CN111081876A - 一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管及其制备方法与应用。本发明提供的有机薄膜晶体管包括衬底以及在衬底上依次设置的栅极、金属氧化物绝缘层薄膜、有机有源层和源漏电极；所述的金属氧化物为氧化铪、氧化钇和氧化钛中的至少一种。本发明通过采用粗糙度低的金属氧化物绝缘层薄膜(通过AFM测试，粗糙度均在0.2nm以下)，使绝缘层薄膜与有源层薄膜之间接触更好，更容易形成导电沟道，有源层中的载流子与空穴的更容易形成，且减少缺陷对载流子的捕获作用，使器件迁移率提高且阈值电压降低；同时，禁带间隙宽使得器件击穿电压更大、漏电流更小，使器件耐击穿性以及低功耗性得到提升。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料领域，尤其涉及一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管及其制备方法与应用。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)作为主动式矩阵液晶显示屏(active-matrix LCD，AMLCD)和主动矩阵有机发光二极体(active-matrix OLED，AMOLED)像素中的重要开关元器件，在液晶显示中起着至关重要的作用，可以说TFT性能的优化与改善直接关系到显示质量的发展。而有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor,OTFT)是近年兴起的一种薄膜晶体管，以有机聚合物材料作为半导体材料制备薄膜晶体管，可以满足人们对柔性器件的追求。然而现在的OTFT通常以SiO2、氧化铝或有机介电材料作为绝缘层，由于SiO2、氧化铝介电常数较低仍存在着迁移率低和阈值电压高，而有机介电材料则存在着粗糙度高的问题，与有机半导体接触特性不好，制备的器件存在着接触电阻大，阈值电压高等问题，且常用的沉积方法为真空制备法，制备条件苛刻且成本高，限制了其进一步发展。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管。
本发明的另一目的在于提供上述以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的应用。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，包括衬底以及在衬底上依次设置的栅极、金属氧化物绝缘层薄膜、有机有源层和源漏电极；所述的金属氧化物优选为氧化铪、氧化钇和氧化钛中的至少一种。
所述的金属氧化物绝缘层薄膜的厚度优选为80～120nm；更优选为90～100nm。
所述的衬底优选为玻璃、石英、单晶硅、蓝宝石和塑料中的至少一种；更优选为玻璃。
所述的栅极的材料优选为氧化铟锡(ITO)、铝和钼中的至少一种；更优选为ITO。
所述的栅极的厚度优选为100～150nm；更优选为150nm。
所述的有机有源层的材料优选为并五苯。
所述的有机有源层的厚度优选为30～50nm；更优选为40nm。
所述的源漏电极的材料优选为Al(铝)和Mo(钼)中的至少一种；更优选为Al。
所述的源漏电极的厚度优选为90～120nm；更优选为100nm。
所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用直流磁控溅射在衬底表面沉积一层栅极材料，清洗烘干，得到栅极；
(2)在步骤(1)制备的栅极上旋涂绝缘材料前驱体溶液，然后进行退火处理，得到金属氧化物绝缘层薄膜；
(3)采用热蒸镀方法在步骤(2)得到的金属氧化物绝缘层薄膜上沉积有机有源层；
(4)采用直流磁控溅射在步骤(3)的有机有源层薄膜表面沉积一层源漏电极材料，得到以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管。
步骤(1)中所述的衬底优选为玻璃、石英、单晶硅、蓝宝石和塑料中的至少一种；更优选为玻璃。
步骤(1)中所述的直流磁控溅射的具体条件优选为：本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击栅极靶材，溅射气压为5mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为80W，溅射时间为3000s。
步骤(1)中所述的栅极材料优选为氧化铟锡(ITO)、铝和钼中的至少一种；更优选为ITO。
步骤(1)中所述的栅极的厚度优选为100～150nm；更优选为150nm。
步骤(1)中所述的清洗优选为置于去离子水和异丙醇中分别清洗10min。
步骤(1)中所述的烘干优选为放入烘干箱烘干。
步骤(2)中所述的绝缘材料前驱体溶液优选通过如下方法制备：将绝缘材料前驱体溶于溶剂中，得到绝缘材料前驱体溶液。
所述的绝缘材料前驱体优选为八水合氧氯化铪、六水合硝酸钇和四异丙醇钛中的至少一种。
所述的溶剂优选为乙二醇单甲醚和乙二醇中的至少一种。
所述的绝缘材料前驱体溶液的浓度优选为不大于0.6mol/L；更优选为0.4～0.5mol/L。
步骤(2)中所述的旋涂的具体条件优选为：旋涂转速为4000～6000rpm，每次旋涂时间为30～40s，旋涂次数为1～5次，每次旋涂之间预退火温度为200～400℃，预退火时间为3～5min；更优选为：旋涂转速为5000rpm，每次旋涂时间为30s，旋涂次数为3次，每次旋涂之间预退火温度为300℃，预退火时间为4min。
步骤(2)中所述的退火的具体条件优选为：退火温度为200～400℃，退火时间为1～2h；更优选为：退火温度为300℃，退火时间为1h。
步骤(2)中所述的金属氧化物绝缘层薄膜的厚度优选为80～120nm；更优选为90～100nm。
