CN100547823C - 有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法，有机薄膜晶体管由栅极、绝缘层、第一层电极、半导体层、第二层电极依次层叠构成；第一层电极作为漏极时，第二层电极作为源极；第一层电极作为源极时，则第二层电极作为漏极；漏极和源极分别位于有机半导体层的两侧，并在有机半导体层两侧上下错开。这种结构的晶体管能诱导载流子离开绝缘层-半导体层界面附近的耗尽区，直接通过半导体的本体注入漏极，从而有利于载流子的注入，提高迁移率，增大输出电流。本发明所提出的结构还能使导电沟道长度达到与半导体层的厚度相当的程度，远小于传统薄膜晶体管结构所能达到的最小沟道长度，这可以减小薄膜晶体管器件的面积。

Description

有机薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及有机薄膜晶体管的结构，主要用于有机电致发光和液晶平板显示，对平板显示屏的象素发光或透光点实现有源逐点驱动，以及用于电子纸的有源驱动，也可以作为开关用于驱动线路上。

背景技术

薄膜晶体管是电场控制下的电流或电压开关，是利用改变外加电场来控制有机/无机半导体材料导电能力的有源薄膜器件。随着有机电致发光(OLED)和液晶平板显示(LCD)技术的发展，用有机材料制备的薄膜晶体管(OTFT)近年得到迅速发展。目前有机薄膜晶体管的应用主要集中在平板显示器，电子纸，交易卡，电子识别标签以及传感器等领域。与无机薄膜晶体管相比，有机薄膜晶体管具有加工温度低，可采用低成本沉积工序(旋涂、印刷、真空蒸发等技术)，适合大面积制备以及可与柔性衬底兼容等独特的优点。

目前，有机薄膜晶体管的主要的问题在于有机有源半导体材料的迁移率较低，造成输出电流较小。有机电致发光器件(OLED)的驱动电流要求每个发光象素点在毫安数量级以上，但目前有机薄膜晶体管的输出电流只能达到几十微安，离要求相差甚远。因此，急需解决的问题是如何提高有机薄膜晶体管的工作电流，同时不明显增加薄膜晶体管的工作面积。现在通常采用以下几种方法提高输出电流：

(1)设计合成高迁移率的有机半导体材料。目前迁移率最高的材料是并五苯(10^-2～10¹cm²/Vs之间)，但仍然小于无机非晶硅的迁移率(～10⁰～10²cm²/Vs)，还不能完全实现驱动OLED的要求。

(2)改善有机薄膜晶体管的结构。包括设计特殊的结构更有利于载流子输运，使用不同的源漏电极材料使载流子更容易注入，以及采用多层膜的方法来改善器件的电学性能。

(3)改善薄膜的质量。包括使用不同的成膜方法，不同的成膜温度、速度，对材料进行高导电性分子掺杂，对薄膜界面进行修饰以及对薄膜进行热处理等。

(4)提高导电沟道的宽长比。薄膜晶体管的饱和电流和导电沟道的宽长比成正比。但目前由于工艺技术方面的原因，两电极间所能达到的最小距离还非常有限，采用掩模技术一般只能达到100μm左右，而采用一般的光刻技术也最小只能达到几个μm。所以在长度不能再小的情况下只能通过增加沟道宽度的办法提高宽长比，但宽度的增加又导致了器件面积的增大，限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和难点，提出一种有机薄膜晶体管器件，实现低工作电压，高输出电流。这种新型薄膜晶体管的基本结构是通过将漏极和源极在有机半导体层两侧上下错开，分别位于有机半导体层的两侧，诱导电子离开绝缘层-有机半导体层界面的漏极附近耗尽区(无载流子区域)，使电子通过有机半导体的非耗尽区注入漏极，这样有利于载流子的注入，相对提高了载流子的迁移率，增大了输出电流。

本发明的目的还在于提供一种能够实现极小沟道长度的有机薄膜晶体管结构，使用该结构能使沟道长度达到小于微米量级，这种精度远远高于采用掩模技术或普通光刻技术所能达到的最佳精度。

本发明的目的还在于提供所述有机薄膜晶体管的制备方法。

本发明的薄膜晶体管器件结构示意图如图1所示，是由衬底1，栅极2，绝缘层3，第一层电极4，半导体层5，第二层电极6依次层叠构成。如果第一层电极4作为漏极，第二层电极6作为源极，称之为“底漏极-顶源极”结构；反之如果第一层电极4作为源极，第二层电极6作为漏极，则称之为“顶漏极-底源极”结构；漏极和源极分别位于有机半导体层的两侧，并在有机半导体层两侧上下错开。

