一種有機摩擦場效應晶體管、晶體管陣列及其制備方法

一種有機摩擦場效應晶體管、晶體管陣列及其制備方法
【專利摘要】本發明所述的一種有機摩擦場效應晶體管，包括第一基板，依次層疊設置在第一基板上的源漏電極層和有機半導體層；還包括直接設置在所述有機半導體層上的第一絕緣層，以及設置在所述第一絕緣層上方的第一摩擦層，所述第一絕緣層與所述第一摩擦層能夠形成垂直間距變化運動；所述第一摩擦層上還直接設置有第一電極層，所述第一電極層與所述源漏電極層中的源電極電連接。利用摩擦發電機取代傳統晶體管中的柵極，通過第一摩擦層與第一絕緣層的接觸分離形成靜電勢作為柵極信號，調控有機半導體層中載流子傳輸特性，從而實現有機場效應晶體管的功能，有效簡化有機場效應晶體管的集成。
【專利說明】
-種有機摩擦場效應晶體管、晶體管陣列及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及光電子領域W及柔性電子學器件領域，具體設及一種紅外敏感的有機 摩擦場效應晶體管、晶體管陣列及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 有機薄膜場效應晶體管是一種由柵極電壓調控導電溝道內載流子濃度的電子器 件。根據電極的功能，有機薄膜場效應晶體管包含源電極、漏電極和柵極=個電極。傳統的 有機薄膜場效應晶體管既需要在源、漏電極處施加外加電壓，也需要給柵極和源電極施加 電壓。兩個外加電壓的引入使得有機薄膜場效應晶體管的集成不方便，尤其是電極的排列 不如二極管簡單易操作。
[0003] 摩擦發電機興起于21世紀初，其原理在于:利用兩個具有不同電負性的材料進行 摩擦或者接觸分離，從而產生電荷分離并形成電勢差。采用兩個電極作為發電機的電能輸 出端，通過靜電感應可W在表面生成感應電荷，感應電荷在摩擦電勢驅動下流經外電路形 成電流。摩擦發電機的研制，既能作為微納器件的功率源，又能作為自供能主動式壓力傳感 器。合理設計使之應用于有機薄膜場效應晶體管，將有效解決有機薄膜場效應晶體管的集 成不方便的問題，具有巨大的商用和實用潛力。

【發明內容】

[0004] 為此，本發明所要解決的是現有有機薄膜場效應晶體管的集成不方便的技術問 題，提供一種方便集成的有機摩擦場效應晶體管、場效應晶體管陣列及其制備方法。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：
[0006] 本發明所述的一種有機摩擦場效應晶體管，包括第一基板，依次層疊設置在第一 基板上的源漏電極層和有機半導體層；
[0007] 還包括直接設置在所述有機半導體層上的第一絕緣層，W及設置在所述第一絕緣 層上方的第一摩擦層，所述第一絕緣層與所述第一摩擦層能夠形成垂直間距變化運動；
[000引所述第一摩擦層上還直接設置有第一電極層，所述第一電極層與所述源漏電極層 中的源電極電連接。
[0009] 所述第一絕緣層與所述第一摩擦層的電負性不同。
[0010] 優選地，所述第一絕緣層與所述第一摩擦層面積相同。
[0011] 所述有機半導體層包括對波長大于620nm光線敏感的有機半導體材料。
[0012] 優選地，所述有機半導體材料為式(ISQl)-式(ISQ 3)所示結構：
[0013]
[0014] 優選地，所述第一絕緣層厚度為300nm~Iwn，所述第一摩擦層厚度為50WI1~20化 m;所述第一絕緣層為有機材料層。
[0015] 本發明所述的一種所述的有機摩擦場效應晶體管的制備方法，包括如下步驟：
[0016] 在第一基板上形成源漏電極層；
[0017] 在源漏電極層上形成有機半導體層和第一絕緣層；
[0018] 形成第一摩擦層；
[0019] 形成第一電極層；
[0020] 將第一摩擦層設置在所述第一絕緣層上。
[0021 ]優選地，所述有機半導體層通過真空蒸鍛工藝制備或者溶液法制備。
[0022] 本發明所述的一種有機摩擦場效應晶體管陣列，包括基板，并列設置在第一基板 上的若干有機半導體單元，每個所述有機半導體單元包括層疊設置在第一基板上的源漏電 極層和半導體層；
[0023] 還包括直接設置在各所述半導體單元上的連續的第二絕緣層，W及設置在所述第 二絕緣層上方的第二摩擦層，所述第二絕緣層與所述第二摩擦層能夠形成垂直間距變化運 動；
