一种利用有机半导体掺杂制备高迁移率晶体管的方法

技术领域

本发明属于有机电子学技术领域，具体涉及一种利用有机半导体掺杂制备高迁移率晶体管的方法。

背景技术

场效应晶体管(FET)作为一种有源三端器件，可以通过栅极电压实现对源漏极之间电流的控制，在半导体领域发挥着至关重要的作用。在发光二极管(LED)或者OLED显示器，固态硬盘及内存等存储器、集成电路等的生产研发中均能看到它的身影。相比于无机电子器件，有机电子器件有以下优势:1)可以进行溶液加工，意味着在制造业生产过程中，能更加便捷高效地进行大面积生产，节约材料损耗，降低成本；2)易于对器件进行调控，通过对原材料进行化学改性，或者是在得到器件之后进行物理化学优化，如退火、掺杂等，可以大幅度提高器件性能；3)可以进行柔性加工，这一特性可以为柔性器件、折叠曲面屏幕、可穿戴设备提供良好基础。基于这些优势，有机器件及其性能优化近年来一直是研究的热点，在未来也拥有着广阔的使用前景。

但是，在OFETs领域，与无机晶体管相比仍然存在着较大的性能差距。目前主要制约OFETs大规模使用的关键因素在于有机器件性能与无机器件还存在着很大的差距，包括器件的迁移率、阈值电压、开关比和稳定性等性能参数。低迁移率制约了器件的响应速度，高阈值电压制约了器件在微电子电路中的使用。

无机物的掺杂对于传统无机器件性能的提高在历史上具有重要的意义，对有机物亦然，如何使用掺杂提高OFETs性能的研究从未停止。有机掺杂是被广泛使用的一种技术，与无机的情况类似，均是通过物理化学手段，在本体材料中添加掺杂剂，被用来提升电荷的传输性能或者减少接触电阻。掺杂不仅仅可以提升器件的电导率等性能，还可以对OFETs进行特定的调控来开发特定用途的器件，提升器件的稳定性。一方面，掺杂层相比有机层具有更高的导电性，有助于减小载流子在有机层内输运中由欧姆接触引起的电流损失；另一方面，掺杂层可以在OFETs结构中形成良好的接触材料，降低由于功函数不匹配导致的传输势垒。

参考文献：

1.Z.Bao，A.Dodabalapur,A.J.Lovinger,Soluble and processableregioregular poly(3-hexylthiophene)for thin film field-effect transistorapplications with high mobility.Applied Physics Letters 69,4108-4110(1996).

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3.Y.Hu，L.Bu，X.Wang，L.Zhou，G.Lu，Field-Effect Charge Transport in DopedPolymer Semiconductor-Insulator Alternating Bulk Junctions with UltrathinTransport Layers.ACS Appl Mater Interfaces 10，39091-39099(2018).

4.P.Pingel,L.Zhu,K.S.Park,J.-O.Vogel，S.Janietz,E.-G.Kim,J.P.Rabe,J.-L.Brédas,N.Koch,Charge-Transfer Localization in Molecularly Doped Thiophene-Based Donor Polymers.The Journal of Physical Chemistry Letters 1,2037-2041(2010).

5.I.E.Jacobs,A.J.Moule,Controlling Molecular Doping in OrganicSemiconductors.Adv Mater 29，(2017).

6.B.Lussem,C.M.Keum,D.Kasemann，B.Naab,Z.Bao,K.Leo，Doped OrganicTransistors.Chem Rev 116,13714-13751(2016).

7.T.

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用有机半导体掺杂制备高迁移率晶体管的方法，利用掺杂的手段对有机场效应晶体管性能进行调控，得到理想的器件性能。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案实现：

