一种晶体管及其制备方法与流程

1.本发明涉及晶体管技术领域，尤其涉及一种晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.量子点电致发光显示技术，由于其波长可调，色彩饱和度高，材料稳定性高，和制备成本低廉等优点，成为了下一代显示技术的最佳候选者。经过了将近二十几年的发展，量子点发光二极管的外量子效率已经由0.01％提升至超过20％，从器件效率方面，量子点发光二极管(qled)已经相当接近有机发光二极管(oled)。然而，尽管量子点器件拥有上述的优势，目前器件的性能仍未完全达到产业化的要求，特别是对于蓝色qled器件来说。
3.目前qled的器件结构与oled相似，通过空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层等构成类似p-i-n结的三明治结构，通过平衡电子和空穴的注入，达到高效发光的效果。由于蓝色量子点的带隙较红绿色量子点带隙宽，电子空穴更加难以注入，启动电压进一步增大，界面电荷积累更加严重，对器件的寿命和效率造成了很大影响。特别是，氧化锌和量子点界面间存在电荷转移现象且量子点对电子束缚能力低于对空穴的束缚，这导致了氧化锌和量子点界面出现严重的电荷转移现象，而且伴随着蓝色量子点的导带能级的提高，这种电荷转移更加严重。界面间的激发电子的转移不仅导致了界面处的电荷积累，而且极大提高了非辐射俄歇复合的概率，严重影响了器件的效率和寿命。所以，设计更加合理的器件结构、能级结构和引入稳定性更好的材料体系是进一步提高器件效率和寿命的关键。
4.从器件结构上分析，影响qled器件效率和寿命的因素主要包括以下几点：
5.1、电极与空穴注入层之间的能级差或是空穴注入层对电极的腐蚀，如pedot:pss(聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐)对电极的腐蚀导致的界面损坏、电荷积累、注入势垒提高；
6.2、hil(空穴注入层)和htl(空穴传输层)之间的homo能级差，即hil和htl之间的势垒高度；
7.3、htl和量子点界面处的势垒高度和由此引发的电荷积累，如tfb/qd界面处由于电子积累导致的tfb的退化，导致器件失效；
8.4、qd和zno层之间复杂的相互作用，包括qd/zno界面处的能级差、激子转移、电子转移，该作用的效果与zno中的氧空位浓度、导带位置和电子传输率密切相关，这些在器件的储存老化过程中会发生一定变化；
9.5、zno和阴极之间的反应，zno和阴极金属之间的反应会产生金属氧化物，导致界面势垒提高；也可能会提高zno的氧空位浓度，提高zno导电性等等。
10.此外，qled器件中出光效率也是影响器件效率的一个重要因素，通过合理的光学结构设计可以提高器件出光的单色性和出光的强度。
11.所以，设计更加合理的器件结构、能级结构和引入稳定性更好的材料体系是进一步提高器件效率和寿命的关键。


技术实现要素：

12.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种晶体管及其制备方法，旨在解决现有器件的效率和寿命仍有待于提高的问题。
13.本发明的技术方案如下：
14.一种晶体管，其中，包括依次层叠设置的第一电极、绝缘层、第二电极、量子点发光层、第三电极、覆盖层；
15.所述第一电极和第二电极中的至少一种为全反射电极，所述第三电极为半反射电极。
16.一种晶体管的制备方法，其中，包括步骤：
17.提供第一电极；
18.在所述第一电极上形成绝缘层；
19.在所述绝缘层上形成第二电极；
20.在所述第二电极上形成量子点发光层；
21.在所述量子点发光层上形成第三电极；
22.在所述第三电极上形成覆盖层，得到晶体管；
23.所述第一电极和第二电极中的至少一种为全反射电极，所述第三电极为半反射电极。
