電致發光有機晶體管的制作方法
【專利摘要】一種電致發光有機晶體管（1），其中存在由多層p-型和n-型半導體材料（15、15’、15’’、15’’’）及至少兩層發射材料（16、16’、16’’）構成的半導體異質結構（12），所述半導體材料層分別用于空穴和電子在所述異質結構（12）中的傳導，而每個發射材料層都位于所述p-型半導體材料層之一和所述n-型半導體材料層之一（15、15’、15’’、15’’’）之間并且與之直接接觸。
【專利說明】電致發光有機晶體管
【技術領域】
[0001]本發明涉及電致發光有機晶體管(在本領域中以首字母縮寫稱為OLET =OrganicLight-Emitting Transistor)。
【背景技術】
[0002]近年來，在有機晶體管工程領域中對于使用由兩種或多種材料形成的異質結構的興趣不斷增長。在Advanced Materialsl996年第8卷第853-855頁上由Dodabalapur等人所寫的標題為 “Molecular orbital energy level engineering in organictransistors”的科技出版物顯示了包括由涂覆有有機n-型半導體(即能夠傳輸電子的半導體)的有機P-型半導體(即能夠攜帶空穴的半導體)的結構的雙極行為的可能性。這些結構通常定義為P-η異質結構。但是，在該出版物中，只假設采用這種行為對發光設備發展的可能性，而沒有解決這種應用的具體技術問題，也沒有識別出最適合這種目的的異質結構的結構和成分特點。
[0003]從專利申請US2008/0116450知道一種包括第一電極、第二電極和半導體結構的電致發光設備，其中半導體結構包括具有更高電荷移動性的兩層半導體材料和位于上述兩層之間的、具有較低電荷移動性的一層半導體材料。與簡單的p-n-型異質結構相比，這種類型結構的使用被描述為足以提高電荷傳輸，因此重組處理速率提高而且設備效率提高。無論如何，這個專利申請也間接地提出了提高設備照明效率的問題并且描述了包括一個疊在另一個之上、電極插在半導體結構之間的三個半導體結構的電致發光設備。但是，具有帶插入電極的二極管分層結構的設備具有與有機層厚度限制關連的顯著的技術可行性問題。
[0004]在Organic Electronics2008年第9卷第323-327頁發表的由Wei等人所寫的標題為“Integrating organic light-emitting diode and field-effect transistor in asingle device”的科技出版物教導了使用具有FET結構的0LED，以便控制和操縱到達OLED堆疊的發射層的電荷載體，其目的是避免使用OLET結構并且因此克服在有些OLET結構中出現的邊緣發射和漏極電極附近的光淬滅(quenching)。無論如何，由于使用OLED作為發射結構，因此由Wei等人描述的設備沒有考慮到有效的驅動電路簡化。
[0005]在Nature Materials2010年第9卷第496-503頁由Capelli等人所寫的標題為“Organic light-emitting transistors with an efficiency that outperforms theequivalent light-emitting diodes”的科技出版物公開了 OLET設備中三層異質結構的使用，特征在于位于P-型半導體層和η-型半導體層之間的一層發射材料r (即，由于電荷重組過程而具有發光屬性)的存在。雖然，與現有技術的體系架構相比，這種體系架構已經示出了關于發光效率的顯著改進，但它仍然顯示出與柵極電壓的閾值關聯的、與可以注入半導體結構的電流密度關聯的及與亮度關聯的技術問題。該已知結構的技術特點與大部分商業應用不兼容。這些限制都被本發明克服。
[0006]因此，目前需要開發具有改進的電致發光特征，尤其是能夠更有效地累積并更好地平衡電荷、具有更高亮度和效率的有機晶體管。
【發明內容】
[0007]因此，本發明的一個目的是提供關于現有技術而言改進的電致發光有機晶體管。所述目的是利用其主要特征在第一個權利要求中公開而其它特征在其余權利要求中公開的電致發光有機晶體管實現的。
