[发明专利]介电材料、有机晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种介电材料、有机晶体管及其制备方法；介电材料由以下制备方法制成：以金属单质或金属混合物作为靶材，采用磁控溅射工艺对所述靶材进行处理，并在处理过程中通入反应气体和溅射气体，处理设定时间后即得到所述介电材料；有机晶体管包括自下至上依次设置的基底、介电层、有机半导体层和电极，其中介电层的材料为上述方法制得的介电材料。本发明大大简化了高K介电材料的制备工艺流程、降低了生产要求和成本，有利于高绝缘性能介电材料的产业化生产，制得的介电材料具有良好的绝缘性能，采用本发明制备的介电材料生产的有机晶体管工作电压仅3V，电流开关比可达到10⁷，亚阈值摆幅SS接近理论极限。

技术领域

本发明涉及柔性电子器件领域，具体涉及一种有机薄膜晶体管介电层的制备方法。

背景技术

近年来，有机电子作为传统硅基技术的低成本替代品，成为一门新兴的现代科学技术。而已有机场效应晶体管为代表的有机电子器件受到广泛关注，这主要是由于与传统的硅工艺相比，有机场效应晶体管的制备工艺要简单得多，且有机材料的可弯曲特性，使其可以很好地与柔性衬底兼容，可以得到质量轻、可弯曲甚至可以折叠的电子产品。近年，有机电子已近应用于各种电子器件中，如电子皮肤，电子报纸、传感器和存储器件等。

有机场效应晶体管器件的结构一般由栅极、绝缘层、有机有源层、源/漏电极构成。选取合适的绝缘层可以有效改善器件的性能。常见的无机绝缘层SiO₂、SiN_X等，其制备成本较高。现有的有机介电层在制备过程中通常需要高温退火，稳定性差，且工艺较为复杂，生产成本高等问题，限制了其在有机场效应晶体管中的应用前景。因此，开发一种可室温制备，性能稳定、绝缘性好的高K介电层是非常有必要的。

发明内容

本发明提供了一种介电材料、有机晶体管及其制备方法，用以解决目前介电材料绝缘性能不佳，而高绝缘性能介电材料制备复杂、生产成本高昂的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种介电材料的制备方法，包括以下操作：以单一金属单质或多种金属单质的混合物作为靶材，采用磁控溅射工艺对所述靶材进行处理，并在处理过程中通入反应气体和溅射气体，处理设定时间后即得到所述介电材料；所述金属单质包括Al、Zr、Ti和Hf中的至少一种。

上述技术方案的设计思路在于，采用磁控溅射工艺制备介电材料可根据需要定制合适的设备及样品衬底进行生产，从而实现介电材料的大面积制备，相较于传统制备方法，例如溶液法、原子层沉积法、化学合成法等，其具有操作工艺简单的优势，同时，可以根据靶材选择以及介电材料性能需要，灵活地调节薄膜制备过程中通入的反应气体氧气的含量，以形成所需的金属原子与氧原子的任意配比的稳定的金属氧化物介电薄膜，进一步形成具有优良的绝缘性能的介电材料。

作为上述技术方案的进一步优选，所述反应气体为高纯氧气，所述溅射气体为氩气，且所述反应气体与溅射气体的体积比为1：(1～9)。介电材料在实际应用时，其绝缘性能是一个重要的考量指标，特别是应用于晶体管时，晶体管需要其介电层具有良好的绝缘性能以保证晶体管不容易产生漏电流，经发明人反复研究和多次试验，发现反应气体与溅射气体的体积比为1：(1～9)时，采用Al、Zr、Ti和Hf中的一种或几种作为靶材磁控溅射得到的介电材料具有较好的绝缘性能。

作为上述技术方案的进一步优选，所述金属单质为Al，所述反应气体与溅射气体的体积比为2：5。经发明人反复研究和多次试验，发现反应气体与溅射气体的体积比为2：5时，采用Al作为靶材磁控溅射得到的介电材料具有最佳的绝缘性能。

作为上述技术方案的进一步优选，所述介电材料在室温下制备。现有介电材料制备时通常需要高温退火，工艺复杂且生产成本和能源消耗高，而本发明的方法可在室温下制备介电材料，无需高温退火，大大降低了生产难度和生产成本，扩宽了介电材料的应用场景。