24.有益效果：本发明晶体管具有底栅极(第一电极和绝缘层)结构。具体地，所述晶体管设置有至少两个具有较高反射率的电极，利用电极作为反射镜，在电极之间构成光学共振微腔，通过调节膜层的厚度，可以控制微腔长度，从而提高晶体管的出光强度和出光的单色性。同时，底栅极可以调节发光晶体管的电荷注入势垒和载流子密度，从而提高了发光晶体管的电子空穴注入平衡和降低了器件驱动电压，得到了色彩更加纯净、效率更高、寿命更长的器件。
附图说明
25.图1为本发明实施例提供的一种晶体管的结构示意图。
26.图2为本发明一实施方式提供的一种晶体管的结构示意图。
27.图3为本发明实施例提供的一种晶体管的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
28.本发明提供一种晶体管及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本发明实施例提供一种晶体管，如图1所示，包括依次层叠设置的第一电极10、绝缘层11、第二电极12、量子点发光层13、第三电极14、覆盖层15；
30.所述第一电极10和第二电极12中的至少一种为全反射电极，所述第三电极14为半反射电极。
31.需说明的是，所述全反射电极指的是能够将光线全部反射的电极，所述半反射电极指的是能够将部分光线反射、部分光线透射的电极。
32.本发明实施例所述晶体管为顶发射的量子点场效应发光晶体管，即光从顶部的半反射电极(第三电极)射出。本发明实施例中，所述晶体管具有底栅极(第一电极和绝缘层)结构。具体地，所述晶体管设置有至少两个具有较高反射率的电极，利用电极作为反射镜，在电极之间构成光学共振微腔，通过调节膜层的厚度，可以控制微腔长度，从而提高晶体管的出光强度和出光的单色性。同时，底栅极可以调节晶体管的电荷注入势垒和载流子密度，从而提高了发光晶体管的电子空穴注入平衡和降低了器件驱动电压，得到了色彩更加纯净、效率更高、寿命更长的器件。
33.在一种实施方式中，所述晶体管，结合图1所示，包括自下而上依次层叠设置的第一电极10、绝缘层11、第二电极12、量子点发光层13、第三电极14、覆盖层15；
34.所述第一电极10为全反射电极，所述第二电极12为半反射电极，所述第三电极14为半反射电极。
35.本发明实施例所述晶体管为顶发射的量子点场效应发光晶体管，即光从顶部的半反射电极(第三电极)射出。本发明实施例中，所述晶体管具有底栅极(第一电极和绝缘层)结构。具体地，所述晶体管设置有三个具有较高反射率的电极，利用电极作为反射镜，在第一电极和第二电极之间、在第二电极和第三电极之间构成两个光学共振微腔，通过调节膜层的厚度，可以控制微腔长度，从而提高晶体管的出光强度和出光的单色性。具体地，各膜层厚度可以根据量子点的波长确定，通过调节膜层的厚度使得微腔的长度等于量子点半波长或半波长的整数倍，以提高晶体管的出光的强度和出光的单色性。下面对实现本发明实施例技术效果的机理作详细说明。
36.第一，晶体管中设置有三个具有较高反射率的电极，它们之间互相平行，利用电极作为反射镜，使得在第一电极和第二电极之间、在第二电极和第三电极之间构成两个光学共振微腔。保持两两电极之间的光学距离l为量子点发光波长的一半或是其半波长的整数倍(l等于不同材料的折射率乘以其厚度的总和)，就可以形成对量子点本征发光波长有增强效应、对其他波长有抑制效应的法布里-波罗共振微腔。具体的，由于光在平行电极之间不断反射，只有与微腔长度(l)同量级的波长的光可以得到不断地增强，与微腔长度(l)不同量级的波长的光由于波的互相干涉不断减弱，最后这种经过了选择的光从反射率较低(即透射率较高)的一面射出成为器件的最终发出的光。由此，具有微腔结构的晶体管可以大大提高晶体管的出光的强度和出光的单色性。
