[发明专利]一种超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开一种超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法。该有机薄膜晶体管包括衬底、介电层、半导体沟道层和源/漏电极，其中介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。其制备方法包括如下步骤：在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；制备源/漏电极。本发明采用铁电性氧化物作为介电层，其引入的负电容效应在有机薄膜晶体管中打破了玻尔兹曼极限，获得了室温下小于60mV/dec的亚阈值摆幅和大于38.7S/A的跨导效率，本征增益达到4.7×10⁴，比已报导结果高一个量级以上。该有机薄膜晶体管还可制备在柔性衬底上，在柔性低功耗电路、皮肤电子、射频标签、显示驱动等领域具有广泛的潜在应用。

技术领域

本发明涉及一种薄膜晶体管及其制备方法，特别涉及一种基于铁电介质层的超高增益有机薄膜晶体管及其制备方法，属于有机半导体电子器件技术领域。

背景技术

有机薄膜晶体管已经广泛应用于印刷电子及可穿戴电子领域。许多重要应用，如物联网、射频电子标签、可穿戴传感器等，都要求电子器件可以在较低的工作电压内提供足够的电流来驱动电路，或者具有很高的增益，用于小信号放大。然而，与碳纳米管薄膜，二维材料和氧化物半导体等体系对比，有机薄膜晶体管仍面临诸多挑战。

首先，有机半导体迁移率通常低于无机半导体的迁移率。这导致有机晶体管较低的跨导(g_m)和本征增益(A_i＝g_m·r₀，其中r₀为输出电阻)。第二，目前为了实现有机晶体管更高的本征增益而采用的肖特基型结构，明显降低了器件的跨导，限制了其进一步的应用。第三，有机薄膜晶体管的开关往往远非理想，这导致工作电压较高。尽管已经付出了巨大的努力，但保持有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅在较大范围内接近玻尔兹曼热电子极限(60mV/dec)仍具有很大挑战。

基于此，发明人设计开发了一种超高增益有机薄膜晶体管。

发明内容

发明目的：针对现有有机薄膜晶体管存在的问题，本发明提供一种基于铁电介质层的超高增益有机薄膜晶体管，并提供了一种超高增益有机薄膜晶体管的制备方法；另外，还提供了一种柔性超高增益有机薄膜晶体管的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种超高增益有机薄膜晶体管，包括衬底、介电层、半导体沟道层和源/漏电极，其中，介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜。利用铁电性氧化物薄膜作为介电层，引入的负电容效应打破了有机薄膜晶体管的玻尔兹曼限制，实现了超高增益以及超低工作电压。

优选的，铁电性氧化物薄膜为铪基铁电性氧化物薄膜、钙钛矿结构铁电氧化物薄膜中的一种。进一步优选的，铪基铁电性氧化物为铪锆氧、铪铝氧、铪镧氧、铪硅氧、铪钇氧、铪锶氧、铪钆氧、铪钕氧或铪钐氧；钙钛矿结构铁电氧化物为锆钛酸铅、锆钛酸铅镧、锶钛酸钡或铋钽酸锶。有机分子薄膜可采用任何一种有机半导体薄膜，有机半导体材料优选有机小分子半导体或有机聚合物半导体，进一步优选2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩、并五苯等。衬底可为刚性衬底或柔性衬底，当采用柔性衬底时，可得到具有超高增益的柔性有机薄膜晶体管，从而在柔性低功耗电路、皮肤电子、射频标签、显示驱动等领域进行应用。

本发明所述的一种超高增益有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)在衬底表面生长铁电性氧化物薄膜作为介电层；

(2)在介电层表面生长有机分子薄膜作为半导体沟道层；

(3)在半导体沟道层表面制备源/漏电极。