CN100456517C - 轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轴向取代酞菁化合物作为有机薄膜晶体管的应用，其作为有机薄膜晶体管的源/漏电极间的半导体层。所述的轴向取代酞菁化合物的中心配体为三价以上的原子，轴向配体为氯、氟、氧可与轴向取代酞菁化合物的中心配体连接。所述的轴向取代酞菁化合物在有机衬底上采用气相沉积方法容易制备高品质的结晶薄模。这些结晶薄膜得载流子迁移率高，能级丰富，且性能稳定，容易集成加工。该有机薄膜晶体管的场效应迁移率在0.01cm2/Vs以上，开关比大于105。
Description
技术领域
本发明涉及轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的应用。
背景技术
高载流子迁移率性质的有机半导体在信息显示、集成电路、光伏电池和传感器等方面具有应用前景。然而，目前大多数有机半导体均表现出对环境的敏感性，这给有机电子器件的集成加工和应用带来了很大的困难。美国专利5,969,376公开了采用平面的金属酞菁[酞菁铜(CuPc)，酞菁锌(ZnPc)，自由酞菁(H2Pc)，酞菁锡(SnPc)]的p-沟道有机薄膜晶体管；1998年美国化学会志(J.Am.Chem.Soc.1998，120，207-208)报道了采用平面的金属酞菁[十六氟代金属酞菁(F16MPc)，十六氯代酞菁铁(Cl16FePc)，八氰基取代酞菁铜((CN)8CuPc)]的n-沟道有机薄膜晶体管；2006年应用物理快报(Appl.Phys.Lett.89，163516(2006))报道了采用平面的金属酞菁[十六氯代酞菁铜(Cl16CuPc)]的n-沟道有机薄膜晶体管；中国专利02129458.5公开了采用非平面的金属酞菁[酞菁氧钛(TiOPc)，酞菁氧钒(VOPc)]的p-沟道有机薄膜晶体管，这些有机半导体的迁移率达到了10-3cm2/Vs以上，且对环境不敏感，工作稳定，适合集成加工。为进一步满足有机电子器件发展的需要，半导体的载流子迁移率和电子结构有待进一步提高与丰富。
发明内容
本发明的目的是提供轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的应用，涉及的轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的源电极(5)和漏电极(6)下方的半导体层。采用轴向取代酞菁化合物作为半导体层的机薄膜晶体管的场效应迁移率在0.01cm2/Vs以上，开关比大于105。
轴向取代酞菁化合物的分子结构示意图如图1所示。(a)代表轴向取代酞菁，M代表中心取代配体，L、L代表轴向配体，其中L和L’可以相同或不相同；(b)苯基位取代位：1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25的取代原子可为氟(F)，氯(Cl)；如十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)。
轴向取代酞菁化合物的中心配体为三价以上的原子，轴向配体为氯(Cl)、氟(F)、氧(O)可与轴向取代酞菁化合物的中心配体连接。
发明原理是中心配体和轴向配体能够调节轴向取代酞菁的电子结构。
所述的轴向取代酞菁化合物是：酞菁铟氟(InFPc)，酞菁钛二氟(TiF2Pc)，酞菁锡二氟(SnF2Pc)，酞菁铁氯(FeClPc)，酞菁铟氯(InClPc)，酞菁镓氯(GaClPc)，酞菁锰氯(MnClPc)，酞菁氧锡(SnOPc)，酞菁钛二氯(TiCl2Pc)，酞菁锡二氯(SnCl2Pc)，酞菁锗二氯(GeCl2Pc)，十六氟代酞菁氧钛(F16TiOPc)，十六氯代酞菁氧钛(Cl16TiOPc)，十六氟代酞菁氧钒(F16VOPc)，十六氯代酞菁氧钒(Cl16VOPc)，十六氟代酞菁铟氯(F16InClPc)，十六氯代酞菁铟氯(Cl16InClPc)，十六氟代酞菁锡二氯(F16SnCl2Pc)，十六氯代酞菁锡二氯(Cl16SnCl2Pc)，十六氟代酞菁钛二氯(F16TiCl2Pc)，十六氟代酞菁锰氯(F16MnClPc)，十六氟代酞菁铝氯(F16AlClPc)和十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)中的一种。
所述的有机薄膜晶体管的源电极(5)和漏电极(6)下方的半导体层(7)是轴向取代酞菁化合物，其厚度在10-50纳米之间。
所述的轴向取代酞菁化合物在有机衬底上采用气相沉积方法容易制备高品质的结晶薄膜。这些结晶薄膜得载流子迁移率高，能级丰富，且性能稳定，容易集成加工。采用轴向取代酞菁化合物作为半导体层的机薄膜晶体管的场效应迁移率在0.01cm2/Vs以上，开关比大于105。
采用轴向取代酞菁化合物作半导体层的机薄膜晶体管的结构如图2所示。其中，(1)衬底，(2)栅极，(3)绝缘栅层，(5)，(6)源/漏电极，(7)轴向取代酞菁化合物的半导体层。
附图说明
图1轴向取代酞菁化合物的分子结构式。(a)代表轴向取代酞菁，M代表中心取代配体，L、L代表轴向配体，其中L和L’可以相同或不相同；如酞菁钛二氯(TiCl2Pc)，(b)苯基位取代位：1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25的取代原子可为氟(F)，氯(Cl)；如十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)。
图2有机薄膜晶体管结构示意图，其中，(1)衬底，(2)栅极，(3)绝缘栅层，(5)，(6)源/漏电极，(7)轴向取代酞菁化合物的半导体层。
图3TiCl2Pc转移特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明。图2是采用本发明有机半导体的顶接触型薄膜晶体管的实施例结构。
实施例1：
实施例所用五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化硅(SiO2)和三氧化二铝(Al2O3)靶材，金(Au)和铝(Al)金属电极是商业产品，直接使用。玻璃基板和塑料基板是商业产品，经过清洗后使用。实施例所用轴向取代酞菁化合物酞菁铁氯(FeClPc)，酞菁钛二氯(TiCl2Pc)，酞菁锡二氯(SnCl2Pc)，酞菁铟氯(InClPc)，酞菁锰氯(MnClPc)，酞菁镓氯(GaClPc)，酞菁氧锡(SnOPc)是商业产品，经过纯化后使用。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是商业产品，配成3-0.5w％丁酮溶液使用。
在7059玻璃衬底或柔性塑料衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层金属铬(Cr)膜，厚度约200纳米，并光刻成栅极(2)；在栅极(2)上用磁控溅射一层五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化硅(SiO2)或三氧化二铝(Al2O3)作为绝缘栅层(3)，厚度约100纳米，在绝缘栅层(3)表面旋涂约50纳米的PMMA；然后采用分子气相沉积方法在25至250℃温度之间生长厚度约10至30纳米厚的半导体(7)，再沉积厚度约20-50纳米金(Au)或铝(Al)源/漏电极(5)和(6)。
薄膜晶体管器件的源/漏电极、表面修饰层，以及薄膜晶体管器件的载流子迁移率、开关电流比性质列于表1中。
表1.薄膜晶体管器件的源/漏电极以及薄膜晶体管器件的载流子迁移率(cm2/Vs)、载流子类型和开关电流比性质
| 有机半导体 | 源/漏电极 | 载流子迁移率 | 载流子类型 | 开关电流比 |
| TiCl<sub>2</sub>Pc | Au | 0.15 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
| SnCl<sub>2</sub>Pc | Al | 0.16 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| SnCl<sub>2</sub>Pc | Au | 0.14 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| FeClPc | Au | 0.011 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