37.第二，在发光二极管上增加了底栅极(第一电极和绝缘层)构成场效应晶体管，通过栅极偏压可以调节晶体管内部的载流子密度，从而调节不同功能层界面间的势垒高度和电荷传输效率，进而提高了量子点发光层的电子-空穴辐射复合发光效率。第一电极和第二电极之间的绝缘层的厚度决定着栅极结构对晶体管的载流子密度调节的灵敏性。绝缘层薄，栅极对晶体管的调节比较灵敏，绝缘层厚则对载流子密度的影响没那么大。也就是说，绝缘层的厚度(决定微腔长度)不仅仅影响对出射光的选择，还影响了栅极对晶体管内部的电学性能的调节的灵敏度和程度，具有双重的作用。需要注意的是，在厚度适合的前提下，绝缘层越厚(微腔长度越长)，对光的选择性越强，可以得到单色性更好的光，但由于对其他波长的光的抑制也强烈，整体亮度可能会下降；绝缘层越厚，栅极对晶体管内部电学性能的调节越不灵敏。综合两者之间的影响，使得器件的出光的单色性较好，电学性能的调节也具有可操作性，就可以得到色彩更加纯净、内部载流子平衡性更好、效率更高、寿命更长的器
件。
38.第三，这种垂直结构的晶体管与水平结构的晶体管相比，具有构筑简单，操作便利的优势，有利于降低成本，实现大规模应用。
39.在一种实施方式中，所述绝缘层为透明绝缘层，所述透明绝缘层所说的是能够透光的绝缘层，示例性地，对于透光率超过75％，透光率超过85％，透光率超过95％的绝缘层，光在电极之间能够穿过绝缘层来回反射。所述绝缘层的材料包括pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、pei(聚乙烯亚胺)、peie(聚乙氧基乙烯亚胺)等透明绝缘性材料中的一种或多种，但不限于此。
40.在一种实施方式中，所述晶体管，结合图1所示，包括依次层叠设置的第一电极10、绝缘层11、第二电极12、量子点发光层13、第三电极14、覆盖层15；
41.所述第二电极12为全反射电极，所述第三电极14为半反射电极。
42.本发明实施例中，由于第二电极为全反射电极，第三电极为半反射电极，发光层在第二电极和第三电极之间，所以第一电极对光学性能没有影响(所述第一电极不作限定，采用普通电极即可)，这样总体微腔长度就相对较短，只构成了一个光学微腔。本发明实施例中，具有微腔结构的晶体管同样可以提高晶体管的出光的强度和出光的单色性，只是对光的选择性相比于具有两个光学微腔的晶体管会弱一些，且栅极对光学性能没有直接影响。同时，底栅极可以调节晶体管的电荷注入势垒和载流子密度，从而提高了发光晶体管的电子空穴注入平衡和降低了器件驱动电压，得到了色彩更加纯净、效率更高、寿命更长的器件。相比于具有两个光学微腔的晶体管，本发明实施例可以单独调节绝缘层厚度来得到较好的电学性能而不用考虑对出光率的影响，操作更加简单。
43.需说明的是，本发明实施例中，由于光不穿过绝缘层，所以所述绝缘层可以为透明或不透明的。所述绝缘层的材料包括pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、pei(聚乙烯亚胺)、peie(聚乙氧基乙烯亚胺)和pvp(聚乙烯基吡咯烷酮)等透明绝缘性材料中的一种或多种，但不限于此。
44.本发明实施例中，量子点场效应发光晶体管有多种形式。在一种实施方式中，所述晶体管还包括：设置于所述第二电极和量子点发光层之间的空穴功能层，设置于所述第三电极和量子点发光层之间的电子功能层；或者，还包括：设置于所述第二电极和量子点发光层之间的电子功能层，设置于所述第三电极和量子点发光层之间的空穴功能层。也就是说，所述空穴功能层与所述电子功能层的位置可以交换，所述空穴功能层可以包括空穴注入层、空穴传输层等不限于此中的一种或多种，所述电子功能层可以包括电子注入层、电子传输层等不限于此中的一种或多种。
45.晶体管的形式多种多样，本发明实施例将主要以如图2所示的晶体管为例，对上述晶体管进行详细介绍。具体地，如图2所示，所述晶体管包括自下而上依次层叠设置的第一电极21(设置于基板20上)、绝缘层22、第二电极23、空穴注入层24、空穴传输层25、量子点发光层26、电子传输层27、第三电极28、覆盖层29；