步骤(3)中所述的热蒸镀的具体条件优选为：本底真空度为4～6×10-7Torr，沉积速率为0.04nm/s。
步骤(3)中所述的有机有源层的材料优选为并五苯。
步骤(3)所述的有机有源层的厚度优选为30～50nm；更优选为40nm。
步骤(4)中所述的直流磁控溅射的具体条件优选为：本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击漏源电极靶材，溅射气压为1mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为100W，溅射时间为1800s。
步骤(4)中所述的源漏电极材料优选为Al(铝)和Mo(钼)中的至少一种；更优选为Al。
步骤(4)中所述的源漏电极的厚度优选为90～120nm；更优选为100nm。
所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的应用。
本发明中，采用高介电常数的金属氧化物作为绝缘层：氧化铪、氧化钛和氧化钇的介电常数分别为25～30、25～40、10～17(氧化铝介电常数只有5～8)，禁带间隙均在5eV以上，且导带偏移(CB offset,conduction band offset)较大，粗糙度一般较低，使得绝缘层薄膜与有源层薄膜之间的缺陷少，更容易形成导电沟道，进而使启动电压降低，且减少氧空位对载流子的捕获，提高器件性能。而高电容使得导电沟道在形成过程中，绝缘层平板边缘可以聚集更多的电荷，使得绝缘层中的极性金属氧化物有序排列产生电场，使有源层中的载流子与空穴受电场的影响，更容易形成且有序形成导电沟道，使得器件的迁移率提高与实现阈值电压的降低，其原理示意图如图1所示。同时，禁带间隙宽使得器件的漏电减小，提高器件的击穿电压以及减低其功耗。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用的金属氧化物绝缘层薄膜的粗糙度降低(通过AFM(Atomic ForceMicroscope，原子力显微镜)测试，粗糙度均在0.2nm以下)，绝缘层薄膜与有源层薄膜之间接触更好，更容易形成导电沟道，有源层中的载流子与空穴的更容易形成，且减少缺陷对载流子的捕获作用，使器件迁移率提高且阈值电压降低(目前有机物绝缘层OTFT的迁移率一般在0.4cm2/Vs以下，阈值电压在在5V左右，而本发明的迁移率可达0.54cm2/Vs，阈值电压可达2.3V)；同时，禁带间隙宽使得器件击穿电压更大、漏电流更小，使器件耐击穿性以及低功耗性得到提升。
(2)本发明提供的制备方法基于溶液法，制备工艺简单，成本低。
附图说明
图1为本发明中以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的原理示意图。
图2为本发明中以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的结构示意图；其中，1为衬底；2为栅极；3为金属氧化物绝缘层薄膜；4为有机有源层；5为源漏电极。
图3为实施例1～3制备的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的转移特性曲线图：其中，A为实施例1制备的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的转移特性曲线图；B为实施例2制备的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的转移特性曲线图；C为实施例3制备的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的转移特性曲线图；此图为双Y轴共X轴图，其中，左边Y轴为漏极电流，右边Y轴为漏极电流的平方根；图中，用左箭头指向左边Y轴的点集对应于有机薄膜晶体管的漏极电流，用右箭头指向右边Y轴的点集对应于有机薄膜晶体管的漏极电流的平方根。
图4为实施例1～3中制备的金属氧化物绝缘层薄膜的AFM测试图：其中，A为实施例1制备的氧化铪的AFM测试图；B为实施例2制备的氧化钇的AFM测试图；C为实施例3制备的氧化钛的AFM测试图；其中，Rq为均方根粗糙度。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一、实施例
实施例1
本实施例的一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其结构示意图如图2所示，包括衬底1以及在衬底1上依次设置的栅极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、有机有源层4和源漏电极5。
一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，步骤如下：
(1)取高介电常数的金属氧化物绝缘材料氧化铪前驱体HfOCl2·8H2O(八水合氧氯化铪)8.19g，将其溶于50mL2-MOE(乙二醇单甲醚)，得到浓度为0.4mol/L的绝缘材料前驱体溶液。
(2)使用直流(DC)磁控溅射(本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击ITO靶材，溅射气压为5mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为80W，溅射时间为3000s)在玻璃衬底上沉积一层150nm厚的ITO，然后将其置于去离子水和异丙醇中分别清洗10min，放入烘干箱烘干，得到栅极。
(3)将步骤(1)得到的绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)制备的栅极上，旋涂转速为5000rpm，每次旋涂时间为30s，旋涂次数为3次，每一次旋涂之间进行预退火处理：预退火温度为300℃，预退火时间为4min；在全部旋涂完成后进行退火处理：退火温度为300℃，退火时间为1h，得到90nm厚度的氧化铪绝缘层薄膜。