| InClPc | Au | 0.025 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
| MnClPc | Au | 0.011 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
| GaClPc | Au | 0.010 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
| SnOPc | Al | 0.017 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| SnOPc | Au | 0.020 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
实施例2：
实施例所用五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化硅(SiO2)和三氧化二铝(Al2O3)靶材，金(Au)和铝(Al)金属电极是商业产品，直接使用。玻璃基板和塑料基板是商业产品，经过清洗后使用。实施例所用酞菁钛二氟(TiF2Pc)，酞菁锡二氟(SnF2Pc)，酞菁铟氟(InFPc)，酞菁锗二氯(GeCl2Pc)，十六氟代酞菁氧钛(F16TiOPc)，十六氟代酞菁氧钒(F16VOPc)，十六氟代酞菁铟氯(F16InClPc)，十六氟代酞菁锰氯(F16MnClPc)，十六氟代酞菁锡二氯(F16SnCl2Pc)，十六氟代钛二氯(F16TiCl2Pc)，十六氟代酞菁铝氯(F16AlClPc)，十六氯代酞菁氯铝(Cl16AlClPc)，十六氯代酞菁锡二氯(Cl16SnCl2Pc)，十六氯代酞菁氧钛(Cl16TiOPc)，十六氯代酞菁氧钒(Cl16VOPc)，十六氯代酞菁铟氯(Cl16InClPc)，按文献(Inorg.Chem.1962，1，331-333；InorganicaChimica Acta 1999，293，80-87)合成。
在7059玻璃衬底或柔性塑料衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层金属铬(Cr)膜，厚度约200纳米，并光刻成栅极(2)；在栅极上用磁控溅射一层五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化硅(SiO2)或三氧化二铝(Al2O3)作为绝缘栅层(3)，厚度约100纳米，在绝缘栅层(3)表面修饰OTS或真空沉积6P；然后采用分子气相沉积方法在25至250℃温度之间生长厚度约10至30纳米厚的半导体(7)，再沉积厚度约20-50纳米金(Au)或铝(Al)源/漏电极(5)和(6)。
薄膜晶体管器件的源/漏电极、表面修饰层，以及薄膜晶体管器件的载流子迁移率、开关电流比性质列于表2中。
表2.薄膜晶体管器件的源/漏电极、表面修饰层，以及薄膜晶体管器件的载流子迁移率(cm2/Vs)、载流子类型和开关电流比性质
| 有机半导体 | 源/漏电极 | 表面修饰层 | 载流子迁移率 | 载流子类型 | 开关电流比 |
| F<sub>16</sub>AlClPc | Al | OTS | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sup>16</sup>AlClPc | Al | 6P | 0.023 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>AlClPc | Au | OTS | 0.010 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>AlClPc | Au | 6P | 0.017 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>MnClPc | Al | OTS | 0.016 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>MnClPc | Al | 6P | 0.014 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>MnClPc | Au | OTS | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>MnClPc | Au | 6P | 0.021 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>InClPc | Al | OTS | 0.015 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>InClPc | Al | 6P | 0.21 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>InClPc | Au | OTS | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>InClPc | Au | 6P | 0.27 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Al | OTS | 0.010 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Al | 6P | 0.11 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Au | OTS | 0.013 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Au | 6P | 0.24 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiCl<sub>2</sub>Pc | Al | OTS | 0.011 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiCl<sub>2</sub>Pc | Al | 6P | 0.021 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiCl<sub>2</sub>Pc | Au | OTS | 0.017 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiCl<sub>2</sub>Pc | Au | 6P | 0.26 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiOPc | Al | OTS | 0.11 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiOPc | Al | 6P | 0.20 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiOPc | Au | OTS | 0.21 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>TiOPc | Au | 6P | 0.43 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>VOPc | Al | OTS | 0.12 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>VOPc | Al | 6P | 0.17 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>VOPc | Au | OTS | 0.23 