46.所述第一电极21和第二电极23中的至少一种为全反射电极，所述第三电极28为半反射电极。
47.本发明实施例所述晶体管为顶发射的量子点场效应发光晶体管，即光从顶部的半反射电极(第三电极)射出。本发明实施例中，所述晶体管具有底栅极(第一电极和绝缘层)
结构。具体地，所述晶体管设置有至少两个具有较高反射率的电极，利用电极作为反射镜，在电极之间构成光学共振微腔，通过调节膜层的厚度，可以控制微腔长度，从而提高晶体管的出光强度和出光的单色性。同时，底栅极可以调节量子点场效应发光晶体管的电荷注入势垒和载流子密度，从而提高了发光晶体管的电子空穴注入平衡和降低了器件驱动电压，得到了色彩更加纯净、效率更高、寿命更长的器件。
48.本发明实施例中，所述覆盖层为透明覆盖层，所述透明覆盖层所说的是能够透光的覆盖层，示例性地，对于透光率超过75％，透光率超过85％，透光率超过95％的覆盖层，所述透明覆盖层可以提高第三电极的透光率。在一种实施方式中，所述透明覆盖层的材料包括npb(n,n
’-
二苯基-n,n
’-
(1-萘基)-1,1’联苯-4,4
’-
二胺)、pma(丙二醇甲醚醋酸酯)、ito(氧化铟锡)等透明导电材料中的一种或多种。
49.在一种实施方式中，所述全反射电极的材料包括al、ag、ag基合金(如mg与ag构成的合金等)等金属及其合金材料中的一种，但不限于此。需说明的是，本发明实施例中，所述全反射电极两侧还可以设置ito电极(透明电极)，如ito/ag/ito、ito/ag基合金/ito，以降低电极的功函数，利于电荷注入。
50.在一种实施方式中，所述半反射电极的材料包括al、ag、ag基合金(如mg与ag构成的合金等)等金属及其合金材料中的一种，但不限于此。需说明的是，本发明实施例中，所述半反射电极两侧还可以设置ito电极(透明电极)，如ito/ag/ito、ito/ag基合金/ito，以降低电极的功函数，利于电荷注入。
51.需说明的是，上述全反射电极与半反射电极可选的材料范围相同，具体可选相同范围中的同种或不同种材料。通过控制电极层厚度，使得该层具有全反射或半反射功能。当金属或金属合金材料制作形成的电极层厚度在80nm以上时，具有全反射功能；当金属或金属合金材料制作形成的电极层厚度在10-30nm时，具有半反射功能。在一种实施方式中，所述全反射电极的厚度为80-200nm，所述半反射电极的厚度为10-30nm。
52.在一种实施方式中，所述量子点发光层的材料可以为油溶性量子点，所述油溶性量子点包括二元相、三元相、四元相量子点等中的一种或多种；其中二元相量子点包括cds、cdse、cdte、inp、ags、pbs、pbse、hgs等中的一种或多种，三元相量子点包括zncds、cuins、zncdse、znses、zncdte、pbses等中的一种或多种，四元相量子点包括zncds/znse、cuins/zns、zncdse/zns、cuinses、zncdte/zns、pbses/zns等中的一种或多种。所述量子点发光层的材料可以为常见的红、绿、蓝三种中的任意一种量子点或者其它黄光均可以，该量子点可以为含镉或者不含镉。该材料的量子点发光层具有激发光谱宽并且连续分布，发射光谱稳定性高等特点。
53.在一种实施方式中，所述电子传输层材料可采用本领域常规的电子传输材料，包括但不限于zno、mzo(镁锌氧)、amo(铝锌氧)、mlzo(镁锂锌氧)、tio2、csf、lif、csco3和alq3中的一种或者为其任意组合的混合物。
54.在一种实施方式中，所述空穴注入层材料包括但不限于：pedot:pss、cupc、p3ht、过渡金属氧化物、过渡金属硫系化合物中的一种或两种或多种。其中，所述过渡金属氧化物包括nio
x
、moo
x
、wo
x
、cro
