CN101127387A - 一种简化结构的有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简化结构的有机薄膜晶体管，基板为刚性衬底或柔性衬底，其特征在于：在所述基板正面设置有呈平面排列的源电极、漏电极和栅电极，在呈平面结构的源电极、漏电极和栅电极上设置有有机栅绝缘膜，在所述有机栅绝缘膜的表面设置有有机半导体膜。本发明的有益效果如下：①有机薄膜晶体管的源电极、漏电极和栅电极采用平面结构排列，可通过一次光刻完成，简化了制作工艺；②避免了传统的有机薄膜晶体管需要在绝缘层上光刻源漏电极的过程，增加了器件的稳定性，尤其适合柔性基板的有机薄膜晶体管的制作；③器件制作的良品率有很大提高。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件，具体涉及一种简化结构的有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
通常的晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管，双极晶体管是电流控制器件，而场效应晶体管工作过程和电子管十分相似，是电压控制器件，就是通过改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。随着有机半导体材料的发现和发展，人们开始尝试利用有机物替代无机材料充当载流子传输层，而利用有机材料充当载流子传输层的薄膜场效应晶体管也就被称为有机薄膜场效应晶体管(organic thin-film field-effect transistor，OTFT)。
1994年，Gamier等人利用打印法制备了全聚合物的OTFT，得到的晶体管场效应载流子迁移率达到0.06cm2/Vs，为OTFT的廉价和大面积制备打下了基础。1995年，Haddon等人用C60作为半导体材料来制备OTFT，在高真空条件下该器件载流子迁移率为0.08cm2/Vs，开关电流比达到106。至此高性能的n型OTFT也被研制出来，完成了组建有机集成电路所需要的高性能p型和n型两种类型的OTFT的研制。1997年，Lin等人使用并五苯材料作为半导体材料得到载流子迁移率为1.5cm2/Vs、开关电流比达到108、亚阈区斜率小于1.6V/decade的OTFT，该OTFT性能已经超过了现在使用的无定型硅晶体管，而且OTFT在制造成本、制备条件等方面比无定型硅晶体管具有很大的优势，使得OTFT工业化道路的前景变得更加广阔。
与结型晶体管相比，场效应晶体管能够达到更高的工作速率、更低的功率消耗、更大的封装密度，因此它们在存储器、便携式电子计算机、自动化电子设备、数据传送设备、随机逻辑系统中有着广泛的应用。OTFT不但具有一般无机场效应晶体管特有的优点，更具有以下的优点：
(1)有机薄膜技术更多，更新，使得器件的尺寸能够更小，集成度更高，使得应用OTFT的电子元器件可以达到更高的运算速度和更小的操作功率。利用有机薄膜大规模制备技术，可以制备大面积的器件。
(2)通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性能的材料，因此通过对有机半导体材料进行改性就能够使OTFT的电学性能达到理想的结果。
(3)有机材料比较容易获得，OTFT的制作工艺也更为简单，制备条件更加温和，能够有效地降低器件的成本。
(4)全部由有机材料制备的全有机场效应晶体管具有非常好的柔韧性，使得它可以应用在抗震、抗破碎要求高的领域。
OTFT的上述特点决定了它有着非常广阔的应用前途，因此人们在对OTFT器件制备工艺和机理进行研究的同时，对相关的应用研究也投入了很大的精力。在有机存储、有机集成电路、有机有源点阵显示和有机传感器方面的研究都取得了较大的进展。
OTFT的结构与无机薄膜场效应晶体管结构相似，但是由于有机材料本身的特性，因此有机场效应晶体管一般采用倒置型结构，即在场效应晶体管的栅极上构筑整个器件。通常的OTFT结构分为源漏在顶(Top-contact)和源漏在底(Bottom-contact)两种结构，它们的结构示意图如图1所示。
源漏在顶结构的主要特点是源极和漏极远离基片，在制备半导体层以后再制备源漏电极。而源漏在底结构的主要特点就是在制备完绝缘层后直接制备源漏电极，最后在源漏电极上再制备半导体层。两种不同的结构各有优缺点，源漏在顶结构可以通过对绝缘层的修饰和改性来改变半导体层的结构和形貌，从而提高器件的载流子迁移率，同时该结构中半导体层受栅极电场影响的面积大于源漏在底结构，因此具有较高的载流子迁移率。源漏在底结构可以通过光刻方法制备栅极和在绝缘层上制备源漏电极，工艺制备上比源漏在顶端简化。因此，改进有机薄膜晶体管的制作工艺对简化其制作过程十分重要，并对制作大面积的有极薄膜晶体管具有积极的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种简化结构的有机薄膜晶体管及其制备方法，该有机薄膜晶体管采用全新的平面结构，避开了在绝缘层上光刻源电极、漏电极的过程，简化了有机薄膜晶体管制作的工艺过程，为有机薄膜晶体管的产业化降低了成本和工艺要求。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：构造一种简化结构的有机薄膜晶体管，基板为刚性衬底或柔性衬底，其特征在于：在所述基板正面设置有呈平面排列的源电极、漏电极和栅电极，在呈平面结构的源电极、漏电极和栅电极上设置有有机栅绝缘膜，在所述有机栅绝缘膜的表面设置有有机半导体膜。
