一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法
【專利摘要】一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，制備器件第一層，在第一層上制備源電極、漏電極和半導(dǎo)體活性層；制備器件第二層，將對應(yīng)源電極和漏電極的材料剪切，并在對應(yīng)半導(dǎo)體活性層的位置剪切通道；制備器件第三層，在第三層上剪切對稱的圓孔，且直徑與第二層的通道寬度相等；最后在器件第二層的兩面貼上雙面膠粘住第一層和第三層，完成制備。本發(fā)明巧妙的使用了微流控層壓技術(shù)制備通道結(jié)合有機(jī)場效應(yīng)晶體管的制備，完成了一種柔性的可檢測氣體及液體的離子敏感場效應(yīng)晶體管器件。由于通道的制作簡易，及柔性的特點(diǎn)，可應(yīng)用于低成本的柔性離子敏感場效應(yīng)管的生產(chǎn)，對有機(jī)電子器件的應(yīng)用推廣具有深遠(yuǎn)意義。
【專利說明】一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶體管的制備，尤其涉及一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在過去半個(gè)世紀(jì)，微電子技術(shù)掀起了人類信息技術(shù)的革命，它極大地改變著人們的生活方式和改善人類生活質(zhì)量。人們無時(shí)無刻不感受到微電子給人類社會帶來的巨大變化，它已成為蓬勃發(fā)展的IT信息產(chǎn)業(yè)的核心和基石。
[0003]以有機(jī)小分子化合物或聚合物為半導(dǎo)體層材料的有機(jī)場效應(yīng)晶體管成為當(dāng)前有機(jī)光電子功能材料與器件研究領(lǐng)域中前沿?zé)狳c(diǎn)問題，尤其是在有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)在低價(jià)格系統(tǒng)中有巨大的潛在應(yīng)用前景，其相比較于無機(jī)場效應(yīng)晶體管有:材料來源廣、可與柔性襯底兼容、耐低溫性能好、制造工藝較簡單、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)勢。
[0004]離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)是一種微電子離子選擇性敏感元件，與離子選擇電極相比，ISFET具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)輸入阻抗高，輸出阻抗低，兼有信號放大的功能，可避免外界感應(yīng)與次級電路干擾作用；靈敏度高，響應(yīng)快；(2)采用集成電路工藝，適于批量生產(chǎn)，成本低，并具有微型化、集成化的發(fā)展?jié)摿Γ?3)全固態(tài)結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度大，在化工、食品、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測及科學(xué)研究中有廣闊的應(yīng)用前景；(4)易于與外電路匹配，使用方便，并可與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)在線控制。
[0005]場效應(yīng)晶體管(FET)是一種電壓控制的電流源，它由三部分組成一電源、漏(板)和閘門。閘門用于調(diào)節(jié)電場，發(fā)出源到漏的信號。在一個(gè)離子敏感場效應(yīng)晶體管內(nèi)，閘門隨離子變化的，離子濃度改變，閘門的電壓也隨之調(diào)整。不同于一般場效應(yīng)使用的金屬閘門，而是用一層絕緣材料將電源和漏(板)隔開。這個(gè)絕緣層直接接觸到溶液，這樣溶液本身就充當(dāng)閘門的作用，并與一個(gè)電導(dǎo)性“對電極”和一個(gè)參比電極相聯(lián)接。