[0024] 所述第二摩擦層上還直接設置有第二電極層，所述第二電極層與各所述源漏電極 層中的源電極電連接。
[0025] 本發明所述的一種有機摩擦場效應晶體管的制備方法，包括如下步驟：
[0026] 在第一基板上形成若干有機半導體單元，所述有機半導體單元包括依次疊置在基 板上的源漏電極層和有機半導體層；
[0027] 在所述半導體單元上形成第二絕緣層；
[0028] 形成第二摩擦層；
[0029] 形成第二電極層；
[0030] 將第二摩擦層設置在所述第二絕緣層上。
[0031 ]本發明的上述技術方案相比現有技術具有W下優點：
[0032] 1、本發明實施例所述的一種有機摩擦場效應晶體管，包括第一基板，依次層疊設 置在第一基板上的源漏電極層和有機半導體層;還包括直接設置在所述有機半導體層上的 第一絕緣層，W及設置在所述第一絕緣層上方的第一摩擦層，所述第一絕緣層與所述第一 摩擦層能夠形成垂直間距變化運動;所述第一摩擦層上還直接設置有第一電極層，所述第 一電極層與所述源漏電極層中的源電極電連接。利用摩擦發電機取代傳統晶體管管中的柵 極，通過第一摩擦層與第一絕緣層的接觸分離形成靜電勢作為柵極信號，調控半導體層中 載流子傳輸特性，從而實現有機摩擦場效應晶體管的功能。本發明能夠將機械能轉換為電 能，實現了人機交互的功能。并且通過自供電的方式減少了傳統場效應晶體管中的柵極與 源電極之間的外加電源，有效簡化場效應晶體管的集成。
[0033] 另外，所述的一種有機摩擦場效應晶體管可采用全柔性材料制備，實現器件柔性 化。
[0034] 2、本發明實施例所述的一種有機摩擦場效應晶體管，所述第一絕緣層與所述第一 摩擦層面積相同，有利于靜電場的形成。
[0035] 3、本發明實施例所述的一種有機摩擦場效應晶體管，所述有機半導體層包括對波 長大于620nm光線敏感的有機半導體材料，可W實現紅外夜視功能。
[0036] 4、本發明實施例所述的一種有機摩擦場效應晶體管的制備方法，工藝簡單，制備 成本低。
[0037] 5、本發明實施例所述的一種有機摩擦場效應晶體管陣列，利用摩擦發電機取代傳 統晶體管中的柵極，可現實場效應管的密集集成，不但集成度高，而且結構簡單。
[0038] 6、本發明實施例所述的一種有機摩擦場效應晶體管陣列的制備方法，工藝簡單， 制備成本低。
【附圖說明】
[0039] 圖1為實施例1所述的有機摩擦場效應晶體管的結構示意圖；
[0040] 圖2為實施例1所述的有機摩擦場效應晶體管的工作原理圖；
[0041] 圖3為實施例1所述的有機摩擦場效應晶體管陣列的結構示意圖；
[0042] 圖中附圖標記表示為：1-第一基板、21-漏電極、22-源電極、3-有機半導體層、4-第 一絕緣層、5-第一摩擦層、6-第一電極層、7-有機半導體單元、8-第二絕緣層、9-第二摩擦 層、10-第二電極層。
【具體實施方式】
[0043] 為了更清楚地說明本發明的目的和技術方案，下面將對【具體實施方式】及其所需要 使用的附圖進行清楚、完整地描述。
[0044] 本發明可W W許多不同的形式實施，而不應該被理解為限于在此闡述的實施例。 相反，提供運些實施例，使得本公開將是徹底和完整的，并且將把本發明的構思充分傳達給 本領域技術人員，本發明將僅由權利要求來限定。在附圖中，為了清晰起見，會夸大層和區 域的尺寸和相對尺寸。應當理解的是，當元件例如層、區域或基板被稱作"形成在"或"設置 在"另一元件"上"時，該元件可W直接設置在所述另一元件上，或者也可W存在中間元件。 相反，當元件被稱作"直接形成在"或"直接設置在"另一元件上時，不存在中間元件。
[0045] 實施例1
[0046] 本實施例提供一種有機摩擦場效應晶體管，如圖1所示，包括第一基板1，依次層疊 設置在第一基板1上的源漏電極層和有機半導體層3;源漏電極層包括并置在第一基板1上 的源電極22和漏電極21。
[0047] 第一基板I選自但不限于剛性基板和柔性基板，作為本發明的一個實施例，本實施 例中第一基板1為剛性的玻璃基板。值得注意的是，若第一基板1為柔性基板，則所述有機摩 擦場效應晶體管可實現柔性器件。作為本發明的可變換實施例，第一基板1還可W為其他基 板，均可W實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0048] 源漏電極層選自但不限于任意圖案化后的導電材料層，如口 0、Au、石墨材料等，作 為本發明的一個實施例，本實施例中源漏電極層為案化后的ITO層。
