專利名稱：高放大倍率的有機垂直型晶體管的制作方法
高放大倍率的有機垂翻晶贈
技術領域：
本發明屬于有機薄膜晶體管技術領域，特別涉及一種具有高方夂大倍率的基于有 機半導,料的垂M晶體管。
背景M有機薄膜晶體管(OTFT)的發現[l， 2]吸引了學術界相當大的關注，這是因為 OTFT具有M輕、體積小、財低、取材范圍廣等諸多優點[3-7]。這些年來OTFT，尤其是有機 場效應晶體管(OFET)得到了廣泛的研究[8]。然而，與其無豐;W應物相比，OFET的性能仍然較 差。有t服料的載流Ta移率通常不大于lcm2V-lS-l ， [9,10]與無機半導糊料相比i^[值低得 多。因此，OFET的輸出電、M常很低d為微安數敏)，而虹作腿較高(可高達100伏)。
為提高OFET的性能，通常需要斷氏溝道長度或增加OFET的柵,緣體的介電常數。然而， 進一步斷氐溝道長度需要采用高財的光刻技術，這與有機薄膜晶體管赫低的初衷是相悖的； 同時，高介電常數的絕緣柵極材料種類有限。因此，人們研究并賺了垂直結構的有機薄膜晶體 管，在這種結構中溝道長度通常被認為是有機物薄膜的厚度，因此溝道長度可以減小至亞 甚 至納米IM。該結構不僅M^于OFET領域，同時也棚于非場5她的OTFT中。按工作原 理不同，非場$娘的OTFT主要包括空間電荷限制、[ll]熱載流子、[12]金屬基區[13]和可、難區[14] ^M。由于溝道長度的大大減小，垂直結構的有機薄膜晶體管表現出高電流調制、高增益、高 開關比和低操作腿靴點。盡管人們對垂直結構的有機薄膜晶體管的微1X很幾制還尚不明確， 但由于戰諸多優點，垂直結構的有機薄膜晶贈具有很好的^M前景。
本發明以上所涉及的公開文獻和其他參考材f細述了本發明的背景技術，^M^了關于其實 驗的附加細節，為了方便，將參考材料艦數字來弓間并組合在本說明書后所附的文獻目錄中。

發明內容本發明的目的在于l^共一種具有高放大倍率且制備割牛要求寬松的基于有機半 導^M料的垂M晶體管及其制備方法。
本發明提供的高放大倍率的有機垂直型晶體管，包括襯底，依次位于戶艦襯底上的集電極、
第一有機半導體層、共享公共，^^及、第二有機半導體層和金屬發射極；戶;f述的襯底為自或 絕緣柔性材料，集電極為鍋或rro mit層，第一有機半導體層和第二有機半導體層分別為一種 或一種以上有機半導,料薄MM組成，第一有機半導體層和第二有機半導體層可以相同也可以 不同。
所述的集電極為采用真空蒸鍍方法沉積在襯底材料上的金屬材料層，沉積厚度為
30nm-100nm;或為， 方法沉積在襯底材料上的1T0 層，沉積厚度為100-200nm。
所述的第一有機半導體層和第二有機半導體層采用真空蒸鍍方法分別沉積在金屬基極的兩
側，沉積厚度為30nm國150nm。
皿的第一有機半導體層和第二有機半導體層采用的有機半導，料為CuPC 、 Pentacene、2-Amino-4-phenylpheno1 、 a陽NPB (N,N， -Bis(naphthalene-l-yl)-N，N， -Bis(phenyl)-benzidine)或 m-MTDATA (4,4， ,4" -Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine)。
m的^jl掛5^用真空蒸鍍方法沉積在第一有機半導體層上并延伸至襯皿料上，沉積厚 度為30nm-100nm，襯底材料Jl^SSI及的延伸部分用于弓l出測量導線；戶脫的鍋鄉豐5^用真 空蒸鍍方法沉積在第二有機半導體層上并延伸至襯底材料上，沉積厚度為30nm-100nm，襯底材料 il^a激極的延伸部分用于弓I出測量導線。
^f^襯底的鵬或絕緣柔性材料依次用乙醇、丙酮超聲清洗，去離子7jC沖洗，經氮氣吹干和 烘箱內120。C、 30min烘干，用^U備器件。
集電極可翻rro或金、銀、鋁、銅、鈳^M材料，對及和^IW及可采用金、銀、鋁、銅、
轉^M材料。基底為鵬或絕緣柔性襯底。對于每一具體實施例，戰材料的選取以及蒸鍍參
數(包括蒸aii斜n沉積厚度)^K1實驗擇優確定的，這些參數的確定對于本領,術人員不