[0006]微圖案化加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電子器件及其集成加工的必要手段，也是有機(jī)電子研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。對于有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管對制造工藝技術(shù)的要求，分別考慮到工藝技術(shù)的性能、適用性、成本及對環(huán)境的友好程度。噴墨技術(shù)具有比較全面的性能，它具有良好的圖案化成膜能力，工藝簡單成本低，適用性強(qiáng)，能得到3PL甚至更微笑的墨滴，能精確、定量的將某種溶解的材料沉積到確定位置，且材料的利用率很高，不浪費(fèi)材料和對環(huán)境造成傷害，由于噴墨印刷的這些優(yōu)勢，它被認(rèn)為是有機(jī)薄膜器件(OTFT)制造中代替光亥IJ，實(shí)現(xiàn)金屬膜的沉積和有源層半導(dǎo)體直接形成圖形的技術(shù)選擇。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]解決的技術(shù)問題:為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，結(jié)合打印技術(shù)和微流控層壓技術(shù)，利用有機(jī)材料柔性的特性，獲得工藝簡單、低成本、可彎折的柔性離子敏場效應(yīng)晶體管的大規(guī)模生產(chǎn)方式。
[0008]技術(shù)方案:一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟: 第一步:取一塊柔性聚合物材料板作為器件第一層，并在其上制備源電極和漏電極和半導(dǎo)體活性層，所述源電極與漏電極的水平間距為60-100 μ m，兩者之間的間隔用于設(shè)置半導(dǎo)體活性層；
第二步:選取另一塊與第一塊等大小的柔性聚合物材料板作為器件第二層，在對應(yīng)源電極和漏電極的位置進(jìn)行裁剪，并在對應(yīng)半導(dǎo)體活性層的位置處裁剪出寬度為1_2_的通道；
第三步:再選取一塊與第一層大小相等的柔性聚合物材料板作為器件第三層，在對應(yīng)源電極和漏電極的位置進(jìn)行裁剪，并在對應(yīng)器件第二層的通道處剪切兩個(gè)與通道寬度相同的圓孔，且兩圓孔位置對稱；
第四步:在器件第二層的上、下面上均覆蓋雙面膠，再將器件第二層與器件第一層和器件第三層粘貼成一體，從而構(gòu)成離子敏感膜，完成整個(gè)柔性離子敏感場效應(yīng)晶體管的制備。
[0009]器件第一層、器件第二層和器件第三層粘貼成一體后，在半導(dǎo)體活性層上制備鈍化層。
[0010]鈍化層的制備方法是用環(huán)氧樹脂膠將器件第三層上的圓孔與圓孔等直徑的導(dǎo)管粘連成一體，再將導(dǎo)管的另一端接到微量泵上，通過在一端注入鈍化層溶液，另一端使用微量泵抽取，最終在半導(dǎo)體活性層上形成鈍化層。
[0011]柔性聚合物材料板為聚對苯二甲酸乙二酯或環(huán)烯烴共聚物材料板的一種。
[0012]源電極、漏電極材料為銀、金、鋁、銅、聚3，4_乙撐二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸鹽中的一種。
[0013]源電極、漏電極材料的制備方法為真空蒸度沉積法、噴墨打印法或電子束沉積方式中的一種。
[0014]半導(dǎo)體活性層的材料可以為3-己基噻吩的聚合物、酞菁銅或并五苯中的一種。
[0015]半導(dǎo)體活性層的制備方法為噴墨打印、旋涂或真空蒸度沉積法中的一種。
[0016]鈍化層的材料為酞菁金屬化合物。
[0017]有益效果本發(fā)明提供的這種制備柔性有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管的方法具有很大的優(yōu)勢:首先，傳統(tǒng)的熱蒸鍍制備場效應(yīng)晶體管需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，而且對于圖案化的電極制備上，需要使用定制的模具。而本發(fā)明在晶體管的制備方面要求的環(huán)境很寬松，無論是每一層柔性聚合物材料的制作還是壓電噴墨打印電極及半導(dǎo)體活性層都不需要在手套箱等無水無氧的環(huán)境下實(shí)施，簡化了工藝。