[0008]根據本發明的電致發光有機晶體管的第一個優點在于，由于電荷更有效的累積而允許實現施加到控制電極(稱為術語“柵極”)的電壓閾值減小，及由于多個半導體結構的存在而允許相應更高的電荷密度。特別地，第一種類型的電荷在多層結構中的累積便于第二種類型的電荷在多層結構中的注入和累積，因而關于一種結構(例如只有其中施加相同電壓的三層)提高可獲得的電荷密度和平衡。根據本發明的電致發光有機晶體管實際上還允許電流流量與所使用的半導體結構數量成比例增長，既由于更大的電荷密度又由于其最好的平衡而允許所發射光強度的最大化，并且允許發射層r個數的增加并由此允許發射材料體積的增加。
[0009]根據本發明的電致發光有機晶體管特征還在于各層之間出色的電荷平衡。
[0010]令人吃驚的是，已經發現連接到單對源極和漏極電極的多個半導體結構的存在沒有由于界面入射現象(incidence of interface phenomena)的增加而不利地影響橫向電場。相反并且非預期地，發現根據本發明的晶體管的功能可以通過半導體層和形成所述層的材料的數量的合適選擇來保持，而不用使用周期性地位于半導體結構中的多個電極，而是通過專門與所述多個半導體結構中第一或最后一層接觸來定位所述電極，或者另選地與所述第一和最后一層都接觸，因而還獲得以上提到的關于電荷累計和平衡及電流流量增加的優點。從結構性的觀點看，這是有可能的，因為與現有技術相比，根據本發明的設備具有特征在于重復的r發射類型層存在的半導體結構，每一層都設置成與至少一個P-型半導體材料層和至少一個η-型半導體材料層接觸。
[0011]根據本發明的電致發光有機晶體管的半導體結構可以包括，例如，五至十一個如上定義的半導體層，其中有至少兩個發射半導體層r和至少三個是η-型或P-型的半導體層。優選地，所述半導體結構包括5個半導體層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]參考附圖，從以下對其實施例的具體且非限制性描述，根據本發明的設備的進一步的優點和特征將對本領域技術人員變得顯然，附圖中:
[0013]圖1示出了根據本發明最通用的實施例的電致發光有機晶體管的示例性截面圖；
[0014]圖2示出了根據本發明第一種實施例的電致發光有機晶體管的示意性截面圖；
[0015]圖3示出了根據本發明第二種實施例的電致發光有機晶體管的示意性截面圖。
[0016]附圖的特征不是按比例繪制的，而是它們的尺寸為了增加圖的清晰度被放大或縮小。
具體實施例
[0017]參考圖1，顯示根據本發明的電致發光有機晶體管I包括至少一個控制電極10，第一層介電材料11淀積在其上面。[0018]晶體管還包括半導體結構12和一對電極，所述一對電極包括適于把第一種類型的電荷(例如電子)注入所述半導體結構的源極電極13及適于把第二種類型的電荷(例如空穴)注入所述半導體結構的漏極電極14。
[0019]所述第一層介電材料11位于控制電極10和所述半導體結構12之間，即，根據本領域中稱為“底柵/頂接觸”的晶體管結構。
[0020]根據本發明，電致發光有機晶體管I的半導體結構12包括至少一個P-型半導體材料層、至少一個η-型半導體材料層及至少兩層發射材料，其中每層發射材料都設置成與一個P-型半導體材料層并與一個η-型半導體材料層直接接觸。
[0021]因此，半導體結構包括在圖中通過標號15’、15’’、15’’’、…指示的多層半導體材料，所述每一層都由P-型半導體材料或η-型半導體材料形成。此外，還存在至少兩個被至少一個η-型或P-型半導體層15’、15’’、15’’’、…隔開的r發射半導體層16、16’、…。
[0022]在本說明書和權利要求中，術語“P-型半導體材料”意指具有至少10_6cm2/Vs的P-型電荷載體移動性值的半導體材料(這是在場效應傳輸的條件下測量的)。優選地，P-型電荷載體的這個移動性值是在場效應傳輸的條件下測出的至少IO-1CmVvst5
[0023]術語“η-型半導體材料”意指具有至少10-6cm2/Vs的n_型電荷載體移動性值的半導體材料(這是在場效應傳輸的條件下測量的)。優選地，η-型電荷載體的這個移動性值是在場效應傳輸的條件下測出的至少K^cmVVs。