存在技術上的鵬，故艦不做詳細描述，詳見具體^ 式。
ffl3lKeithley2400 Sourcemeter和Keilhley 485 Picoammeter測量樣品的電流-電壓(I-V)特性曲線, 由此獲得的器件性能，主要為靜態放絲數(P )，測*1徵測量結果##具體 ^式。 本發明的優點和積極鄉
本發明的有機垂直型晶體管采用熱蒸鍍方法制備，艦改棘機半導糊料的類艦厚度和
選^F同類M&厚度的Sl^il， 得高放大倍率的有機晶,。


圖l為鄉例l、 ^ffi例2、鄉例3中器件結構的斷面示意圖，圖中，l襯底，2集電極，3 第一有機半導體層，4鍋,，5第二有機半導體層，6金屬娜及；
圖2為鄉例4、鄉例5中器件結構的斷面示意圖，圖中，l襯底，2集電極，3第一有機 半導體層，4^MSfe 5第二有機半導體層，6^iimtt及；
圖3a和3b分別為^M例1中器件的輸出電流-電壓特性曲線和與其對應的St及電流隨集電極 腿變化曲線；
圖4a和4b分別為實施例2中器件的輸出電流-電壓特性曲線和與其對應的SI及電流隨集電極 ftffi變化曲線；
圖5a和5b分別為^SS例3中器件的輸出電流-電壓特性曲鄉與其對應的am電流隨集電極 腿變化曲線；
圖6a和6b分別為鄉例4中器件的輸出電流-電壓特性曲線和與其對應的翻電流隨集電極 腿變化曲線；
圖7a和7b分別為實施例5中器件的輸出電流-電壓特性曲線和與其對應的基極電流隨集電極 腿變化曲線。具體實m^
如圖i所示，將一土央沉積有rro ^m層的玻璃i (面電阻為60 q/口)經化學腐,成條形rro
電極(作為集電極2)，依次用丙酮、乙醇和去離子7杈 聲波環境中清洗；然后用氮氣吹干，在 烘箱中(12(TC， 30min)烘干，備用。
將清軒凈的rro鵬置于真魏統，將真頓抽到3xi0—卞a，首先沉積cupc (第一有機
半導體層3)，沉積厚度為15一蒸^ijg為lA/s。其次沉積在作為^JlSa4， 、Kf只厚度為50nrr^ 蒸皿度為1 A/s。然后依次沉積a -NPB和CuPC，沉積厚度分別為35nm和50ran，蒸mg均為 lA/s， a-NPB和CuPC構成的)KMW機薄膜作為第二有機半導體層5。最后沉積產作為^|#及6，
沉積厚度為50m^蒸;SM為iA/s 。器件的有效面積為rro集電極，金SI及和^lt極的M面
積，該面積為2腿2。
器件的輸出電流-^ffi特性測i^用Keilhley 2400 Sourcemeter和Keithley 485 Picoammeter。采
用共aiW及電路，發射極(金)作為公共端，集電極(rro)和基極(金)施加負偏壓；基極(金)
施加恒定負偏壓(Vb)，澳!l量中給值分別為O， 1.5， 3.0， 4.5， 6.0， 8.0， 10V;對每一恒定S^及偏壓，
集電極(rro) mffi(Vc)掃描范圍均為0 15v。
根據測量得至啲輸出電流-Efeffi特性，可以計^l件的靜態放大系數(e )，依據的理論公式為
—Ic/(Ib-IL)，其中Ic為Ji^給定的某一不為零的基極偏壓(Vb)下，集電極電流；Ib為對應Sm 偏壓(Vb)下的S^及電流；IL為Sm偏壓(Vb)為零時，集電極的漏電流。
e隨s^及偏壓、集電極偏壓變化；在本例中，e的最大tt^27。
實施例2、
另需制作蒸^^柵極的掩豐鎌。在鋁合金平feJt開孔，尺寸為2X30mm，沿與所開孔的縱 平行的方向布ai:徑為40um的鍋絲2根，鍋絲的間距為0.4mm服于開孔的中央。^t模 板用于蒸^^柵極以取代實施例1中的金SI及，參見圖1。
^t及的給定極為W^2，4，6,8,10V;集電極電壓掃描范圍為Vci 20V。在本例中，P的最 大戯59。
其^也均與實施例丄相同。
實施例3、
以有機物m-MTDATA (4,4， ，4" -Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine)替換 ^ffi例l中的a-NPB，沉積厚度為35nm，蒸mS為lA/s，參見圖l。
