一种具备近红外光传感特性的场效应晶体管制备方法

技术领域

本发明涉及近红外光传感技术领域，特别涉及一种具备近红外光传感特性的场效应晶体管制备方法。

背景技术

具有光传感特性的有机场效应晶体管，能将光信号的变化转变为电信号的变化，并通过栅压的调控作用，实现对光电流的进一步放大，提高光检测的灵敏性。近红外光传感有机场效应晶体管由于制备工艺简单、成本低和柔韧性好，较易集成于可穿戴设备，并广泛应用于健康监控，疾病诊断、夜视、远程监控、环境监控和光学通讯等领域。

近红外有机场效应晶体管所涉及到的主要物理过程包括发生在半导体层中的光诱导激子的产生、电荷分离、电荷传输和收集。近红外有机场效应晶体管多采用底栅底接触构型和底栅顶接触构型，并选择在近红外光谱区域有较强吸收的材料作为半导体层。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备近红外光传感特性的场效应晶体管制备方法，所述场效应晶体管由基底、栅电极、介电层、源漏电极和半导体层组装而成，其特征在于，近红外光传感有机场效应晶体管的制备方法，包括：

步骤1、在基底上制备栅电极；

步骤2、在栅电极上制备介电层；

步骤3、在介电层上制备源漏电极；

步骤4、在介电层上修饰单分子层；

步骤5、制备半导体层。

所述步骤1中，栅电极具有良好的导电性，采用金、银，或者打印电极，打印所采用的墨水选择银墨水或者PEDOT:PSS溶液；基底可以是玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亚胺(PI)；基底还可选择重掺杂的硅，重掺杂硅可同时作为栅电极；

所述步骤2中，介电层具有良好的介电性能、绝缘性能以及耐溶解性；是在重掺杂硅表面氧化一定厚度的二氧化硅作为介电层，或者是交联的聚酰亚胺、交联的聚苯乙烯或交联的聚乙烯醇；

所述步骤3中，源漏电极需要有良好的导电性，通过蒸镀、光刻或打印工艺制备源漏电极，采用的材料为金属或者导电聚合物材料；其中金属材料选用金、银；导电聚合物材料选用PEDOT:PSS。

所述步骤4中，将单分子层与介电层之间以共价键形式连接。

所述步骤5中，半导体层为共轭聚合物和有机小分子共混溶液制备的薄膜，具有垂直分相的异质结构。首先按照共轭聚合物和有机小分子的质量比配置适当浓度的共混溶液，再采用旋涂或者刮涂的方法制备半导体层；其中，在混合溶质中，共轭聚合物的质量分数为30％-90％，共混溶液的两种材料的总质量体积浓度为6.2-12.8mg/mL。

其中，共轭聚合物是以吡咯并吡咯二酮或二噻吩稠合的吡咯并吡咯二酮作为受体单元，苯环、噻吩或连二噻吩作为给体单元；有机小分子选择球形分子的衍生物，比如[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)或者[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)。

本发明的有益效果是该方法制备过程简单、可重复性好，能够在半导体层中形成垂直分相的异质结，所制备的器件广泛适用于近红外光的探测。

附图说明

图1为近红外光传感有机场效应晶体管制备方法流程示意图；

图2为共混半导体层所采用(a)共轭聚合物(P0)和(b)有机小分子(PC71BM)的结构式；

图3为溶液法制得薄膜的表面形貌，(a)P0薄膜的表面形貌图，(b)P0/PC71BM(质量比1：1)共混薄膜的表面形貌图和(c)P0/PC71BM(质量比1：1)共混薄膜的切面图；

图4为器件光响应性能曲线图，以850nm的近红外光为光源，以共混薄膜作为半导体层的近红外响应场效应晶体管的(a)转移曲线图(功率为35μW/cm

具体实施方式

本发明提供一种具备近红外光传感特性的场效应晶体管制备方法，所述场效应晶体管由基底、栅电极、介电层、源漏电极和半导体层组装而成，下面结合实施例和附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

图1所示为近红外光传感有机场效应晶体管制备方法流程示意图。图中所示近红外光传感有机场效应晶体管的制备过程依照从下到上的顺序，即基底、栅电极、介电层、源漏电极和半导体层；选择合适的材质进行每一层的构筑。具体步骤包括：

步骤1、在基底上制备栅电极，

在该步骤中，所构筑的栅电极具有良好的导电性，电导率应在10

步骤2、在栅电极上制备介电层，

在该步骤中，介电层具有良好的介电性能、绝缘性能以及耐溶解性。可以是在重掺杂硅表面氧化一定厚度的二氧化硅作为介电层，二氧化硅的厚度为300nm-500nm，表面粗糙度为＜1nm；或者是包括聚酰亚胺、交联的聚乙烯苯酚(PVP)、交联的聚苯乙烯或交联的聚乙烯醇之一的聚合物，通过在相应聚合物中加入交联剂，在高温下发生反应，交联而成，交联聚合物厚度为20nm-100nm，表面粗糙度为＜1nm。