所述结构与传统结构的最重要的不同之处在于源极和漏极分别位于有机半导体层的两侧，而一般传统结构是源和漏极在半导体层的同一侧。所述的衬底材料可以是玻璃，也可以是有机高分子的柔性材料；

绝缘层可采用金属氧化物如Ta₂O₅、二氧化硅、氮化硅或高分子绝缘材料；

半导体层可采用各种有机半导体材料，如并五苯、聚噻吩、聚芴或聚咔唑；

栅极、第一层电极及第二层电极所用材料成分可以是金属、高掺杂的硅无机导电材料，也可以是聚乙炔、聚苯胺有机高分子导电材料。

制备绝缘层的技术有：磁控溅射、化学气相沉淀、阳极氧化、热氧化、旋涂、印刷等；制备半导体薄膜技术包括真空热蒸发、旋转涂覆、挂膜、印刷、喷墨打印、喷涂、等离子体聚合等；制备电极薄膜采用真空热蒸发、磁控溅射和电子束蒸发技术，并且使用掩模、光刻、等离子刻蚀等技术控制图形。

本发明所述的有机薄膜晶体管更具体的制备方法包括如下步骤：

(1)用真空热蒸发、磁控溅射和电子束蒸发技术制备一层栅极薄膜；

(2)绝缘层膜用磁控溅射或化学气相沉淀直接制备，或采用热氧化、阳极氧化的金属或硅片的表面来制备，对于有机高分子绝缘材料可用旋涂、印刷的方法成膜；

(3)第一层电极采用掩模技术控制图形，用真空蒸镀或磁控溅射的方法成膜，完成制膜程序后再移除掩模板。

(4)用真空热蒸发、旋转涂覆、挂膜、印刷、喷墨打印、喷涂、等离子体聚合方法之一制备有机高分子半导体薄膜。

(5)第二层电极可以采用真空蒸镀或磁控溅射等方法成膜，采用光刻或者等离子体刻蚀或者掩模技术控制图形。

其中电极材料要根据半导体材料的能带结构来选择。当所用半导体材料是n型(电子型)时，第一、二电极之一应使用较低功函数的金属材料，如钡、铝等；当所用半导体材料是p型(空穴型)时，第一、二电极之一应使用较高功函数的金属材料，如金、铂等。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明所提出的结构的“底漏极-顶源极”的薄膜晶体管比其它传统结构的薄膜晶体管有较高的载流子迁移率和较大的输出电流。另外，本发明所提出的结构能够实现极小的沟道长度，因为漏极和源极分别位于有机半导体层(5)的两侧，即使相互交叠也不会相互接触。在极限的情况下，源极和漏极刚好不交叠，其导电沟道的长度与半导体层的厚度相当(～100nm)，远远小于采用掩模或光刻技术所能达到的最小沟道长度。因此本发明所提出的结构能够极大地提高薄膜晶体管的输出电流，降低工作电压，减小晶体管器件的面积，这有利于提高有机电致发光器件的开口率。例如：使用传统的光刻技术所能达到的精度约为10微米，假设电极本身的宽度为100微米而器件所需达到的宽长比为100，则要求导电沟道的宽度等于1000微米，整个晶体管器件的面积约占0.11平方毫米；如果使用本发明所提出的结构，假设膜厚为0.1微米，则所需要的沟道宽度为10微米，器件的面积只占0.001平方毫米，约为传统结构器件的一百分之一。可见，本发明在提供大电流输出和减少器件面积方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1本发明有机薄膜晶体管结构示意图；

图2是图1中的有机薄膜晶体管的“底漏极-顶源极”结构的电流-电压曲线图。

图3是图1中的有机薄膜晶体管的“底漏极-顶源极”结构的转移特性曲线图。

具体实施方式

实施例1

采用玻璃作为晶体管器件的衬底，用直流磁控溅射法在其上面制备一层Ta薄膜作为栅极。溅射过程在10^-3pa的真空度下进行，薄膜生长温度控制在50℃，溅射功率为150W，时间为25min，厚度为560nm。栅绝缘层采用阳极氧化的方法制备，阳极氧化在0.01M的柠檬酸溶液中进行，Ta薄膜基片部分浸入溶液作为阳极，阴极材料使用铂。氧化中所使用的电源是KEITHLEY 2410 1100VSource-Meter，氧化成厚度为200nm的Ta₂O₅薄膜，其电容率Ci大约为9.3×10^-8F/cm²。漏极(4)使用钽，采用磁控溅射的方法制备，通过掩模板沉淀在Ta₂O₅绝缘层上。半导体材料使用PTCDI-C12(N，N′-didodecyl-3，4，9，10-perylene tetracarboxylic diimides)，可用真空蒸镀的方法制备，其化学结构式下式所示，