一种利用有机半导体掺杂制备高迁移率晶体管的方法，包括以下步骤：

1)选择合适的衬底，裁剪后清洗；

2)对衬底表面进行绝缘聚合物修饰；

3)在绝缘聚合物修饰后的衬底上真空蒸镀有机半导体材料；

4)使用掩膜版，在有机半导体层上蒸镀金作为源极、漏极得到有机场效应晶体管；

5)在有机场效应晶体管沟道内掺杂，真空蒸镀P型掺杂剂分子。

本发明进一步的改进在于，步骤1)所用的衬底是重掺杂的P型Si衬底，其表面生长100-300nm的二氧化硅为绝缘层。

本发明进一步的改进在于，步骤2)所用的绝缘聚合物为聚苯乙烯。

本发明进一步的改进在于，步骤3)所用有机半导体材料为C12-BTBT。

本发明进一步的改进在于，步骤5)所用掺杂剂分子材料为F4-TCNQ和CN6-CP。

本发明进一步的改进在于，蒸镀速度C12-BTBT为

本发明进一步的改进在于，有机半导体层的厚度为20nm，金的厚度为500nm，掺杂剂厚度为2nm。

相对于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

本发明提供的一种利用有机半导体掺杂制备高迁移率晶体管的方法，P型掺杂剂与P型半导体复合后，可夺走P型半导体HOMO能级的电子，在HOMO能级处形成空穴。因而半导体在无栅极电压作用的情况下，在沟道内已具有可自由移动的载流子。此部分载流子可填充半导体/绝缘体界面陷阱，引起晶体管在0V栅极电压附近迅速开启，进而降低晶体管的阈值电压。在栅极电压作用下，此部分载流子和栅极电压感应的载流子共同形成传输电流，因而可形成晶体管视在迁移率的提升。

本发明可以进一步提高有机场效应晶体管的空穴迁移率；

本发明可以进一步降低有机场效应晶体管的阈值电压，降低能耗。

附图说明

图1为实施例1中掺杂前L＝100um的晶体管的转移曲线图。

图2为实施例1中掺杂前L＝100um的晶体管的输出曲线图。

图3为实施例1中掺杂2nm厚度的F4-TCNQ，L＝100um的晶体管的转移曲线图。

图4为实施例1中掺杂2nm厚度的F4-TCNQ，L＝100um的晶体管的输出曲线图。

图5为实施例2中掺杂前L＝100um的晶体管的转移曲线图。

图6为实施例2中掺杂前L＝100um的晶体管的输出曲线图。

图7为实施例2中掺杂2nm厚度的CN6-CP，L＝100um的晶体管的转移曲线图。

图8为实施例2中掺杂2nm厚度的CN6-CP，L＝100um的晶体管的输出曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例以重掺杂的P型Si为衬底，其表面生长300nm的二氧化硅为绝缘层，聚苯乙烯修饰衬底，有机半导体层为C12-BTBT，掺杂剂分子为F4-TCNQ，具体步骤如下：

1)衬底清洗

将衬底裁为2.2×2.2cm，依次用水、丙酮、异丙醇超声清洗各两次，每次10min，之后用氮气吹干。

2)衬底表面修饰

在步骤1)清洗干净的衬底上旋涂聚苯乙烯溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为5mg/ml，转速为2000rad/s。

3)蒸镀有机半导体材料

将步骤2)中得到的衬底放入真空蒸镀仪里，以

4)蒸镀电极

将步骤3)中得到的衬底放入真空蒸镀仪里，以

5)有机场效应晶体管沟道P型掺杂

将步骤4)中得到有机场效应晶体管放入真空蒸镀仪里，以

5)器件性能测试

利用keysight b2902数字源表对制得的有机晶体管进行测试。

本实例制作的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图如图1-图4所示。图1、图3分别为未实施掺杂和掺杂后晶体管的转移曲线，发现图1中未实施掺杂的场效应晶体管在-80V电压作用下的电流为0.8×10

实施例2：

本实施例以重掺杂的P型Si为衬底，其表面生长100nm的二氧化硅为绝缘层，聚苯乙烯修饰衬底，有机半导体层为C12-BTBT，掺杂剂分子为CN6-CP，具体步骤如下：

1)衬底清洗

将衬底裁为2.2×2.2cm，依次用水、丙酮、异丙醇超声清洗各两次，每次10min，之后用氮气吹干。

2)衬底表面修饰

在步骤1)清洗干净的衬底上旋涂聚苯乙烯溶液，溶剂为邻二氯苯，浓度为5mg/ml，转速为2000rad/s。

3)蒸镀有机半导体材料

将步骤2)中得到的衬底放入真空蒸镀仪里，以

4)蒸镀电极

将步骤3)中得到的衬底放入真空蒸镀仪里，以

5)有机场效应晶体管沟道P型掺杂

将步骤4)中得到有机场效应晶体管放入真空蒸镀仪里，以

5)器件性能测试

利用keysight b2902数字源表对制得的有机晶体管进行测试。

本实例制作的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图如图5-图8所示。图5、图7分别为未实施掺杂和掺杂后晶体管的转移曲线，发现图5中未实施掺杂的场效应晶体管在-80V电压作用下的电流为0.6×10