專利名稱：基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場效應(yīng)光電晶體管技術(shù)，具體地講是一種基于并五苯的垂直 構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管及制備方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，在有機場效應(yīng)光電晶體管(又稱"有機場效應(yīng)光敏晶體管"或 "有機光電場效應(yīng)晶體管")中，場效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)是用來放大光電流的。
典型的有機場效應(yīng)光電晶體管具有與有機場效應(yīng)晶體管(OFETs)相同的結(jié) 構(gòu)，都具有三個導(dǎo)電極(即源極、漏極和基極)以及一層有機半導(dǎo)體層。在 光照期間，有機材料內(nèi)部產(chǎn)生激子并緊接著分裂為自由載流子，其中的某一 種載流子就被陷在器件內(nèi)的載流子陷阱中。事實上，有機場效應(yīng)光電晶體管 是一種不斷內(nèi)建被陷載流子的集成器件。這種內(nèi)建載流子不斷改變場效應(yīng)晶 體管的閾值電壓---這樣就轉(zhuǎn)化為放大的漏電流。要得到高增益，必須能有效 地產(chǎn)生光生自由載流子、具有良好的場效應(yīng)晶體管特性以及能有效地捕捉某 一種載流子。至今，對于不同的有機半導(dǎo)體材料，許多人都注意到了光照條 件下有機場效應(yīng)晶體管的漏電流增強行為。
與有機光電二極管以及有機雙極光電晶體管相比，工作在場效應(yīng)晶體管 的"關(guān)"態(tài)下的有機場效應(yīng)光電晶體管具有較高的增益和信噪比。而且，由于 有機場效應(yīng)光電晶體管具有與OFETs相似的結(jié)構(gòu)，與其它有機光電探測器 相比，把有機場效應(yīng)光電晶體管與OFETs集成到電路中會更加直接且簡單。 因此，有機場效應(yīng)光電晶體管是實現(xiàn)全有機圖像傳感器的很有前景的器件。
另外，自從第一個OFETs被報道以來，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管一直 是國內(nèi)外研究的熱點。高性能(場效應(yīng)遷移率A為2.7cmV^s，"開/關(guān)"電流 比為108)、多功能(雙極、超導(dǎo))OFETs以及光電集成電子器件(由OFETs 驅(qū)動的發(fā)光二極管)等的出現(xiàn)，使OFETs的研究取得了突破性進展。OFETs 的研究將為實現(xiàn)全有機電路打下基礎(chǔ)。近幾年研究的重點集中在對新有機材 料的合成、薄膜形態(tài)結(jié)構(gòu)控制；利用單晶有機晶體管來研究載流子傳輸?shù)纳?層次問題以及與有機薄膜晶體管的集成器件等等。然而，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有機薄 膜晶體管在制作過程中仍需光刻工藝，對有機薄膜的有序性產(chǎn)生一定的影響， 進而影響器件的整體性能；同時，源、漏電極的接觸電阻和溝道電阻也是影 響器件性能的主要因素。有機晶體管由于材料的遷移率相對較低以及"開/關(guān)" 電流比依賴于溝道長度等因素，它們的性能和微型化受到限制。因此，為了 適合于工作頻率高的應(yīng)用，利用垂直結(jié)構(gòu)來減小OFETs中溝道長度從而提高 工作頻率的有機晶體管主要包括兩種 一種是基于肖特基勢壘類型的靜電感 應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor, SIT)結(jié)構(gòu)；另一種是利用一絕緣層在 垂直方向分開源、漏電極的結(jié)構(gòu)，通過控制有機絕緣層厚度可以控制有機薄 膜晶體管的溝道長度。最近，YangYang研究組提出了一種在有機半導(dǎo)體層與 絕緣層之間加入一金屬薄層作為源極的疊層結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，但這層 共源極的薄金屬層制作起來條件苛刻要求非常薄且粗糙。Hiimmelgen研究 組提出了一種類似于金屬基極晶體管(Metal-base Transistors, MBTs)結(jié)構(gòu) 的贗金屬基極晶體管(pseudo-MBTs)，采用C6()/PEDOT/n-Si結(jié)構(gòu)(其中C60 為發(fā)射區(qū)，PEDOT為基區(qū)，n-Si為集電區(qū))，得到了大的共基極電流增益。
而通常的無機MBTs的電流增益很低或者制備過程復(fù)雜又昂貴。最近報道了 一種既具有硅化物MBTs優(yōu)點(即高的共基極電流增益且與平面硅技術(shù)相兼 容)并且制作工藝簡單且廉價的晶體管器件。其主要創(chuàng)新點在于使用了一層 蒸鍍的有機發(fā)射層(Qo或者Alq3)?；鶚O是鍍在硅襯底(作為集電區(qū))上的超 薄金(Au)層。Nakayama研究組也報道了一種平面金屬基極的垂直構(gòu)型有 機晶體管(其結(jié)構(gòu)為Organic/Metal/Organic)。在插入的薄基極上加電壓可調(diào) 整器件的發(fā)射層和集電層之間的面電流。當(dāng)用C6Q和二萘嵌苯衍生物為溝道 層時，僅用幾伏的基極電壓就能使集電極電流超過300mA/cm2。他們認為該 器件屬于MBTs的工作機理。
