmelgen研究 组提出了一种类似于金属基极晶体管(Metal-base Transistors, MBTs)结构 的赝金属基极晶体管(pseudo-MBTs)，采用C6()/PEDOT/n-Si结构(其中C60 为发射区，PEDOT为基区，n-Si为集电区)，得到了大的共基极电流增益。
而通常的无机MBTs的电流增益很低或者制备过程复杂又昂贵。最近报道了 一种既具有硅化物MBTs优点(即高的共基极电流增益且与平面硅技术相兼 容)并且制作工艺简单且廉价的晶体管器件。其主要创新点在于使用了一层 蒸镀的有机发射层(Qo或者Alq3)。基极是镀在硅衬底(作为集电区)上的超 薄金(Au)层。Nakayama研究组也报道了一种平面金属基极的垂直构型有 机晶体管(其结构为Organic/Metal/Organic)。在插入的薄基极上加电压可调 整器件的发射层和集电层之间的面电流。当用C6Q和二萘嵌苯衍生物为沟道 层时，仅用几伏的基极电压就能使集电极电流超过300mA/cm2。他们认为该 器件属于MBTs的工作机理。
光诱导效应是光电场效应晶体管的工作基础，其应用非常广泛。有机场效 应光电晶体管可用作光诱导开关、光触发放大、探测电路以及在有机场效应 光电晶体管阵列中作为高灵敏度的图像传感器。各种有机和聚合物半导体作 成的有机场效应光电晶体管已有报道，如用纯的聚噻吩 [poly(3-octylthiophene)]、聚芴、双功能的螺旋化合物和聚亚苯基乙炔撑 [polyphenyleneethynylene]的衍生物都得到了 0.5-1 A/W的敏感度。
因此，可以充分利用有机材料(并五苯)和垂直构型场效应晶体管的各 自优点并发挥它们各自的优势，开发出响应速度快、性能优良的新型场效应 光电晶体管。有机材料选用并五苯的原因，还因为它具备获得高效有机场效 应光电晶体管的两个关键因素能提供优良的场效应晶体管特性以及在可见 光谱区的高吸收(禁带宽度为2.0eV)。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶
体管及制备方法，这种垂直结构的场效应光电晶体管能克服传统结构的薄膜 光电晶体管的诸多缺点。
本发明所采用的技术方案是.-
基于并五苯的有机场效应光电晶体管采用垂直结构，艮口 在P型硅栅极的衬底上，有无机介电绝缘层和并五苯有机功能层；
在无机介电绝缘层与并五苯有机功能层之间，有导电电极作为源极； 在并五苯有机功能层上有透明导电电极作为漏极。
该基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的制备方法，有如下步
骤
(1) 首先清洗p型硅片，作为场效应光电晶体管的栅极；
(2) 然后，将无机介电绝缘层材料蒸镀到清洗好的p型硅衬底上；
(3) 之后，再将导电电极材料蒸镀到无机介电绝缘层上，形成一定厚 度的导电层作为源极；
(4) 然后，在源极上蒸镀并五苯有机功能薄膜层；
(5) 最后，将透明导电电极材料蒸镀到并五苯有机功能薄膜层上作为 漏极，从而完成整个场效应光电晶体管器件的制备。
本发明的优点是由于是用介电常数很高的无机材料来充当绝缘层， 能有效增加场效应光电晶体管中的电容单元(即栅极与源极所夹的无机介电 材料层组成的单元)的单位电容量。垂直构型场效应光电晶体管的制作工艺 简单，无需光刻等复杂工艺，沟道长度可以作得很薄，因而可以大大提高场 效应光电晶体管器件的"开/关"电流比。对于质轻、价廉及可与柔性衬底 相兼容的有机材料，更有利于提高有机膜的有序性和场效应迁移率，工作电压低、响应速度快。本发明能充分利用有机材料和无机材料以及垂直构型场 效应晶体管的各自优点并发挥它们集合在一起后的优势，制备出响应速度 快、性能优良的有机场效应光电晶体管。
图1为本发明的P形硅衬底上的基于并五苯的垂直构型有机场效应光电 晶体管结构图。
图2为基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的制备方法方框简图。
具体实施例方式
实施例l:如图l、 2所示，有步骤如下 (1)清洗P型重掺杂的硅衬底作为栅极。本实施例可选择通过氢氟酸等 方法清洗干净的P型硅衬底作为栅极。作为导电栅极的硅衬底， 一面与金属 电极连接形成欧姆接触，并与外电压相接；另一面蒸镀无机介电绝缘层。在 高掺杂的硅片衬底上制备场效应光电晶体管的目的是为了与已成规模的硅 技术相兼容。
(2 )将Ti02介电绝缘层通过电子束蒸发等方法蒸镀到清洗好的P型硅衬 底上，具有一定的厚度(150 300rnn)。有些无机绝缘层材料也可通过分子束 外延和激光脉冲沉积等方法成膜。