(4)将并五苯通过热蒸镀的方法(本底真空度为4～6×10-7Torr，沉积速率为0.04nm/s)沉积在步骤(3)中得到的绝缘层薄膜上，得到40nm厚度的并五苯有机有源层薄膜。
(5)在步骤(4)得到的有机有源层薄膜表面使用直流(DC)磁控溅射(本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击Al靶材，溅射气压为1mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为100W，溅射时间为1800s)沉积得到一层100nm Al作为源漏电极，得到以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管。
实施例2
本实施例的一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其结构示意图如图2所示，包括衬底1以及在衬底1上依次设置的栅极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、有机有源层4和源漏电极5。
一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，步骤如下：
(1)取高介电常数的金属氧化物绝缘材料氧化钇前驱体Y(NO3)3·6H2O(六水合硝酸钇)9.575g，将其溶于50mL乙二醇，得到浓度为0.5mol/L的绝缘材料前驱体溶液。
(2)使用直流(DC)磁控溅射(本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击ITO靶材，溅射气压为5mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为80W，溅射时间为3000s)在玻璃衬底上沉积一层150nm厚的ITO，然后将其置于去离子水和异丙醇中分别清洗10min，放入烘干箱烘干，得到栅极。
(3)将步骤(1)得到的绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)制备的栅极上，旋涂转速为5000rpm，每次旋涂时间为30s，旋涂次数为3次，每一次旋涂之间进行预退火处理：预退火温度为300℃，预退火时间为4min；在全部旋涂完成后进行退火处理：退火温度为300℃，退火时间为1h，得到100nm厚度的氧化钇绝缘层薄膜。
(4)将并五苯通过热蒸镀的方法(本底真空度为4～6×10-7Torr，沉积速率为0.04nm/s)沉积在步骤(3)中得到的绝缘层薄膜上，得到40nm厚度的并五苯有机有源层薄膜。
(5)在步骤(4)得到的有机有源层薄膜表面使用直流(DC)磁控溅射(本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击Al靶材，溅射气压为1mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为100W，溅射时间为1800s)得到一层100nm Al作为源漏电极，得到以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管。
实施例3
本实施例的一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其结构示意图如图2所示，包括衬底1以及在衬底1上依次设置的栅极2、金属氧化物绝缘层薄膜3、有机有源层4和源漏电极5。
一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，步骤如下：
(1)取高介电常数的金属氧化物绝缘材料氧化钇前驱体Ti{OCH(CH3)2}4(四异丙醇钛)7.107g，将其溶于50mL 2-MOE(乙二醇单甲醚)，得到浓度为0.5mol/L的绝缘材料前驱体溶液。
(2)使用直流(DC)磁控溅射(本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击ITO靶材，溅射气压为5mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为80W，溅射时间为3000s)在玻璃衬底上沉积一层150nm厚的ITO，然后将其置于去离子水和异丙醇中分别清洗10min，放入烘干箱烘干，得到栅极。
(3)将步骤(1)得到的绝缘材料前驱体溶液旋涂于步骤(2)制备的栅极上，旋涂转速为5000rpm，每次旋涂时间为30s，旋涂次数为3次，每一次旋涂之间进行预退火处理：预退火温度为300℃，预退火时间为4min；在全部旋涂完成后进行退火处理：退火温度为300℃，退火时间为1h，得到100nm厚度的氧化钛绝缘层薄膜。
(4)将并五苯通过热蒸镀的方法(本底真空度为4～6×10-7Torr，沉积速率为0.04nm/s)沉积在步骤(3)中得到的绝缘层薄膜上，得到40nm厚度的并五苯有机有源层薄膜。
(5)在步骤(4)得到的有机有源层薄膜表面沉积使用直流(DC)磁控溅射(本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击Al靶材，溅射气压为1mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为100W，溅射时间为1800s)得到一层100nm Al作为源漏电极，得到以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管。
二、效果实施例
1、实施例1～3中制备金属氧化物的粗糙度测定。