[0018]其次，巧妙的使用了層壓技術(shù)獲得可以流通微升級別溶液的微型通道是本發(fā)明的另一大特點(diǎn)，傳統(tǒng)的制備微通道的方法是首先經(jīng)過軟件設(shè)計(jì)通道模型，然后通過激光刻蝕、熱壓法等復(fù)雜的工藝來制備，不僅制作工藝復(fù)雜，而且所需的成本也較高。而本發(fā)明制備微通道的方法避免了復(fù)雜的微通道制作過程，且根據(jù)半導(dǎo)體活性層的材料特性選擇添加鈍化層，可以更好的保護(hù)半導(dǎo)體活性層層不受氧氣環(huán)境下的影響，提高了器件的使用壽命。
[0019]最后，本發(fā)明制得的有機(jī)電子器件具有較高的柔性，可應(yīng)用于低成本的柔性離子敏感場效應(yīng)管的生產(chǎn)，對有機(jī)電子器件的應(yīng)用推廣具有深遠(yuǎn)意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為柔性有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1、圓孔，2、器件第三層，3、源電極，4、雙面膠，5、半導(dǎo)體活性層，6、器件第一層，7、器件第二層，8、漏電極；
圖2通入不同pH值的緩沖液，通過檢測柵源電極之間的電流變化，從而達(dá)到對于pH值的檢測；
圖3將經(jīng)過鈍化層保護(hù)和未經(jīng)鈍化層保護(hù)的器件分別放置于空氣中，3天后測試各器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0022]實(shí)施例1
結(jié)合圖1，具體介紹本發(fā)明的柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法。
[0023]第一步:根據(jù)需要取一塊PET作為器件第一層6，采用現(xiàn)有成熟的壓電式噴墨印刷方式制作平行排列的源電極3和漏電極8，所用材料均為導(dǎo)電銀納米粒子制備的銀墨水，制備后放到熱臺上進(jìn)行退火，退火溫度為80°C，時(shí)間為I小時(shí)，以促使銀墨水中的溶劑快速揮發(fā)，且使銀納米粒子燒結(jié)從而提高導(dǎo)電性，精度可達(dá)I μ m，其中，源電極3和漏電極8的圖案根據(jù)需要選擇，兩者之間留有60 μ m的通道，相較于傳統(tǒng)的蒸鍍方式更加省時(shí)、省料。
[0024]在通道上制作半導(dǎo)體活性層5，采用P3HT，選單個(gè)噴嘴，在35V電壓、40 μ m點(diǎn)間距的條件下打印單層P3HT層，打印按照豎排進(jìn)行，打印的P3HT層需要邊沿要覆蓋源電極3和漏電極8之間的溝道上，打印完半導(dǎo)體活性層5后，將器件第一層6放在手套箱中的熱臺上，在氮?dú)猸h(huán)境下按照70°C的溫度退火I小時(shí)。壓電噴墨打印方式及條件，可以很好的制備出表面均勻的P3HT薄膜，通過退火處理后，在源、漏電極之間的溝道中可以很好的覆蓋，以優(yōu)化器件的性能。
[0025]將鈦青銅溶于氯仿中，然后將溶液以2000RPM的轉(zhuǎn)速、30s時(shí)間條件下旋涂于P3HT的半導(dǎo)體活性層5上形成鈍化層，因?yàn)殁伹嚆~具有良好的電學(xué)和光學(xué)性能，同時(shí)也具有氣敏性和氣體選擇性，具有較高的載流子傳輸效率，可以保護(hù)P3HT不受空氣影響，既克服了P3HT不穩(wěn)定的問題，又提高了器件的使用壽命。
[0026]第二步:取一塊PET襯底，裁剪與器件第一層6等大小的襯底，并將對應(yīng)源電極3和漏電極8的位置切除得器件第二層7，再將對應(yīng)半導(dǎo)體層活性層5的位置上，切割出寬度為Imm的通道。
[0027]第三步:再取一塊PET襯底，裁剪與器件第一層6等大小的襯底，作為器件第三層2，在對應(yīng)源電極3和漏電極8的位置進(jìn)行裁剪，并在對應(yīng)器件第二層的通道處剪切兩個(gè)與通道寬度相同的圓孔1，且兩圓孔位置對稱。
[0028]第四步:在器件第二層7上、下兩面均貼有雙面膠4，通過器件第二層7將器件第一層6和器件第三層2粘貼在一起，完成柔性有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管的制備。