(3) 通过掩模板，用热蒸发等方法将导电金属Au蒸镀到Ti02介电绝缘层 上，厚度为100 200nm。
(4) 在Ti02介电绝缘层上用热蒸发等方法蒸镀有机功能层-一并五苯薄 膜，厚度100 200nm。对于其它有机材料，也可用甩膜等其它方法成膜。
(5) 蒸镀透明导电漏极-一MgAg合金，完成场效应光电晶体管的制备。 依据以上方法，得到了如下的垂直构型有机场效应光电晶体管P-Si/TiO2(240nm)/Au(30nm)/pentacene(100nm)/Mg:Ag，即
在p型硅2之下，有一层导电电极l与p型硅形成欧姆接触，且在p型硅2之 上有一层无机(Ti02)绝缘层3和一层并五苯有机(Pentacene)功能层5，且 在无机绝缘层3与并五苯有机功能层5之间，有一层金属(Au)源极4，在并 五苯有机功能层5上镀有透明导电(Mg:Ag合金)漏极6。值得注意的是，可 通过优化器件各功能层的厚度，特别是关注第(2)、 (3)、 (4)步，优选出 合适的器件结构，可制备出响应速度快、性能优良的基于并五苯的垂直构型 有机场效应光电晶体管。
另外，本发明的无机介电绝缘层可优化为多层无机绝缘层的组合；导电 电极也可以是多层金属及金属合金的组合。
显然，在高掺杂的硅片衬底上制备场效应光电晶体管可以与已成规模的 硅技术相兼容。
权利要求
1.一种基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管，其特征在于其采用垂直构型的器件结构，即在导电电极(1)作为栅极的p型硅(2)之上，有无机介电绝缘层(3)和并五苯有机功能层(5)；在无机介电绝缘层(3)与并五苯有机功能层(5)之间，有导电电极(4)作为源极；在并五苯有机功能层(5)上有透明导电电极(6)作为漏极。
2. —种基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的制备方法，其特征 在于其制备方法有如下步骤(a) 首先清洗p型硅片，在粗糙面蒸镀导电电极(1)并与硅片(2) —起 作为场效应光电晶体管的栅极；(b) 然后，将无机介电绝缘层材料(3)蒸镀到清洗好的p型硅衬底(2)上；(c) 之后，将导电电极材料(4)蒸镀到无机介电绝缘层(3)上，形成一 定厚度的导电层作为源极；(d) 然后，在源极上蒸镀并五苯有机功能薄膜层(5);(e) 最后，将透明导电电极材料(6)蒸镀到并五苯有机功能薄膜层上作 为漏极，从而完成整个场效应光电晶体管器件的制备。
3. 根据权利要求2所述的基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的 制备方法，其特征在于在步骤(b)中，是通过电子束蒸发或磁控溅射的方法， 将无机介电绝缘层材料(3)蒸镀到清洗好的p型硅衬底(2)上；有些无机绝缘材料也可通过分子束外延和激光脉冲沉积等方法成膜。
4. 根据权利要求2所述的基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的 制备方法，其特征在于在步骤(c)中，是利用热蒸发等方法并通过掩模板将导 电电极材料(4)蒸镀到无机介电绝缘层(3)上，形成一定厚度的导电层作为 源极。
5. 根据权利要求2所述的基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的 制备方法，其特征在于在步骤(d)中，是用热蒸发等方法在源极上蒸镀并五 苯有机功能薄膜层(5)。
6. 根据权利要求2所述的基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管的 制备方法，其特征在于在步骤(e)中，用于入射光的漏极(6)，必须是透明及 半透明导电电极。
全文摘要
本发明涉及基于并五苯的垂直构型有机场效应光电晶体管及其制备方法，即在p型硅衬底的一面上蒸镀导电电极形成欧姆接触，并与硅衬底一起作为栅极，然后将无机介电绝缘材料蒸镀到p型硅衬底的另一面上，再将导电源极蒸镀到无机介电绝缘层上，再蒸镀并五苯有机功能层，最后蒸镀透明导电漏极从而完成场效应光电晶体管器件的制备。该有机场效应光电晶体管由于使用了垂直结构，制作工艺简单，无需光刻等复杂工艺。沟道长度可以作得很薄因而可大大提高场效应光电晶体管器件的“开/关”电流比。有机材料选用并五苯，有利于光的吸收，易得到高性能的场效应光电晶体管。
文档编号H01L51/48GK101101972SQ200710118280
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月4日 优先权日2007年7月4日
发明者娄志东, 杨盛谊, 邓振波 申请人:北京交通大学