采用原子力显微镜测量实施例1～3制备的金属氧化物绝缘层薄膜表面形貌，然后通过软件CSPM Imager里的分析功能计算得到薄膜粗糙度，结果如图4所示：实施例1～3制备的金属氧化物绝缘层薄膜的粗糙度均在0.2nm以下。
2、实施例1～3制备的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的性能参数测定
采用Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪，在室温大气条件下对实施例1～3制备的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管进行性能测试，栅极电压扫荡范围为-10V～10V,得到图3所示的转移特性曲线，读取阈值电压(Vth)(延长以右边Y轴为纵坐标的曲线的的线性区域与x轴交点的值即为阈值电压)，然后，通过公式计算迁移率：
(其中，μ为迁移率；W为沟道宽度；L为沟道长度；Ci为绝缘层单位面积电容；Vgs为栅极电压；Vth为阈值电压；Ids为漏极电流)以及开关比：Ion/off＝Idsmax/Idsmin(其中，Idsmax为漏极电流的最大值；Idsmin为漏极电流的最小值)。
表1.实施例1～3制备的TFT性能参数表
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其特征在于：包括衬底以及在衬底上依次设置的栅极、金属氧化物绝缘层薄膜、有机有源层和源漏电极；
所述的金属氧化物为氧化铪、氧化钇和氧化钛中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其特征在于：
所述的衬底为玻璃、石英、单晶硅、蓝宝石和塑料中的至少一种；
所述的栅极的材料为ITO、铝和钼中的至少一种；
所述的有机有源层的材料为并五苯；
所述的源漏电极的材料为Al和Mo中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其特征在于：
所述的衬底为玻璃；
所述的栅极的材料为ITO；
所述的源漏电极的材料为Al。
4.根据权利要求3所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管，其特征在于：
所述的金属氧化物绝缘层薄膜的厚度为80～120nm；进一步为90～100nm；
所述的栅极的厚度为100～150nm；进一步为150nm；
所述的有机有源层的厚度为30～50nm；进一步为40nm；
所述的源漏电极的厚度为90～120nm；进一步为100nm。
5.权利要求1～4中任一项所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用直流磁控溅射在衬底表面沉积一层栅极材料，清洗烘干，得到栅极；
(2)在步骤(1)制备的栅极上旋涂绝缘材料前驱体溶液，然后进行退火处理，得到金属氧化物绝缘层薄膜；
(3)采用热蒸镀方法在步骤(2)得到的金属氧化物绝缘层薄膜上沉积有机有源层；
(4)采用直流磁控溅射在步骤(3)的有机有源层薄膜表面沉积一层源漏电极材料，得到以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管。
6.根据权利要求5所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的绝缘材料前驱体溶液通过如下方法制备：将绝缘材料前驱体溶于溶剂中，得到绝缘材料前驱体溶液；
所述的绝缘材料前驱体为八水合氧氯化铪、六水合硝酸钇和四异丙醇钛中的至少一种；
所述的溶剂为乙二醇单甲醚和乙二醇中的至少一种；
所述的绝缘材料前驱体溶液的浓度不大于0.6mol/L；进一步为0.4～0.5mol/L。
7.根据权利要求5或6所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的直流磁控溅射的具体条件为：本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击栅极靶材，溅射气压为5mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为80W，溅射时间为3000s；
步骤(2)中所述的旋涂的具体条件为：旋涂转速为4000～6000rpm，每次旋涂时间为30～40s，旋涂次数为1～5次，每次旋涂之间预退火温度为200～400℃，预退火时间为3～5min；
步骤(2)中所述的退火的具体条件为：退火温度为200～400℃，退火时间为1～2h；
步骤(3)中所述的热蒸镀的具体条件为：本底真空度为4～6×10-7Torr，沉积速率为0.04nm/s；
步骤(4)中所述的直流磁控溅射的具体条件为：本底真空度为4×10-6mTorr，采用Ar离子轰击源漏电极靶材，溅射气压为1mTorr，O2/Ar流量比为0％，溅射功率为100W，溅射时间为1800s。
8.根据权利要求7所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的旋涂的具体条件为：旋涂转速为5000rpm，每次旋涂时间为30s，旋涂次数为3次，每次旋涂之间预退火温度为300℃，预退火时间为4min；
步骤(2)中所述的退火的具体条件为：退火温度为300℃，退火时间为1h。
9.根据权利要求5所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的清洗为置于去离子水和异丙醇中分别清洗10min；
步骤(1)中所述的烘干为放入烘干箱烘干。
10.权利要求1～4中任一项所述的以高介电、宽带隙金属氧化物为绝缘层的有机薄膜晶体管的应用。
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