S^及的給定腿為Vb^,0.5，1.0，1.52.0,2.5,3.0,3.5V;集電極電壓掃描范圍為Vc=0 5V。在本例 中，e的最大歡58。
其ffe均與實;^例1相同。實施例4、
如圖2^，將一i央表面粗f艘很低的，蓋玻片l，依次用丙酮、乙醇和去離子水^S聲波 環境中清洗；然后用氮氣吹干，在烘箱中(120°C， 30min)烘干。
將清 凈的蓋玻片置于真空系統，將真，抽到3X10—3pa，依次沉積M電極2，厚度為 40nm，蒸魏度為2A/s;并五苯(pentacene，第一有機半導體層3)， 60ra^ lA/s;韓^J1SI及4， 70nm^2A/s;并五苯(pentacene，第二有機半導體層5)， 120nrn^ lA/s; ^M極6， 40nn^2A/s 。 器件的有效面積為集電極(金)，基極(鈣)和皿極(金)的交叉面積，該面積為2mm2。
基極的給定電壓為Vb=0,0.5,0.7，0.9V;集電極^JE掃描范圍為Vc=0 lV。在本例中，e的最 大働1036。
其他均與^ffi例l相同。
實施例5、
以有機物2-舅基斗苯基苯酚(2-Amino4-phenylpheno1)代替實施例4中的并五苯(pentacene); 依7欠沉積M電極，厚度為4(ta蒸;^g為lA/s; 2-Amino4"phenylphenol,60nnUA/s;轉^M基 極，70ra^2A/s; 2-Amino4陽phenylphenol,100nnUA/s; ^!t極，40nm^ lA/s ,參見圖2。
St及的給定腿為VIH),5,10，15V;集電極電壓掃描范圍為Vc=0 3.5V。在本例中，e的最大 働110。
其他均與實施例4相同。
錄目錄
'F. Ebisawa^T.Kurokawa^andS.N叫J.Appl.Phys. 54,3255(1983). 2A. Tsumura^ H. Koezuka^ andT. Ando， Appl. Phys. Lett 49， 1210(1986).
3C. D. Sheraw, L. ZhoA丄FL Huan& D. J. Gundlach andT. N. Jackson^ Appl. Phys. Lett 80,1088 (2002).
Adv. Mater. (Weinhein^ Ger.) 14， 1201 (2002).
5G H. Gelinck^ H. E. A. Huitem4 E. Van Veenendaal^ E. Cantatore， L. Schrijnemakers, J. Van der Putter^ T. C. T. Geuns， NLBeenhakkerSj J. B. Giesbers, B. H. Huismarij E. J. Meijer， E. M. Benito, F. J. Touwslager, A. W. Mareman^ B. J. E. Van Rens^ and D. M. De Leeuw, Nat Mater. 3， 106 (2004).
Crone, A. Dodabalapur, Y Y. L" R W. Filw Z. Bao, A. LaDuca^ R Sarpeshkar, H. E. Katz^ and W. Li， Nature (London) 403,521(2000).
7F. Eder， H. Klaul^ M. Halfl^ U Zschieschan^ G Schmidt and C. Dehrn^ Appl. Phys. Lett 84,2673 (2004). 8G Horowitz Adv. Mater. 10,365(1998).
9C. D. Dimitrakopoulos and R R L. Malenfent Adv. Mater. 14,99(2002).
10G Wang Y. Luo, and P. H. B麵Appl. Phys. Lett 83， 3108(2,
"Yii"Chiang Chao and Hsin-Fei Men^ Appl. Phys. Lett 88， 223510(2006).