光誘導(dǎo)效應(yīng)是光電場效應(yīng)晶體管的工作基礎(chǔ)，其應(yīng)用非常廣泛。有機場效 應(yīng)光電晶體管可用作光誘導(dǎo)開關(guān)、光觸發(fā)放大、探測電路以及在有機場效應(yīng) 光電晶體管陣列中作為高靈敏度的圖像傳感器。各種有機和聚合物半導(dǎo)體作 成的有機場效應(yīng)光電晶體管已有報道，如用純的聚噻吩 [poly(3-octylthiophene)]、聚芴、雙功能的螺旋化合物和聚亞苯基乙炔撐 [polyphenyleneethynylene]的衍生物都得到了 0.5-1 A/W的敏感度。
因此，可以充分利用有機材料(并五苯)和垂直構(gòu)型場效應(yīng)晶體管的各 自優(yōu)點并發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，開發(fā)出響應(yīng)速度快、性能優(yōu)良的新型場效應(yīng) 光電晶體管。有機材料選用并五苯的原因，還因為它具備獲得高效有機場效 應(yīng)光電晶體管的兩個關(guān)鍵因素能提供優(yōu)良的場效應(yīng)晶體管特性以及在可見 光譜區(qū)的高吸收(禁帶寬度為2.0eV)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶
體管及制備方法，這種垂直結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)光電晶體管能克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄膜 光電晶體管的諸多缺點。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是.-
基于并五苯的有機場效應(yīng)光電晶體管采用垂直結(jié)構(gòu)，艮口 在P型硅柵極的襯底上，有無機介電絕緣層和并五苯有機功能層；
在無機介電絕緣層與并五苯有機功能層之間，有導(dǎo)電電極作為源極； 在并五苯有機功能層上有透明導(dǎo)電電極作為漏極。
該基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的制備方法，有如下步
驟
(1) 首先清洗p型硅片，作為場效應(yīng)光電晶體管的柵極；
(2) 然后，將無機介電絕緣層材料蒸鍍到清洗好的p型硅襯底上；
(3) 之后，再將導(dǎo)電電極材料蒸鍍到無機介電絕緣層上，形成一定厚 度的導(dǎo)電層作為源極；
(4) 然后，在源極上蒸鍍并五苯有機功能薄膜層；
(5) 最后，將透明導(dǎo)電電極材料蒸鍍到并五苯有機功能薄膜層上作為 漏極，從而完成整個場效應(yīng)光電晶體管器件的制備。
本發(fā)明的優(yōu)點是由于是用介電常數(shù)很高的無機材料來充當(dāng)絕緣層， 能有效增加場效應(yīng)光電晶體管中的電容單元(即柵極與源極所夾的無機介電 材料層組成的單元)的單位電容量。垂直構(gòu)型場效應(yīng)光電晶體管的制作工藝 簡單，無需光刻等復(fù)雜工藝，溝道長度可以作得很薄，因而可以大大提高場 效應(yīng)光電晶體管器件的"開/關(guān)"電流比。對于質(zhì)輕、價廉及可與柔性襯底 相兼容的有機材料，更有利于提高有機膜的有序性和場效應(yīng)遷移率，工作電壓低、響應(yīng)速度快。本發(fā)明能充分利用有機材料和無機材料以及垂直構(gòu)型場 效應(yīng)晶體管的各自優(yōu)點并發(fā)揮它們集合在一起后的優(yōu)勢，制備出響應(yīng)速度 快、性能優(yōu)良的有機場效應(yīng)光電晶體管。


圖1為本發(fā)明的P形硅襯底上的基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電 晶體管結(jié)構(gòu)圖。
圖2為基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的制備方法方框簡圖。
具體實施例方式
實施例l:如圖l、 2所示，有步驟如下 (1)清洗P型重摻雜的硅襯底作為柵極。本實施例可選擇通過氫氟酸等 方法清洗干凈的P型硅襯底作為柵極。作為導(dǎo)電柵極的硅襯底， 一面與金屬 電極連接形成歐姆接觸，并與外電壓相接；另一面蒸鍍無機介電絕緣層。在 高摻雜的硅片襯底上制備場效應(yīng)光電晶體管的目的是為了與已成規(guī)模的硅 技術(shù)相兼容。
(2 )將Ti02介電絕緣層通過電子束蒸發(fā)等方法蒸鍍到清洗好的P型硅襯 底上，具有一定的厚度(150 300rnn)。有些無機絕緣層材料也可通過分子束 外延和激光脈沖沉積等方法成膜。
(3) 通過掩模板，用熱蒸發(fā)等方法將導(dǎo)電金屬Au蒸鍍到Ti02介電絕緣層 上，厚度為100 200nm。