式中n＝12。

将镀好有机半导体层的基片固定在另外一个掩模板上，再用磁控溅射的方法镀上钽Ta作为源极。在真空或氮气中测试。由于PTCDI-C12是n型半导体材料，所以漏极应加正电压，源极接地，栅极加正偏压对于p型半导体材料，漏极应加负电压，源极接地，栅极加负偏压。图2分别示出了“底漏极-顶源极”薄膜晶体管的不同栅和源之间偏压下的电流-电压输出特性曲线和源漏电流与栅电压之间的转移特性曲线。图2表明“底漏极-顶源极”结构的薄膜晶体管与顶电极接触和底电极接触结构的晶体管一样，都具有饱和特性，并且饱和电流随着正向栅压的增大而增大；图2表明源漏电流随栅电压的提高而增加，并可以算出PTCDI-C12的电子迁移率为0.11cm²/vs，数值高于如表1所示的其它结构的薄膜晶体管。

实施例2

用溅射的钽做栅极，将钽表面进行阳极氧化形成五氧化二钽作为绝缘层，用苝系材料N，N′-didodecyl-3，4，9，10-perylene tetracarboxylic diimides(PTCDI-C12)作有机半导体层，用金属钽作第一和第二层电极制备上下双层电极接触型的薄膜晶体管。其中的“底漏极-顶源极”器件的电学性能如图2所示，不同结构的薄膜晶体管载流子迁移率示于表1。

表1

结构	底漏极-顶源极	顶漏极-底源极	顶接触	底接触V<sub>G</sub>＞14
					迁移率(cm<sup>2</sup>/vs)	0.11	4×10<sup>-4</sup>	0.1	0.03

其中，顶接触：电极(4)和电极(6)均在有机半导体层(5)的上面；底接触：电极(4)和电极(6)均在有机半导体层(5)的下面。

通过比较传统结构(顶电极接触和底电极接触结构)，说明本发明所提出的结构的优势。表1的结果说明：在其它各部分结构和使用材料都相同的情况下，本发明所提出的“底漏极-顶源极”结构的薄膜晶体管具有最高的迁移率(1.1cm²/Ns)。此外，本发明所提出的“底漏极-顶源极”结构的薄膜晶体管的饱和电流随着漏极电压的增大而持续增大，因此，可以通过增加漏极电压的方法来提高工作电流，这是其它传统薄膜晶体管结构所不具备的性能。

如图3所示，源漏电压为12V时，漏极电流的0.5次方相对于栅极偏压的变化。场效应迁移率用饱和区的OTFT的沟道电流公式来计算：

$I_{\mathrm{Dsat}}=\frac{W{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{sat}}\mathrm{Ci}}{2L}{(V_G-V_T)}^2$

其中W和L分别代表沟道的宽度和长度，C_i是栅绝缘层单位面积的电容，V_T是阈值电压，μ_sat是饱和区场效应迁移率.由图3可知V_T约为5V，μ_sat正比于V＞V_T区的斜率，代入数值得μ_sat约为0.11cm²/vs。

Claims (5)

1、一种有机薄膜晶体管器件，其特征在于由栅极、绝缘层、第一层电极、半导体层、第二层电极依次层叠构成；第一层电极作为漏极时，第二层电极作为源极；第一层电极作为源极时，则第二层电极作为漏极；漏极和源极分别位于有机半导体层的两侧，并在有机半导体层两侧上下错开。

2、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述绝缘层采用金属氧化物、二氧化硅、氮化硅或有机高分子绝缘材料；半导体层采用有机或无机的半导体材料；栅极、第一层电极及第二层电极采用无机导电材料或有机高分子导电材料。

3、根据权利要求2所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述无机导电材料是金属、高掺杂的硅或金属氧化物；所述有机高分子导电材料为聚乙炔或聚苯胺。

4、根据权利要求3所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述半导体层采用非晶硅、并五苯、聚对苯乙炔、聚咔唑、聚芴或聚噻吩。

5、一种制备权利要求1所述有机薄膜晶体管器件的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)用真空热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发方法制备一层栅极薄膜；

(2)绝缘层膜用磁控溅射或化学气相沉淀直接制备，或采用热氧化或阳极氧化各种金属或硅片的表面来制备，对于有机高分子绝缘材料用旋涂或印刷的方法成膜；

(3)第一层电极采用掩模技术布置形状，用真空蒸镀或磁控溅射的方法成膜；

(4)用真空热蒸发、旋转涂覆、挂膜、印刷、喷墨打印、喷涂、等离子体聚合方法之一制备有机高分子半导体薄膜；

(5)第二层电极采用真空蒸镀或磁控溅射方法成膜，采用光刻、掩模技术控制电极形状。

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