[0024]根據本發明的電致發光有機晶體管的半導體結構12包括N層如上定義的半導體材料，其中至少兩層r是發射半導體，其中每一層都與兩層半導體材料(一層是P-型另一層是η-型)直接接觸。
[0025]半導體結構中所包含的P-型半導體材料優選地是由四苯晶體(oligoacenes)、低聚噻吩(oligothiophenes)、寡聚荷(oligofluorenes)、低聚噻吩的嘧唳衍生物、在α -和ω -位置用烷基鏈代替的四噻吩(tetrathiophenes)、低聚噻吩的二酰亞胺衍生物、低聚噻吩的嘧啶衍生物、具有噻唑核的低聚噻吩形成的。所述P-型半導體材料層優選地具有5至20nm之間的厚度。
[0026]所述結構中包含的η-型半導體材料優選地是由二萘嵌苯(perylenes)的二酰亞胺衍生物、具有噻唑核的低聚噻吩、蘧衍生物及在α-和ω-位置用氟鏈代替的四噻吩的衍生物。所述η-型半導體材料層優選地具有5至20nm之間的厚度。
[0027]形成半導體結構中所包含的層16、16’、…的r發射半導體材料是一種發射材料或者發射材料的組合，可選地是主-客體類型，諸如可以摻雜例如4-( 二氰)-2-甲基-6-(p- 二甲基氨基)-4H-吡喃、鉬 A 乙基卟啉(platinum octaethyl-porphyrins)、乙酸丙酮銥苯基異喹啉(acetylacetonate iridium phenyl isochinoline)的喹啉招(aluminum quinoline)的基體。
[0028]這些r發射半導體層優選地具有10至40nm之間的厚度。
[0029]作為用于所述源極電極13的材料，可以使用氧化銦錫(ΙΤ0)、金、銅、銀、鋁、鈣、鎂、鉻、鐵及與聚(苯乙烯磺酸)(poly (styrenesulfonate))結合的聚乙撐二氧噻吩(poly(3, 4-ethylenedioxythiophene) ) (PEDOT:PSS)0 優選地，使用招、|丐、鎂或金。
[0030]作為用于所述漏極電極14的材料，可以使用氧化銦錫(ΙΤ0)、金、銅、銀、鋁、鈣、鎂、鉻、鐵及與聚(苯乙烯磺酸)(poly (styrenesulfonate))結合的聚乙撐二氧噻吩(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) ) (PEDOT:PSS)0 優選地，使用金或氧化銦錫(ITO)。
[0031]根據本發明的一種優選實施例，所述源極電極13和所述漏極電極14都與相同的半導體層材料層接觸，即，優選地它們都與，關于所述半導體結構的半導體材料層，離所述第一層介電材料最遠的半導體材料層接觸。換句話說，半導體結構位于所述第一層介電材料和所述源極及漏極電極之間。
[0032]源極和漏極電極13和14可以位于它們與之接觸的半導體材料層的基本上平的表面上，或者每個電極位于半導體材料層的合適凹口中。
[0033]在本發明的其它實施例中，這種電極可以嵌入半導體材料中，或者可以具有與它們所接觸的這層半導體材料相同的厚度并且“蓋住”所述層的側面。
[0034]優選地，在根據本發明的電致發光有機晶體管中，所述源極電極13和所述漏極電極14與半導體材料層共面，或者所述電極13和14都位于與所述半導體材料層所處的平面平行的平面上。
[0035]根據本發明的電致發光有機晶體管I還可以包括關于第一層介電材料位于半導體結構12相對側的第二層介電材料和第二控制電極。以這種方式，半導體結構位于所述第一層介電材料11和所述第二層介電材料之間。第二控制電極位于所述第二層介電材料之上，即，與之接觸。第一介電層11及可能的第二介電層的材料可以選自用于電致發光有機晶體管的常規介電材料。特別地，可以使用二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate) (PMMA)、氧化鋅、氧化錯、氧化鉿、含氟聚合物(fluoropolymer),諸如像商用產品 Cytop?、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol) (PVA)、聚苯乙烯(polystyrene) (PS)及錯和有機物分子的自組納米結構(Zr-SAND:錯自組納米電介質)。優選地，所述第一介電層11包括兩層氧化鋯和聚甲基丙烯酸甲酯，而所述第二介電層由聚甲基丙烯酸甲酯或Cytop?形成。