x
、cuo中的一种或两种或多种。所述金属硫系化合物包括mos
x
、mose
x
、ws
x
、wse
x
、cus中的一种或两种或多种。
55.在一种实施方式中，所述空穴传输层的材料可以选自具有良好空穴传输性能的材
料，例如可以包括但不限于聚(9,9-二辛基芴-co-n-(4-丁基苯基)二苯胺)(tfb)、聚乙烯咔唑(pvk)、聚(n,n'双(4-丁基苯基)-n,n'-双(苯基)联苯胺)(poly-tpd)、4,4’,4
”-
三(咔唑-9-基)三苯胺(tcta)、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(pedot：pss)、4,4'-二(9-咔唑)联苯(cbp)、nio、moo3等中的一种或多种。
56.本发明实施例提供一种晶体管的制备方法，如图3所示，包括步骤：
57.s10、提供第一电极；
58.s20、在所述第一电极上形成绝缘层；
59.s30、在所述绝缘层上形成第二电极；
60.s40、在所述第二电极上形成量子点发光层；
61.s50、在所述量子点发光层上形成第三电极；
62.s60、在所述第三电极上形成覆盖层，得到晶体管；
63.所述第一电极和第二电极中的至少一种为全反射电极，所述第三电极为半反射电极。
64.关于各功能层的详细细节见上文，在此不再赘述。
65.本发明实施例中，上述各层制备方法可以是化学法或物理法，其中化学法包括但不限于化学气相沉积法、连续离子层吸附与反应法、阳极氧化法、电解沉积法、共沉淀法中的一种或多种；物理法包括但不限于溶液法(如旋涂法、印刷法、刮涂法、浸渍提拉法、浸泡法、喷涂法、滚涂法、浇铸法、狭缝式涂布法或条状涂布法等)、蒸镀法(如热蒸镀法、电子束蒸镀法、磁控溅射法或多弧离子镀膜法等)、沉积法(如物理气相沉积法、元素层沉积法、脉冲激光沉积法等)中的一种或多种。
66.下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
67.实施例1
68.(1)在基板上沉积ito/ag(ag层作为第一电极，为全反射电极)，ito层厚度为15nm，ag层厚度为80nm；
69.(2)在ag层上旋涂一层透明绝缘层；
70.(3)在绝缘层上蒸镀ito/ag/ito(ag层作为第二电极，为半反射电极)，ito层厚度都为15nm，ag层厚度为18nm，之后表面用紫外光臭氧(uvo)清洗5分钟，清洗表面同时改变表面的浸润性；
71.(4)在ito/ag/ito上旋涂一层pedot:pss做空穴注入层，旋涂转速为5000转每分钟，旋涂40s，之后在150℃退火15min，整个步骤在空气中进行；
72.(5)在pedot:pss上旋涂一层tfb做空穴传输层，tfb溶解在氯苯中，浓度为8mg/ml，旋涂转速为3000转每分钟，旋涂30s，之后在150℃下加热30min，该步骤在手套箱中进行；
73.(6)在tfb上旋涂量子点发光层，量子点溶解在正辛烷中，浓度为20mg/ml，转速为2000转每分钟，旋涂30s，之后在100℃下加热20min，该步骤在手套箱中进行；
74.(7)在量子点发光层上旋涂氧化锌层，氧化锌胶体溶解在乙醇中，浓度为30mg/ml，旋涂转速为2500转每分钟，旋涂时间30s，之后在100℃下加热30min，该步骤在手套箱中进行；
75.(8)在氧化锌层上蒸镀一层mg：ag(mg与ag构成的合金材料，其中mg：ag质量比例为5:5，厚度25nm，mg：ag层作为第三电极，为半反射电极，作为阴极)；
76.(9)在mg：ag电极上蒸镀一层透明覆盖层。
77.实施例2
78.(1)在基板上沉积一层ito作为第一电极，厚度为80nm；
79.(2)在ito层上旋涂一层透明绝缘层；
80.(3)在绝缘层上蒸镀ito/ag/ito(ag层作为第二电极，为全反射电极)，其中ito层的厚度都为15nm，ag层的厚度为80nm，之后表面用紫外光臭氧(uvo)清洗15分钟，清洗表面同时改变表面的浸润性；
