[发明专利]一种高介电常数的复合材料及其应用

说明书

本发明涉及一种高介电常数的复合材料以及以该材料为介电层的有机薄膜晶体管的制备方法。通过溶胶‑凝胶法，让含端基的硅烷偶联剂在催化剂作用下水解形成含功能端基的硅溶胶，再与有机聚合物交联形成复合溶胶，作为有机薄膜晶体管介电层的材料。再用旋涂、浸涂、喷墨打印、3D打印等溶液法形成薄膜，经固化后形成介电层；然后再分别制备半导体层、电极层，制得有机薄膜晶体管器件。本发明中基于复合介电材料的有机薄膜晶体管其迁移率达5cm²/V·s，远超以SiO₂为介电层的迁移率，并具有低阈值电压，无迟滞效应等特点。相对于SiO₂热氧化等传统制备工艺，该方法具有工艺简单、成本低、可大面积制备等优点，具有很好的市场应用价值。

技术领域

本发明涉及有机半导体器件领域，尤其涉及一种高介电常数的复合材料以及以该材料为介电层的薄膜晶体管的制备方法。

背景技术

有机薄膜晶体管(organic thin film transistors，简称：OTFT)是采用有机半导体材料作为有源层的逻辑开关器件。由于有机材料的可加工性强，OTFT成为传感器、集成电路、OLED显示器及可穿戴等柔性电子技术的核心。作为电路的基础元器件，驱动电压、迁移率以及迟滞效应是衡量有机薄膜晶体管器件能否进行市场应用的重要指标。图1是底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管的示意图，该有机薄膜晶体管共有五层，从下往上分别是基底、栅极、介电层、有机半导体层、源漏电极层。类似的，图2是底栅底接触结构的有机薄膜晶体管的示意图；图3是顶栅顶接触结构的有机薄膜晶体管的示意图；图4是顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管的示意图。

介电层在薄膜晶体管中的主要作用是在电场条件下，诱导半导体层产生载流子，并在源漏电极间形成导电通道，半导体层中载流子的浓度主要取决于介电层的电容率。在厚度一定的条件下，介电常数k高的材料，往往能在较小的电压下发生极化并诱导有机半导体层载流子的产生，形成导电沟道。

目前广泛使用的介电材料多为无机二氧化硅(K～3.9)，其器件的驱动电压高达60V，在实际使用中，由于其高功耗的缺点不利于其应用；而具有高介电常数的无机材料，如：BaTiO₃、Ta₂O₅、TiO₂、ZrO₂、Si₃N₄等则由于其加工技术及设备要求高，且器件迁移率低等缺陷限制了其在薄膜晶体管的应用推广。近几年来，大量的有机介电材料逐渐被应用起来，如：PMMA、PS、PVP、CYTOP等，尽管有机介电材料具可溶液法加工等优异特性被广泛关注，但由于有机材料制备的器件往往有较严重的迟滞现象，并且易受环境中氧气、水的影响，致使器件性能不稳定，很大程度上限制了其应用。科研工作者从器件结构、制备工艺和材料多方面对器件性能进行了优化。例如：中国专利CN201610768689.1使用双交联的聚合物作为介电层，并用液态有机小分子做表面修饰，优化了介电层性能和介电层与有源层的接触接触，提高了有机薄膜晶体管的性能。中国专利CN201210091404.7经选择合适的材料体系和工艺，通过降低器件的亚阈值摆幅制得低电压(2V)的有机薄膜晶体管。

有机薄膜晶体管介电层的材料要么是单一的有机或无机材料，要么是多层介电层的叠加结构，或者是有机-无机材料的简单掺杂，尽管在某些方面能够表现出较好的性能，但还是不能有效解决其工业应用所要面临的功耗高、稳定性差、迁移率低、工艺成本高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高介电常数的复合材料以及以该材料为介电层的薄膜晶体管的制备方法，克服有机或无机介电材料实际应用上功耗、稳定性、高迁移率、工艺成本等方面的缺点与不足。

本发明解决上述问题的技术方案为：提供一种介电材料的制备方法，通过溶胶-凝胶法，让含端基的硅烷偶联剂在催化剂作用下共水解形成含功能端基团的硅溶胶，再与有机聚合物混合，恒温搅拌，经反应后形成有机-无机复合溶胶，作为有机薄膜晶体管介电层的材料。