[发明专利]一种薄膜晶体管及其制备方法

说明书

一种薄膜晶体管，由衬底、栅电极、栅绝缘层、有源沟道层和源漏电极叠加组成，其中有源沟道层为有机/无机复合钙钛矿薄膜，各层薄膜的厚度为：栅电极1μm、栅绝缘层200‑400nm、有源沟道层200‑300nm、源漏电极1μm。本发明的优点是：该薄膜晶体管将有机/无机复合钙钛矿材料用于薄膜晶体管的有源沟道层，结合了无机半导体的高迁移率和有机半导体的柔韧、便宜，低温易制备等优点，既具有比有机薄膜晶体管更高的驱动能力，同时又兼具简单、低成本及易于在柔性衬底上的大面积制备的能力；其制备方法简单易行，有利于工业化应用。

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管的制备技术，具体涉及一种薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

薄膜晶体管(Thing Film Transistor(TFT))广泛应用于在平板显示、电子纸、传感器、智能卡等领域。按其有源沟道层材料的不同，薄膜晶体管包括无机薄膜晶体管和有机薄膜晶体管两大类。无机薄膜晶体管具有较好的器件性能，但其制备工艺较有机的复杂、成本较高、柔韧性不佳且一般需要经历高温制备，对满足目前快速发展的低成本、超薄大面积柔性电子器件的需要有很大难度，例如柔性平板显示器，可穿戴设备、生物医学传感器等。与无机薄膜晶体管相比，有机薄膜晶体管有其特有优点：1)制造工艺简单，可采用旋涂、印刷及真空蒸镀的方法，故成本低，并可以在室温下加工，这使其可以直接沉积在塑料衬底上；2)柔韧性好，进行适度的扭曲或弯曲，器件的光电特性没有显著的改变；3)材料的范围广；4)透明度好。因此，有机薄膜晶体管在需要低成本、超薄、大面积的柔性电子器件的领域有着广泛的应用前景，引起了越来越多的著名大公司和科研机构的注意。但是其低的载流子迁移率(一般小于1cm2/Vs)一直是有机TFT的难题。目前，虽有报道称单晶OTFT的迁移率可达5cm2/Vs-10cm2/Vs，但实现很困难，也很少见。有机半导体低的迁移率使其难以满足高速器件的驱动要求，严重制约了在高性能电子器件中的应用。因此，就需要一种既能像无机TFT那样满足高性能器件的驱动要求又同时兼具有机TFT低成本柔性衬底上大面积制备能力的新型场效应材料及其薄膜晶体管。近年来，某些有机/无机复合型钙钛矿材料，例如碘化铅甲胺等已在太阳电池中得到了很好的应用并取得了飞速发展。有机/无机复合型钙钛矿太阳电池于2009年第一次被报道，当时的效率只有3.8％，但随后提升速度骤升,最新报道已超过20％。它飞速的发展要归功于这种太阳电池的核心—有机/无机复合钙钛矿型的吸光材料，这种材料一般是具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物例如碘化铅甲胺和碘化锡甲胺等。在这种钙钛矿ABX3结构中，A为甲胺基，B为金属原子(一般为铅和锡)，X为氯、溴、碘等卤素原子。

探究这种有机/无机复合钙钛矿型太阳电池之所以能取得良好性能的原因，一方面在于这种有机/无机复合型钙钛矿材料可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，提高光吸收率，另一个更重要的原因在于：这种有机/无机复合型钙钛矿材料具有较长可达1μm的载流子扩散长度，比有机半导体大得多(10-80nm)。更值得注意的是，其空穴和电子具有相近的扩散长度，因此，光生载流子的快速分离将减少复合，能量损失小，不会产生空间电荷限制光电流，这正是有机/无机复合钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的重要原因。由近期对若干钙钛矿材料迁移率测量研究表明，它具有近乎高达几十至上百厘米方/伏秒的霍耳迁移率，而这些性能正是高性能薄膜晶体管有源沟道层所需要的。故我们认为，这种适用于太阳电池的有机/无机复合型钙钛矿材料应该也会是高性能薄膜晶体管所需要的高性能有源沟道材料。

本发明将有机/无机复合钙钛矿材料用于薄膜晶体管中的沟道层，利用其无机成分通过强烈的共价键或离子键相互作用构成混合物的基本骨架以提供高迁移率的载流子；有机成分则使该材料具有分子自组装能力，能像聚合物材料一样在室温下溶解，同时也为载流子的自由运动提供分子轨道。因此，这种新型的有机/无机复合钙钛矿沟道的薄膜晶体管应该既具有较高的载流子迁移率，又能像有机薄膜晶体管那样能以旋涂、印刷、真空蒸镀等简单、低成本、低温的方式制备，从而具备柔性衬底上大面积的直接制备能力。这种新型的薄膜晶体管将在平板显示、传感器、智能卡、及柔性电子器件中有广阔的应用前景。

发明内容