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
技术领域
背景技术
[0002] 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
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 所述的栅极的厚度优选为100～150nm；更优选为150nm。
[0012] 所述的有机有源层的材料优选为并五苯。
[0013] 所述的有机有源层的厚度优选为30～50nm；更优选为40nm。
[0014] 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。
[0015] 所述的源漏电极的厚度优选为90～120nm；更优选为100nm。
[0016] 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：
[0017] (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；
[0018] (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；
[0019] (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；
[0020] (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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 步骤(1)中所述的栅极的厚度优选为100～150nm；更优选为150nm。
[0025] 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。
[0026] 步骤(1)中所述的烘干优选为放入烘干箱烘干。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 所述的溶剂优选为乙二醇单甲醚和乙二醇中的至少一种。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 步骤(3)中所述的有机有源层的材料优选为并五苯。
[0036] 步骤(3)所述的有机有源层的厚度优选为30～50nm；更优选为40nm。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 步骤(4)中所述的源漏电极的厚度优选为90～120nm；更优选为100nm。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0043] (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 Force Microscope，
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。
[0044] (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
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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。
[0048] 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
[0049] 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。
[0050] 一、实施例
[0051] 实施例1
[0052] 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。
[0053] 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：
[0054] (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。
[0055] (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。
[0056] (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。
[0057] (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。
[0058] (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。
[0059] 实施例2
[0060] 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。
[0061] 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：
[0062] (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。
[0063] (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。
[0064] (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。
[0065] (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。
[0066] (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。
[0067] 实施例3
[0068] 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。
[0069] 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：
[0070] (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。
[0071] (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。
[0072] (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。
[0073] (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。
[0074] (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-6度为4×10 mTorr，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。
[0075] 二、效果实施例
[0076] 1、实施例1～3中制备金属氧化物的粗糙度测定。
[0077] 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。
[0078] 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
[0079] 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)。
[0080] 表1.实施例1～3制备的TFT性能参数表
[0081]
[0082] 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。
