[发明专利]一种有机单晶半导体结构及其制备方法

说明书

本发明公开一种有机单晶半导体结构及其制备方法，所述的有机单晶半导体结构包括衬底，自下而上沉积在衬底上的辅助生长层、电极、有机单晶半导体层；所述的有机单晶半导体层为跨越电极前后形貌基本不变的的有机半导体单晶薄膜，所述的有机半导体单晶薄膜能够在任意形状和任意尺寸的底接触型衬底上实现全覆盖，获得了在工业化规模上近乎理想的形貌。该有机单晶半导体结构可以用作有机场效应晶体管的关键部分，实现载流子的快速传输。本发明在该半导体结构的基础上，还提供一种制备方便、性能高效的有机场效应晶体管器件，在有机光电领域有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及有机半导体领域，具体涉及一种有机单晶半导体结构及其制备方法。

背景技术

有机半导体器件因为其质轻、价格低廉、柔性、可实现大面积制备的特点在半导体器件领域引起了人们的广泛关注。层出不穷的新技术极大地促进了有机太阳能电池、有机发光二极管、有机场效应晶体管等有机光电半导体器件的发展。其中，器件的结构是实现高效光电功能的关键之一，以有机场效应晶体管器的结构为例，有机场效应晶体管主要由以下几部分组成：①电极，根据接入电压的不同可以分为源极、漏极和栅极三种电极；②有机半导体层，作为关键的活性层；③介电层或者称为绝缘层。

根据其源漏电极、有机半导体层和栅电极之间的相对位置，目前常用的有机场效应晶体管的器件构型有底栅极-顶接触型(Bottom Gate-Top Contact)(图1(a))、底栅极-底接触型(Bottom Gate-Bottom Contact)(图1(b))、顶栅极-底接触型(Top Gate-BottomContact)(图1(c))(J.Zaumseil,and H.Sirringhaus,Chemical Reviews,107,4,1296(2007))。因为源极、漏极通常与有机半导层之间的相对位置关系相同，也就是位于有机半导体层同一侧，因此通常将源漏电极作为源极、漏极的总称。

根据有机场效应晶体管器件的机理，受到栅电压的影响，载流子从源极注入，在有机半导体层与绝缘层的界面积累，形成传输的导电沟道，最后从漏极流出。如图2所示(A.Fischer,Karl.Leo,Physics Review Applied 8,054012(2017))，对于源漏电极与绝缘层位于有机半导体层同一侧的共面型(Coplanar)器件(例如，底栅极-底接触型)，载流子的注入发生在源极与有机半导体层接触的边缘，在电极接触边缘和积累电荷形成的导电沟道之间就会形成耗尽区，载流子有效传输的距离减小，使得载流子的注入和提取出现瓶颈。

而在底栅极-顶接触型和顶栅极-底接触型这两种交错型(Staggered)器件中，在栅极有效覆盖面积下，所有的源漏电极与有机半导体层相接触的范围内，电流不为0，都可以实现载流子的注入和提取，载流子从源极的注入面积更大，接触电阻更小，活性区更大，可以获得更好的器件性能。其中，在底栅极-顶接触型器件(图1(a))的制备过程中，是在栅极绝缘层上方制备有机半导体层，最后再沉积源漏电极，这种结构的器件在有机半导体薄膜场效应晶体管应用得较为广泛，但是在沉积源漏电极时不可避免地会导致有机半导体层的热损失，所述的热损失是指在源漏电极周围不均匀分布的半导体表面陷阱态密度会导致输出电流的降低，并且金属原子尤其是Au、Ag很有可能会扩散进入半导体薄膜中改变接触的势垒，进而对载流子的注入造成较大影响；此外，由于这种器件的有机半导体层直接暴露在空气中，其寿命还容易受周围环境的影响，器件存在稳定性的问题。