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| F<sub>16</sub>VOPc | Au | 6P | 0.39 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Al | OTS | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Al | 6P | 0.017 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Au | OTS | 0.023 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>SnCl<sub>2</sub>Pc | Au | 6P | 0.17 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>AlClPc | Al | OTS | 0.014 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>AlClPc | Al | 6P | 0.022 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>AlClPc | Au | OTS | 0.013 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>AlClPc | Au | 6P | 0.017 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>InClPc | Al | OTS | 0.015 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>InClPc | Al | 6P | 0.019 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>InClPc | Au | OTS | 0.16 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>InClPc | Au | 6P | 0.21 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>VOPc | Al | OTS | 0.010 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>VOPc | Al | 6P | 0.073 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>VOPc | Au | OTS | 0.042 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>VOPc | Au | 6P | 0.37 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>TiOPc | Al | OTS | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>TiOPc | Al | 6P | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>TiOPc | Au | OTS | 0.016 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| Cl<sub>16</sub>TiOPc | Au | 6P | 0.023 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| SnF<sub>2</sub>Pc | Al | OTS | 0.010 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| SnF<sub>2</sub>Pc | Al | 6P | 0.018 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| SnF<sub>2</sub>Pc | Au | OTS | 0.051 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| SnF<sub>2</sub>Pc | Au | 6P | 0.074 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| TiF<sub>2</sub>Pc | Al | OTS | 0.012 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| TiF<sub>2</sub>Pc | Al | 6P | 0.025 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| TiF<sub>2</sub>Pc | Au | OTS | 0.042 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| TiF<sub>2</sub>Pc | Au | 6P | 0.085 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| InFPc | Al | OTS | 0.017 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| InFPc | Al | 6P | 0.024 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| InFPc | Au | OTS | 0.031 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| InFPc | Au | 6P | 0.077 | 电子 | 10<sup>5</sup> |
| GeCl<sub>2</sub>Pc | Au | OTS | 0.061 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
| GeCl<sub>2</sub>Pc | Au | 6P | 0.090 | 空穴 | 10<sup>5</sup> |
本发明不限于上述实施例。一般来说，本发明所公开的有机晶体管可以加工形成二维和三维的集成器件中的元件。这些集成器件能够应用在柔性集成电路、有源矩阵显示等方面。使用基于本发明的有机薄膜晶体管元件可以低温加工。
Claims (3)
1、轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的应用，其特征在于，轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的源电极(5)和漏电极(6)下方的半导体层(7)；所述的轴向取代酞菁化合物的中心配体为三价以上的原子，轴向配体为氯、氟、氧可与轴向取代酞菁化合物的中心配体连接；
所述的轴向取代酞菁化合物的分子结构式如下所示：
式中，M代表中心取代配体，L、L代表轴向配体。
2、按权利要求1所述的轴向取代酞菁化合物用于制备有机薄膜晶体管的应用，其特征在于，所述的轴向取代酞菁化合物是酞菁铟氟，酞菁钛二氟，酞菁锡二氟，酞菁铁氯，酞菁铟氯，酞菁镓氯，酞菁锰氯，酞菁氧锡，酞菁钛二氯，酞菁锡二氯，酞菁锗二氯，十六氟代酞菁氧钛，十六氯代酞菁氧钛，十六氟代酞菁氧钒，十六氯代酞菁氧钒，十六氟代酞菁铟氯，十六氯代酞菁铟氯，十六氟代酞菁锡二氯，十六氯代酞菁锡二氯，十六氟代酞菁钛二氯，十六氟代酞菁锰氯，十六氟代酞菁铝氯和十六氯代酞菁氯铝中的一种。
3、按权利要求1所述的有机薄膜晶体管的源电极(5)和漏电极(6)下方的半导体层(7)是轴向取代酞菁化合物层，其厚度在10-50纳米之间。
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