步骤3、在介电层上制备源漏电极，

在该步骤中，源漏电极需要有良好的导电性，电导率应在10

步骤4、在介电层上修饰单分子层，

在该步骤中，单分子层分子为十八烷基三氯硅烷(OTs)或者六甲基二硅氮烷(HMDS)等，修饰方法为：将带有介电层的基底均匀摆放在培养皿中，在培养皿中滴一滴OTs或者HMDS后，将其置于真空烘箱中，之后，将真空烘箱抽真空，给真空烘箱加热，温度设为110℃-130℃。最后修饰的效果为：单分子层与介电层之间以共价键形式连接。

步骤5、制备半导体层，

在该步骤中，半导体层为共轭聚合物(PO)和有机小分子(PC71BM)的共混溶液制备成的薄膜(如图2中(a)共轭聚合物(P0)和(b)有机小分子(PC71BM)所示)，具有垂直分相的异质结构。共轭高分子共聚物通常以吡咯并吡咯二酮或二噻吩稠合的吡咯并吡咯二酮等作为受体单元，苯环、噻吩或连二噻吩等作为给体单元。有机小分子通常选择球形分子的衍生物，比如[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)或者[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)。溶剂为三氯甲烷或者邻二氯苯。共轭聚合物溶液的浓度为6-10mg/mL，有机小分子溶液浓度为10-20mg/mL。将两种溶液按照不同的体积比进行混合，得到两种材料的共混溶液。在混合溶质中，共轭聚合物的质量分数为30％、60％或-90％，共混溶液的两种材料的总质量体积浓度为6.2/mL、8.5/mL或12.8mg/mL。在准备好的基底上采用旋涂或者刮涂的方法制备半导体层。旋涂速率为1000rpm-3500rpm，在刮涂过程中，控制基底温度60-80℃，刮涂速率为0.5mm/s-3mm/s。以三氯甲烷作为溶剂制备的薄膜不退火，以邻二氯苯作为溶剂的薄膜需在真空烘箱中退火，退火温度120℃-160℃，退火时间为30min-60min。

下面以具体的实例对本发明的方法及材料作进一步说明：

实施例

所需材料和试剂

硅片、三氯甲烷、半导体材料。KW-4A型台式匀胶机、真空烘箱、红外光源、KeithleySCS 4200半导体参数测试仪

实际步骤

步骤1、制备栅介电层。选择以Sb为N型掺杂剂的重掺杂硅片为基底，通过干法热氧化在表面制备SiO

步骤2、制备源漏电极。在SiO

步骤3、清洗基底。配置浓硫酸和过氧化氢的混合溶液(体积比为7：3)，将基底在混合溶液中浸泡5min，之后，将基底先后分别浸泡于盛有去离子水、乙醇和丙酮的烧杯中，在超声波清洗仪中超声(功率8W)5min。

步骤4、对基底进行OTs修饰。将基底从烧杯中取出，用N

步骤5、清洗修饰后的基底。将硅片从真空烘箱中取出，先后浸泡于盛有正己烷、乙醇和三氯甲烷的烧杯中，在超声波清洗仪中超声(功率8W)5min。备用。

步骤6、配置半导体材料的溶液。选择共轭聚合物P0(如图2中(a)所示)和有机小分子PC71BM(如图2中(b)所示)为半导体材料，以三氯甲烷为溶剂，分别配置8mg/mL的P0的三氯甲烷溶液(A)和20mg/mL的PC71BM的三氯甲烷溶液(B)，量取体积比为5：2的A和B混合均匀，得到共混溶液C。

步骤7、制备半导体薄膜。将OTs修饰的基底从烧杯中取出、吹干，置于匀胶机上、吸片，设置匀胶机转速2000rpm。用移液枪移取20μL C，滴加在基底上，匀胶1min。

步骤8、测试器件的电学性能和光响应性能如图4所示为器件光响应性能曲线图，以850nm的近红外光为光源，以共混薄膜作为半导体层的近红外响应场效应晶体管的(a)转移曲线图(功率为35μW/cm

综上所述，本发明实施例所述方法采用N型重掺杂的硅作为基底，热氧化制备300nm的二氧化硅作为栅介电层，通过光刻工艺制备源漏电极。超声清洗基底后，采用单分子层修饰基底，使得单分子层与基底之间以共价键相连。采用超声清洗，洗去未以共价键与基底结合的单分子层。将上述处理后的硅片通过抽真空的方式固定在匀胶机上，使用移液枪吸取事先配置好的两种半导体共混溶液，铺满基底，进行匀胶。得到表面均匀光滑的半导体层。从原子力显微镜上观察，与纯P0聚合物溶液制备的薄膜相比，P0/PC71BM(质量比1：1)的薄膜出现球状聚集(如图3所示)，其中(a)P0薄膜的表面形貌图，(b)P0/PC71BM(质量比1：1)共混薄膜的表面形貌图和(c)P0/PC71BM(质量比1：1)共混薄膜的切面图)；采用扫描电子显微镜进行观察，发现半导体层薄膜呈现分层结构；采用XPS分析，得知P0/PC71BM共混薄膜的表层组成与P0相同，分层结构的上层薄膜为P0，下层的球形聚集为PC71BM。在功率为35μWcm