(4) 在Ti02介電絕緣層上用熱蒸發(fā)等方法蒸鍍有機功能層-一并五苯薄 膜，厚度100 200nm。對于其它有機材料，也可用甩膜等其它方法成膜。
(5) 蒸鍍透明導(dǎo)電漏極-一MgAg合金，完成場效應(yīng)光電晶體管的制備。 依據(jù)以上方法，得到了如下的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管P-Si/TiO2(240nm)/Au(30nm)/pentacene(100nm)/Mg:Ag，即
在p型硅2之下，有一層導(dǎo)電電極l與p型硅形成歐姆接觸，且在p型硅2之 上有一層無機(Ti02)絕緣層3和一層并五苯有機(Pentacene)功能層5，且 在無機絕緣層3與并五苯有機功能層5之間，有一層金屬(Au)源極4，在并 五苯有機功能層5上鍍有透明導(dǎo)電(Mg:Ag合金)漏極6。值得注意的是，可 通過優(yōu)化器件各功能層的厚度，特別是關(guān)注第(2)、 (3)、 (4)步，優(yōu)選出 合適的器件結(jié)構(gòu)，可制備出響應(yīng)速度快、性能優(yōu)良的基于并五苯的垂直構(gòu)型 有機場效應(yīng)光電晶體管。
另外，本發(fā)明的無機介電絕緣層可優(yōu)化為多層無機絕緣層的組合；導(dǎo)電 電極也可以是多層金屬及金屬合金的組合。
顯然，在高摻雜的硅片襯底上制備場效應(yīng)光電晶體管可以與已成規(guī)模的 硅技術(shù)相兼容。
權(quán)利要求
1.一種基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管，其特征在于其采用垂直構(gòu)型的器件結(jié)構(gòu)，即在導(dǎo)電電極(1)作為柵極的p型硅(2)之上，有無機介電絕緣層(3)和并五苯有機功能層(5)；在無機介電絕緣層(3)與并五苯有機功能層(5)之間，有導(dǎo)電電極(4)作為源極；在并五苯有機功能層(5)上有透明導(dǎo)電電極(6)作為漏極。
2. —種基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的制備方法，其特征 在于其制備方法有如下步驟(a) 首先清洗p型硅片，在粗糙面蒸鍍導(dǎo)電電極(1)并與硅片(2) —起 作為場效應(yīng)光電晶體管的柵極；(b) 然后，將無機介電絕緣層材料(3)蒸鍍到清洗好的p型硅襯底(2)上；(c) 之后，將導(dǎo)電電極材料(4)蒸鍍到無機介電絕緣層(3)上，形成一 定厚度的導(dǎo)電層作為源極；(d) 然后，在源極上蒸鍍并五苯有機功能薄膜層(5);(e) 最后，將透明導(dǎo)電電極材料(6)蒸鍍到并五苯有機功能薄膜層上作 為漏極，從而完成整個場效應(yīng)光電晶體管器件的制備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的 制備方法，其特征在于在步驟(b)中，是通過電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法， 將無機介電絕緣層材料(3)蒸鍍到清洗好的p型硅襯底(2)上；有些無機絕緣材料也可通過分子束外延和激光脈沖沉積等方法成膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的 制備方法，其特征在于在步驟(c)中，是利用熱蒸發(fā)等方法并通過掩模板將導(dǎo) 電電極材料(4)蒸鍍到無機介電絕緣層(3)上，形成一定厚度的導(dǎo)電層作為 源極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的 制備方法，其特征在于在步驟(d)中，是用熱蒸發(fā)等方法在源極上蒸鍍并五 苯有機功能薄膜層(5)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管的 制備方法，其特征在于在步驟(e)中，用于入射光的漏極(6)，必須是透明及 半透明導(dǎo)電電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于并五苯的垂直構(gòu)型有機場效應(yīng)光電晶體管及其制備方法，即在p型硅襯底的一面上蒸鍍導(dǎo)電電極形成歐姆接觸，并與硅襯底一起作為柵極，然后將無機介電絕緣材料蒸鍍到p型硅襯底的另一面上，再將導(dǎo)電源極蒸鍍到無機介電絕緣層上，再蒸鍍并五苯有機功能層，最后蒸鍍透明導(dǎo)電漏極從而完成場效應(yīng)光電晶體管器件的制備。該有機場效應(yīng)光電晶體管由于使用了垂直結(jié)構(gòu)，制作工藝簡單，無需光刻等復(fù)雜工藝。溝道長度可以作得很薄因而可大大提高場效應(yīng)光電晶體管器件的“開/關(guān)”電流比。有機材料選用并五苯，有利于光的吸收，易得到高性能的場效應(yīng)光電晶體管。
文檔編號H01L51/48GK101101972SQ200710118280
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月4日
發(fā)明者婁志東, 楊盛誼, 鄧振波 申請人:北京交通大學(xué)