[0029]使用時(shí)，為方便在通道中通入檢測液體或氣體，使用環(huán)氧樹脂膠，將口徑與最頂層PET上圓孔相匹配的導(dǎo)管與PET相互連接。利用微流泵控制通道內(nèi)液體或氣體的流動(dòng)。通入PH值分別為5、6、7、8、9的緩沖液，對源電極3和漏電極8加電壓并檢測電流的變化。
[0030]實(shí)施例2
第一步:根據(jù)需要取一塊PET作為器件第一層6，采用現(xiàn)有成熟的壓電式噴墨印刷方式制作平行排列的源電極3和漏電極8，所用材料均為導(dǎo)電銀納米粒子制備的銀墨水，制備后放到熱臺上進(jìn)行退火，退火溫度為80°C，時(shí)間為I小時(shí)，以促使銀墨水中的溶劑快速揮發(fā)，且使銀納米粒子燒結(jié)從而提高導(dǎo)電性，精度可達(dá)I μ m，其中，源電極3和漏電極8的圖案根據(jù)需要選擇，兩者之間留有100 μ m的通道，相較于傳統(tǒng)的蒸鍍方式更加省時(shí)、省料。
[0031]在通道上制作半導(dǎo)體活性層5，采用P3HT，選單個(gè)噴嘴，在35V電壓、60 μ m點(diǎn)間距的條件下打印兩層P3HT層，打印按照豎排進(jìn)行，打印的P3HT層需要邊沿要覆蓋源電極3和漏電極8之間的溝道上，打印完半導(dǎo)體活性層5后，將器件第一層6放在手套箱中的熱臺上，在氮?dú)猸h(huán)境下按照70°C的溫度退火I小時(shí)。壓電噴墨打印方式及條件，可以很好的制備出表面均勻的P3HT薄膜，通過退火處理后，在源、漏電極之間的溝道中可以很好的覆蓋，以優(yōu)化器件的性能。
[0032]第二步:通道的寬度為2nm，其他的操作同實(shí)施例1的第二步。
[0033]第三步:圓孔I直徑為2nm，其他操作同實(shí)施例1的第三步。
[0034]第四步:在器件第二層7上、下兩面均貼有雙面膠4，通過器件第二層7將器件第一層6和器件第三層2粘貼在一起，完成柔性有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管的制備。
[0035]第五步:用環(huán)氧樹脂膠將口徑與圓孔I匹配的導(dǎo)管連接，通過微流泵將鈦青銅溶液按照luL/s的速度泵入通道，流通5分鐘后停止微流泵，形成鈍化層，完成柔性有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管的制備。
[0036]使用時(shí)，通入pH值分別為5、6、7、8、9的緩沖液，在通入不同pH值的緩沖液時(shí)，并對源電極3和漏電極8加電壓并檢測電流的變化。
[0037]實(shí)施例3
第一步:根據(jù)需要取一塊PET作為器件第一層6，采用現(xiàn)有成熟的壓電式噴墨印刷方式制作平行排列的源電極3和漏電極8，所用材料均為導(dǎo)電銀納米粒子制備的銀墨水，制備后放到熱臺上進(jìn)行退火，退火溫度為80°C，時(shí)間為I小時(shí)，以促使銀墨水中的溶劑快速揮發(fā)，且使銀納米粒子燒結(jié)從而提高導(dǎo)電性，精度可達(dá)I μ m，其中，源電極3和漏電極8的圖案根據(jù)需要選擇，兩者之間留有100 μ m的通道，相較于傳統(tǒng)的蒸鍍方式更加省時(shí)、省料。
[0038]在通道上制作半導(dǎo)體活性層5，采用P3HT，選單個(gè)噴嘴，在35V電壓、60 μ m點(diǎn)間距的條件下打印兩層P3HT層，打印按照豎排進(jìn)行，打印的P3HT層需要邊沿要覆蓋源電極3和漏電極8之間的溝道上，打印完半導(dǎo)體活性層5后，將器件第一層6放在手套箱中的熱臺上，在氮?dú)猸h(huán)境下按照70°C的溫度退火I小時(shí)。壓電噴墨打印方式及條件，可以很好的制備出表面均勻的P3HT薄膜，通過退火處理后，在源、漏電極之間的溝道中可以很好的覆蓋，以優(yōu)化器件的性能。
[0039]第二步:通道的寬度為2nm，其他的操作同實(shí)施例1的第二步。
[0040]第三步和第四步同實(shí)施例1中的第三步和第四步，完成柔性有機(jī)離子敏感場效應(yīng)晶體管的制備。
[0041]通入pH值分別為5、6、7、8、9的緩沖液，對源電極3和漏電極8加電壓并檢測電流的變化。