[0036]控制電極10及可能的第二控制電極的材料可以選自氧化銦錫(ΙΤ0)、金、銅、銀、鋁。優選地，可以使用氧化銦錫和/或金。
[0037]參考圖2，在本發明一種可能的實施例中，使用半導體結構12，其中有兩個r發射半導體層16和16’。發射半導體層16位于p-型半導體材料層15之上,而p-型半導體材料層15位于與控制電極10接觸的介電層11之上。所述發射半導體材料層16被一層η-型半導體材料15’覆蓋，而該層η-型半導體材料15’又被第二層r發射半導體材料16’覆蓋。然后，通過在源極電極13和14所定位的表面上的P-型半導體材料15’ ’層，半導體結構12完成。因而，基于各層不同類型材料(P、n或r)彼此淀積的次序，這種具有5層的半導體結構的體系架構可以描述為類型p-r-n-r-p。
[0038]以上所述在圖2中給出的體系架構并不是允許兩層r發射半導體材料存在的實施例的唯一模式。作為例子，在圖3中，示出了 p-r-n-p-r-n類型的體系架構。與為圖2半導體結構p-r-n-r-p所描述的結構不同,在這里,η-型半導體材料層15’被ρ-型半導體材料層15’ ’覆蓋，而ρ-型半導體材料層15’ ’又被第二層r發射半導體材料16’覆蓋。然后，通過在源極電極13和14所定位的表面上的η-型半導體材料15’ ’ ’，半導體結構12完成。
[0039]在其進一步的實施例中，電致發光有機晶體管還可以包括適于把第一種類型的電荷注入所述半導體結構的第二源極電極和適于把第二種類型的電荷注入所述半導體結構的第二漏極電極，其特征在于所述第二源極電極和所述第二漏極電極與離與所述第一源極電極和所述第一漏極電極接觸的半導體層最遠的半導體材料接觸。從實踐的觀點看，在存在與半導體結構的最后一層對應的等效于圖2和3中所示的源極(SI)和漏極(Dl)電極對的同時，這種實施例導致與第二介電層接觸的第二柵極電極(G2)的存在及與形成半導體多層結構的第一層對應的附加的一對源極(S2)和漏極(D2)電極存在。
[0040]在仍屬于以下權利要求范圍的同時，可以由本領域技術人員對以上公開和說明的實施例進行可能的修改和/或添加。
【權利要求】
1.一種電致發光有機晶體管,包括: -至少一個控制電極； -半導體結構； -至少一個第一介電材料層，位于所述至少一個控制電極和所述半導體結構之間； -至少一個源極電極，適于把第一種類型的電荷注入所述半導體結構； -至少一個漏極電極，適于把第二種類型的電荷注入所述半導體結構； 其特征在于 -所述半導體結構包括至少一個P-型半導體材料層、至少一個η-型半導體材料層及至少兩個發射材料層，其中每個發射材料層都直接與一個P-型半導體材料層和一個η-型半導體材料層接觸。
2.如權利要求1所述的電致發光有機晶體管，其特征在于所述源極電極和所述漏極電極都與相同的半導體材料層接觸。
3.如權利要求2所述的電致發光有機晶體管，其特征在于所述源極電極和所述漏極電極都與離和所述第一介電材料層接觸的半導體材料層最遠的半導體材料層接觸。
4.如權利要求2所述的電致發光有機晶體管，其特征在于所述半導體結構位于所述第一介電材料層與所述源極電極和所述漏極電極之間。
5.如前面權利要求中任一項所述的電致發光有機晶體管，其特征在于所述電致發光有機晶體管包括第二介電材料層，其中所述半導體結構位于所述第一介電材料層和所述第二介電材料層之間。
6.如前面權利要求中任一項所述的電致發光有機晶體管，包括與所述第二介電材料層接觸的第二控制電極、適于把第一種類型的電荷注入所述半導體結構的第二源極電極及適于把第二種類型的電荷注入所述半導體結構的第二漏極電極；所述第二源極電極和所述第二漏極電極與離所述第一源極電極和所述第一漏極電極所接觸的半導體材料層最遠的半導體材料層接觸。
7.如前面權利要求中任一項所述的電致發光有機晶體管，其特征在于所述電致發光有機晶體管包括五至十一層半導體材料。
【文檔編號】H01L51/52GK103718326SQ201280038018
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月26日 優先權日:2011年7月29日
【發明者】R·卡佩爾利, M·姆西尼 申請人:E.T.C.有限責任公司