[0049] 有機半導體層3包括對波長大于62化m光線敏感的有機半導體材料，可W實現紅外 夜視功能。作為本發明的一個實施例，本實施例中，有機半導體材料為式（ISQl)-式（ISQ 3)所示結構中的一種：
[(K)加 ]
[0051] 所述有機摩擦場效應晶體管還包括直接設置在有機半導體層3上的第一絕緣層4， W及設置在第一絕緣層4上方的第一摩擦層5,第一絕緣層4與第一摩擦層5能夠形成垂直間 距變化運動。
[0052] 第一絕緣層4與第一摩擦層5的電負性不同。第一摩擦層5上還直接設置有第一電 極層6,第一電極層6與源漏電極層中的源電極21電連接。
[0053] 第一絕緣層4與第一摩擦層5面積相同。第一絕緣層厚度4為300nm~1皿，第一摩擦 層5厚度為50皿~200皿；
[0054] 作為本發明的一個實施例，本實施例中第一絕緣層4為有機材料層PMMA，厚度為 SOOnm;第一摩擦層5為PVC層，厚度為100皿。
[0055] 如圖2(a)所示，第一電極層6與源電極22連接，漏電極21與源電極22之間連接外加 電源，源電極22接地。此時，第一絕緣層4沒有被極化，半導體層3中沒有電流形成。懸空的狀 態對應傳統P型有機薄膜場效應晶體管Vg = O的狀態。如圖2(b)所示，在外力F作用下，第一 絕緣層4與第一摩擦層5緊密接觸，產生靜電勢，使得第一絕緣層4與第一摩擦層5接觸的那 一面帶正電，第一絕緣層4與半導體層3接觸的那一面帶負電。繼而誘導半導體層3中產生空 穴。源漏電壓的施加使空穴定向運動，從而形成源漏電流Id。運個過程相當于傳統P型有機 薄膜場效應晶體管的Vg<0的狀態，即增強模式。
[0056] 目P，通過第一摩擦層5與第一絕緣層4的接觸分離形成靜電勢作為柵極信號，調控 半導體層中載流子傳輸特性，從而實現場效應晶體管的功能。本實施例所述的有機摩擦場 效應晶體管能夠將機械能轉換為電能，實現了人機交互的功能。并且通過自供電的方式減 少了傳統場效應晶體管中的柵極與源電極之間的外加電源，有效簡化效應晶體管的集成。
[0057]所述的有機摩擦場效應晶體管的制備方法，包括如下步驟：
[005引S1、通過瓣射工藝、刻蝕工藝在第一基板1上形成源漏電極層；
[0059] S2、通過真空蒸鍛工藝制備或者溶液法，在源漏電極層上形成有機半導體層3;通 過旋轉涂布工藝形成第一絕緣層4;
[0060] S3、在第二基板上形成疊置的第一摩擦層5和第一電極層6;
[0061] S4、將第一摩擦層5設置在第一絕緣層4上。
[0062] 作為本發明的可變換實施例，步驟S3中，第一摩擦層5和第一電極層6可W從第二 基板上剝離，再設置在第一絕緣層4上;可W實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0063] 作為本發明的可變換實施例，源漏電極層、有機半導體層3、第一絕緣層4、第一摩 擦層5和第一電極層6的制備方法不限于此，現有技術中任意能制得的工藝或方法均可W實 現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0064] 實施例2
[0065] 本實施例提供一種有機摩擦場效應晶體管陣列，如圖3所示，包括第一基板1，并列 設置在第一基板1上的若干有機半導體單元7,每個有機半導體單元7包括層疊設置在第一 基板1上的源漏電極層和有機半導體層3。
[0066] 所述有機摩擦場效應晶體管陣列還包括直接設置在各有機半導體單元7上的連續 的第二絕緣層8，W及設置在第二絕緣層8上方的第二摩擦層9，第二絕緣層8與第二摩擦層9 能夠形成垂直間距變化運動。
[0067] 第二摩擦層9上還直接設置有第二電極層10,第二電極層10與各源漏電極層中的 源電極22電連接。
[0068] 有機摩擦場效應晶體管陣列中，第二絕緣層8覆蓋了有機半導體單元7之間的所有 間隙。一方面作為絕緣層材料誘導有機半導體層3產生載流子，另一方面作為單個有機半導 體單元7間相鄰源、漏電極的隔離層。