12YU"Chiang Chao， Syuan-Ling Yang^ and Hsin-Fei Meng^ Appl. Phys. Lett 87， 253508(2005).
13Shin-ya Fujimoto, Ken-ichi Nakayama^ and Masaaki Y0k0yam4 Appl. Phys. Lett 87， 133503(2005).
14Mingdong Yi^ Jinying Huangj Dongge Ma^ and Ivo A. HOmmelgen^ Appl. Phys. Lett 87， 133503(2005).
權利要求
1、一種高放大倍率的有機垂直型晶體管，包括襯底，依次位于所述襯底上的集電極、第一有機半導體層、共享公共金屬基極、第二有機半導體層和金屬發射極；所述的襯底為玻璃或絕緣柔性材料，集電極為金屬或ITO濺射層，第一有機半導體層和第二有機半導體層分別為一種或一種以上有機半導體材料薄膜層組成，第一有機半導體層和第二有機半導體層可以相同也可以不同。
2、 根據權利要求i所述的高放大倍率的有機垂直型晶體管，，征在于所述的集電極為采用真空蒸鍍方法沉積在襯底材料上的^M材料層，沉積厚度為30nm-100nm;或為， 方法沉 積在襯底材料上的rroMlt層，沉積厚度為100-200nm。
3、 根據權利要求2戶，的高放;M咅率的^rtl^M晶,，，'征在于皿的集電t^5用 的鍋為金、銀、鋁、銅或銬。
4、 ,權利要求1戶腿的高放大倍率的有機垂M晶體管，，征在于戶腿的第一有機半 導體層和第二有機半導體層采用真空蒸鍍方法分別沉積在金屬基極的兩側，沉積厚度為 30nm-150nm。
5、 根據權利要求1或4戶腿的高放大倍率的有機垂M晶體管，，征在于戶誠的第一有 機半導體層和第二有機半導體層采用的有機半導體材料為CuPC 、 Pentacene、 2-AminO"4-phenylpheno1 、 a-NPB (NW -Bis(naphlhalene國l匿yl)"N，N， -Bis(phenyl)-benzidine)或 m-MTDATA (4,4， ，4" -Tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine)。
6、 根據權利要求1戶/f^的高放大倍率的有機垂M晶體管，欺爭征在于0M的^iSSIM 用真空蒸鍍方法沉積在第一有機半導體層上并延伸至襯底材料上，沉積厚度為30nm-100nm，襯底 材料±^屬^=及的延伸部分用于弓1出測量導線；,的^M皿fS^用真空蒸鍍方法沉積在第二 有機半導體層上并延伸至襯底材料上，沉積厚度為30nm-100nm，襯底材料i^il鄉極的延伸部 分用于引出測量導線。
7、 根據權利要求1或6戶皿的高放大倍率的有機垂SM晶體管，，征在于0M的^M基極和鍋ai^s^ffl的鍋為金、銀、鋁、銅或轉。
8、 根據權利要求i皿的高放大倍率的有機垂m晶體管，，征在于,襯底的玻璃或絕緣柔性材料依7細乙醇、麗超聲清洗，去離子7jC沖洗，經氮氣吹干和烘箱內120°C、 30min烘 干，用 備器件。
全文摘要
本發明公開了一種基于有機半導體材料的高放大倍率的垂直型晶體管。該有機晶體管包括玻璃襯底(或絕緣柔性襯底)1、集電極2(金屬或ITO濺射層)、第一有機半導體層3(可以為若干種有機半導體材料薄膜層組成)、金屬基極4、第二有機半導體層5(可以為若干種有機半導體材料薄膜層組成)和金屬發射極6，器件結構參看摘要附圖，該圖以實施例1為例，本發明中其他器件結構詳見具體實施方式
及說明書附圖。本發明的有機垂直型晶體管采用熱蒸鍍方法制備，通過改變有機半導體材料的類型及厚度和選擇不同類型及厚度的基極金屬，可獲得高放大倍率的有機晶體管。
文檔編號C23C14/24GK101533893SQ20091006856
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者華玉林, 印壽根, 吳曉明, 愷 趙, 鄧家春 申請人:天津理工大學