[0042]如圖2，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隨著pH值的濃度增加時(shí)，器件的閾值電壓隨之變小，由此充分說明本發(fā)明器件可以在較低的電壓條件下達(dá)到檢測液體PH值的目的。
[0043]如圖3所示，通過對于經(jīng)過鈍化層保護(hù)和未經(jīng)鈍化層保護(hù)的器件進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過鈍化層保護(hù)的器件的開關(guān)比明顯低于經(jīng)過鈍化層保護(hù)的器件。由此說明，經(jīng)過鈍化層保護(hù)的器件的壽命明顯得到了提高。
[0044]以上對于實(shí)施例的詳細(xì)說明僅作為實(shí)例提供，并非以此限制本發(fā)明多樣化的實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:取一塊柔性聚合物材料板作為器件第一層(6)，并在其上制備源電極(3)和漏電極(8)和半導(dǎo)體活性層(5)，所述源電極(3)與漏電極(8)的水平間距為60-100 μ m，間距上設(shè)有半導(dǎo)體活性層(5)，且半導(dǎo)體活性層(5)邊沿覆蓋在源電極(3)與漏電極(8)上； 第二步:選取另一塊與第一塊等大小的柔性聚合物材料板作為器件第二層(7)，在對應(yīng)源電極(3)和漏電極(8)的位置進(jìn)行裁剪，并在對應(yīng)半導(dǎo)體活性層(5)的位置處裁剪出寬度為1-2_的通道； 第三步:再選取一塊與第一層大小相等的柔性聚合物材料板作為器件第三層(2)，在柔性聚合物材料板上裁切出兩個(gè)與第二層的通道寬度相同的圓孔(1)，且兩圓孔位置對稱； 第四步:在器件第二層(7)的上、下面上均覆蓋雙面膠(4)，再將器件第二層(7)與器件第一層(6)和器件第三層(2)粘貼成一體，完成整個(gè)柔性離子敏感場效應(yīng)晶體管的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:器件第一層(6 )、器件第二層(7 )和器件第三層(2 )粘貼成一體后，在半導(dǎo)體活性層(5 )上制備鈍化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:鈍化層的制備方法是用環(huán)氧樹脂膠將器件第三層(2)上的圓孔(I)與圓孔(I)等直徑的導(dǎo)管粘連成一體，再將導(dǎo)管的另一端接到微量泵上，通過在一端注入鈍化層溶液，另一端使用微量泵抽取，最終在半導(dǎo)體活性層(5)上形成鈍化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:柔性聚合物材料板為聚對苯二甲酸乙二酯或環(huán)烯烴共聚物材料板的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:源電極(3)、漏電極(8)材料為銀、金、鋁、銅、聚3，4_乙撐二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸鹽中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:源電極(3)、漏電極(8)材料的制備方法為真空蒸度沉積法、噴墨打印法或電子束沉積方式中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:半導(dǎo)體活性層(5)的材料可以為3-己基噻吩的聚合物、酞菁銅或并五苯中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:半導(dǎo)體活性層(5)的制備方法為噴墨打印、旋涂或真空蒸度沉積法中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種柔性有機(jī)離子敏場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于:鈍化層的材料為酞菁金屬化合物。
【文檔編號】G01N27/414GK104132988SQ201410362343
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】葛·瑞金, 謝業(yè)磊, 楊昕, 黃維, 王洋 申請人:南京郵電大學(xué)