[0069] 第二絕緣層8還可W作為有機半導體層3的保護層，防止水和氧氣對有機半導體層 3的侵蝕。由于所述有機摩擦場效應晶體管陣列的面積較單個器件的面積大，因此第二絕緣 層8的面積較大。從而使得第二絕緣層8與第二摩擦層9的接觸面積更大，摩擦生電過程更容 易實現。
[0070] 所述有機摩擦場效應晶體管陣列的制備方法，包括如下步驟：
[0071] Sl、在第一基板1上形成若干有機半導體單元7,有機半導體單元7包括依次疊置在 第一基板1上的源漏電極層和有機半導體層3;
[0072] S2、在有機半導體單元7上形成第二絕緣層8;
[0073] S3、在第二基板上形成第二摩擦層9和第二電極層10;
[0074] S4、將第二摩擦層9設置在第二絕緣層8上。
[0075] 作為本發明的可變換實施例，步驟S3中，第一摩擦層5和第一電極層6可W從第二 基板上剝離，再設置在第一絕緣層4上;可W實現本發明的目的，屬于本發明的保護范圍。
[0076] 顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對 于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可W做出其它不同形式的變化或 變動。運里無需也無法對所有的實施方式予W窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或 變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【主權項】
1. 一種有機摩擦場效應晶體管，包括第一基板，依次層疊設置在第一基板上的源漏電 極層和有機半導體層;其特征在于，還包括直接設置在所述有機半導體層上的第一絕緣層， W及設置在所述第一絕緣層上方的第一摩擦層，所述第一絕緣層與所述第一摩擦層能夠形 成垂直間距變化運動； 所述第一摩擦層上還直接設置有第一電極層，所述第一電極層與所述源漏電極層中的 源電極電連接。2. 根據權利要求1所述的有機摩擦場效應晶體管，其特征在于，所述第一絕緣層與所述 第一摩擦層的電負性不同。3. 根據權利要求1或2所述的有機摩擦場效應晶體管，其特征在于，所述第一絕緣層與 所述第一摩擦層面積相同。4. 根據權利要求1-3任一項所述的有機摩擦場效應晶體管，其特征在于，所述有機半導 體層包括對波長大于620nm光線敏感的有機半導體材料。5. 根據權利要求1-4任一項所述的有機摩擦場效應晶體管，其特征在于，所述有機半導 體材料為式(ISQ1)-式(ISQ3)所示結構：6. 根據權利要求1-5任一項所述的有機摩擦場效應晶體管，其特征在于，所述第一絕緣 層厚度為300nm~化m，所述第一摩擦層厚度為50μηι~200皿;所述第一絕緣層為有機材料 層。7. -種權利要求1-6任一項所述的有機摩擦場效應晶體管的制備方法，其特征在于，包 括如下步驟： 在第一基板上形成源漏電極層； 在源漏電極層上形成有機半導體層和第一絕緣層； 形成第一摩擦層； 形成第一電極層； 將第一摩擦層設置在所述第一絕緣層上。8. 根據權利要求7所述的有機摩擦場效應晶體管的制備方法，其特征在于，所述有機半 導體層通過真空蒸鍛工藝制備或者溶液法制備。9. 一種有機摩擦場效應晶體管陣列，其特征在于:包括基板，并列設置在第一基板上的 若干有機半導體單元，每個所述有機半導體單元包括層疊設置在第一基板上的源漏電極層 和半導體層； 還包括直接設置在各所述半導體單元上的連續的第二絕緣層，w及設置在所述第二絕 緣層上方的第二摩擦層，所述第二絕緣層與所述第二摩擦層能夠形成垂直間距變化運動； 所述第二摩擦層上還直接設置有第二電極層，所述第二電極層與各所述源漏電極層中 的源電極電連接。10.-種權利要求9所述的有機摩擦場效應晶體管的制備方法，其特征在于，包括如下 步驟： 在第一基板上形成若干有機半導體單元，所述有機半導體單元包括依次疊置在基板上 的源漏電極層和有機半導體層； 在所述半導體單元上形成第二絕緣層； 形成第二摩擦層； 形成第二電極層； 將第二摩擦層設置在所述第二絕緣層上。
【文檔編號】H01L51/30GK105845825SQ201610182471
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發明人】董桂芳, 劉曉惠, 李晶
【申請人】清華大學