81.(4)在ito/ag/ito上旋涂一层pedot:pss做空穴注入层，旋涂转速为5000转每分钟，旋涂40s，之后在150℃退火15min，整个步骤在空气中进行；
82.(5)在pedot:pss层上旋涂一层tfb做空穴传输层，tfb溶解在氯苯中，浓度为8mg/ml，旋涂转速为3000转每分钟，旋涂30s，之后在150℃下加热30min，该步骤在手套箱中进行；
83.(6)在tfb层上旋涂量子点发光层，量子点溶解在正辛烷中，浓度为20mg/ml，转速为2000转每分钟，旋涂30s，之后在100℃下加热20min，该步骤在手套箱中进行；
84.(7)在量子点发光层上旋涂氧化锌层，氧化锌胶体溶解在乙醇中，浓度为30mg/ml，旋涂转速为3000转每分钟，旋涂时间30s，之后在100℃下加热30min，该步骤在手套箱中进行；
85.(8)在氧化锌层上蒸镀一层mg：ag(mg：ag质量比例为5:5，25nm，mg：ag层作为第三电极，为半反射电极，作为阴极)；
86.(9)在mg：ag电极上旋涂一层透明覆盖层。
87.对比例
88.(1)在基板上蒸镀ito/ag/ito作为第二电极，ito层厚度都为15nm，ag层的厚度为90nm，之后表面用紫外光臭氧(uvo)清洗5分钟，清洗表面同时改变表面的浸润性；
89.(2)在ito/ag/ito上旋涂一层pedot:pss做空穴注入层，旋涂转速为5000转每分钟，旋涂40s，之后在150℃退火15min，整个步骤在空气中进行；
90.(3)在pedot:pss层上旋涂一层tfb做空穴传输层，tfb溶解在氯苯中，浓度为8mg/ml，旋涂转速为3000转每分钟，旋涂30s，之后在150℃下加热30min，该步骤在手套箱中进行；
91.(4)在tfb层上旋涂量子点发光层，量子点溶解在正辛烷中，浓度为20mg/ml，转速为2000转每分钟，旋涂30s，之后在100℃下加热20min，该步骤在手套箱中进行；
92.(5)在量子点发光层上旋涂氧化锌层，氧化锌胶体溶解在乙醇中，浓度为30mg/ml，旋涂转速为2500转每分钟，旋涂时间30s，之后在100℃下加热30min，该步骤在手套箱中进行；
93.(6)在氧化锌层上蒸镀一层mg：ag(mg：ag质量比例为5:5，厚度25nm)作为第三电极，为半反射电极，作为阴极)；
94.(7)在mg：ag电极上蒸镀一层透明覆盖层。
95.测试结果见下表1：
96.表1、测试结果
97.项目组别半峰宽/(nm)电流效率(ce)/(cd/a)t95(1000nit)/(h)
实施例123.2445.78500实施例225.8437.65643对比例25.0029.53530
98.表中t95(1000nit)表示器件初始亮度为1000nit时衰减到95％亮度所需的时间。从表1可知，实施例1的半峰宽最窄，效率最高，对应的寿命也长一些，实施例2由于微腔效应弱一些，半峰宽会宽一些，效率也有所降低，寿命短，对比例微腔效应与实施例2相同，半峰宽也基本一致，但是由于电荷平衡没有实施例2好，电流效率低，寿命也更短。
99.综上所述，本发明提供的一种晶体管及其制备方法。本发明晶体管具有底栅极(第一电极和绝缘层)结构。具体地，所述晶体管设置有至少两个具有较高反射率的电极，利用电极作为反射镜，在电极之间构成光学共振微腔，通过调节膜层的厚度，可以控制微腔长度，从而提高量子点场效应发光晶体管的出光强度和出光的单色性。同时，底栅极可以调节量子点场效应发光晶体管的电荷注入势垒和载流子密度，从而提高了发光晶体管的电子空穴注入平衡和降低了器件驱动电压，得到了色彩更加纯净、效率更高、寿命更长的器件。
100.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。