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(fā)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(shè)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(shè)置在所述有機半導體層上的第一絕緣層，以及設(shè)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(shè)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(fā)電機取代傳統(tǒng)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(diào)控有機半導體層中載流子傳輸特性，從而實現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光電子領(lǐng)域W及柔性電子學器件領(lǐng)域，具體設(shè)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(shù)】
[0002] 有機薄膜場效應晶體管是一種由柵極電壓調(diào)控導電溝道內(nèi)載流子濃度的電子器 件。根據(jù)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(tǒng)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(fā)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(chǎn)生電荷分離并形成電勢差。采用兩個電極作為發(fā)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(qū)動下流經(jīng)外電路形 成電流。摩擦發(fā)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(shè)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(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為此，本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有有機薄膜場效應晶體管的集成不方便的技術(shù)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(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)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(shè)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(shè)置在所述有機半導體層上的第一絕緣層，W及設(shè)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(shè)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(yōu)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(yōu)選地，所述有機半導體材料為式(ISQl)-式(ISQ 3)所示結(jié)構(gòu)：
[0013]
[0014] 優(yōu)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(fā)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(shè)置在所述第一絕緣層上。
[0021 ]優(yōu)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(fā)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(shè)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(shè)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(shè)置在各所述半導體單元上的連續(xù)的第二絕緣層，W及設(shè)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(shè)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(fā)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(shè)置在所述第二絕緣層上。
[0031 ]本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有W下優(yōu)點：
[0032] 1、本發(fā)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(shè) 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(shè)置在所述有機半導體層上的 第一絕緣層，W及設(shè)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(shè)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(fā)電機取代傳統(tǒng)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(diào)控半導體層中 載流子傳輸特性，從而實現(xiàn)有機摩擦場效應晶體管的功能。本發(fā)明能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換為電 能，實現(xiàn)了人機交互的功能。并且通過自供電的方式減少了傳統(tǒng)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(xiàn)器件柔性 化。
[0034] 2、本發(fā)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(fā)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(xiàn)紅外夜視功能。
[0036] 4、本發(fā)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(fā)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(fā)電機取代傳 統(tǒng)晶體管中的柵極，可現(xiàn)實場效應管的密集集成，不但集成度高，而且結(jié)構(gòu)簡單。
[0038] 6、本發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)明的目的和技術(shù)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(fā)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(fā)明的構(gòu)思充分傳達給 本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明將僅由權(quán)利要求來限定。在附圖中，為了清晰起見，會夸大層和區(qū) 域的尺寸和相對尺寸。應當理解的是，當元件例如層、區(qū)域或基板被稱作"形成在"或"設(shè)置 在"另一元件"上"時，該元件可W直接設(shè)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(shè)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(shè)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(fā)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(xiàn)柔性器件。作為本發(fā)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(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)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(fā)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(xiàn)紅外 夜視功能。作為本發(fā)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(jié)構(gòu)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(shè)置在有機半導體層3上的第一絕緣層4， W及設(shè)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(shè)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(fā)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(tài)對應傳統(tǒng)P型有機薄膜場效應晶體管Vg = O的狀態(tài)。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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)P型有機 薄膜場效應晶體管的Vg<0的狀態(tài)，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(diào)控 半導體層中載流子傳輸特性，從而實現(xiàn)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?qū)C械能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)了人機交互的功能。并且通過自供電的方式減 少了傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(shè)置在第一絕緣層4上。
[0062] 作為本發(fā)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(shè)置在第一絕緣層4上;可W實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0063] 作為本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)中任意能制得的工藝或方法均可W實 現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)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(shè)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(shè)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(shè)置在各有機半導體單元7上的連續(xù) 的第二絕緣層8，W及設(shè)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(shè)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(chǎn)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(xiàn)。
[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(shè)置在第二絕緣層8上。
[0075] 作為本發(fā)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(shè)置在第一絕緣層4上;可W實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)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(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
【主權(quán)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(shè)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(shè)置在所述有機半導體層上的第一絕緣層， W及設(shè)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(shè)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)：6. 根據(jù)權(quán)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(quán)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(shè)置在所述第一絕緣層上。8. 根據(jù)權(quán)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(shè)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(shè)置在第一基板上的源漏電極層 和半導體層； 還包括直接設(shè)置在各所述半導體單元上的連續(xù)的第二絕緣層，w及設(shè)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(shè)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(quán)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(shè)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(fā)明人】董桂芳, 劉曉惠, 李晶
【申請人】清華大學