按照本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的柔性衬底是超薄玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种。
按照本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机栅绝缘膜厚度在1nm～1000nm，材料为介电高分子材料，该有机高分子材料包括聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、APC、PAA、PC、PU中的一种或者多种。若采用PMMA材料，其最佳厚度在400nm左右，若采用PI，其最佳厚度在300nm左右。
按照本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、APC、PAA、PC、PU的分子结构式为：
按照本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅电极为金属或者导电薄膜，如Al、Au、Cu、Cr、Ag等，或者是具有良好的物理性质、化学性质和与例如氧化铟锡(ITO)或氧化锌锡(IZO)等导电薄膜。
按照本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体膜材料为以下材料中的一种或者多种：并四苯、并五苯及其具有取代基的衍生物；低聚噻吩，其包含连接在噻吩环的第2、5位置的四至八个噻吩；茈四甲酸二酐(PTCDA)，萘四甲酸二酐(NTCDA)，及其酰亚胺衍生物；金属化酞菁及其卤代衍生物；亚噻吩基和1，2-亚乙烯基的低共聚物和共聚物。其有代表性的分子式如下：
一种简化结构的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①先对刚性衬底或柔性衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
②在刚性衬底或柔性衬底的表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀金属或者透明导电薄膜；
③通过光刻的方法刻蚀源电极、漏电极或栅电极的图形；
④在蒸镀镀有电极的刚性衬底或柔性衬底的表面通过直接旋涂的方法旋涂上有机栅绝缘膜，或者通过旋涂聚合物单体然后通过聚合的方法形成有机栅绝缘膜；
⑤对形成的有机栅绝缘膜进行加热；
⑥然后在有机栅绝缘膜上蒸镀有机半导体膜；
按照本发明所提供的结构简化的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤④中，在蒸镀镀有电极的刚性衬底或柔性衬底的表面旋涂有单层或者多层有机栅绝缘膜。
本发明的有益效果如下：①有机薄膜晶体管的源电极、漏电极和栅电极采用平面结构排列，可通过一次光刻完成，简化了制作工艺；②避免了传统的有机薄膜晶体管需要在绝缘层上光刻源漏电极的过程，增加了器件的稳定性，尤其适合柔性基板的有机薄膜晶体管的制作；③器件制作的良品率有很大提高。
附图说明
图1是现有技术中OTFT的结构示意图；
图2是本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管结构示意图；
图3是本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管的制作流程图；
图4是本发明所提供的简化结构的有机薄膜晶体管的传输特性曲线和迁移率。
其中，1、半导体层，2、源极，3、栅极，4、漏极，5、绝缘层，6基板，100、基板，110、有机半导体膜，120、有机栅绝缘膜，130、漏电极，140、源电极，150、栅电极。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图2所示结构中，采用玻璃衬底作为基板100，采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为有机栅绝缘膜120材料，源电极140、漏电极130和栅电极150采用DC磁控溅射的Cr金属作为电极层，有机半导体膜110采用并五苯(pentacene)。
制备方法如图3所示：
①先对玻璃基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在玻璃基板的表面通过DC磁控溅射的方法蒸镀Cr金属；
③通过光刻的方法刻蚀源电极、漏电极和栅电极的图形；
④在蒸镀有电极的玻璃基板的表面通过直接旋涂的方法旋涂上有机栅绝缘膜PMMA；
⑤对形成的有机栅绝缘膜PMMA进行加热烘烤；
⑥然后在有机栅绝缘膜PMMA上蒸镀有机半导体膜并五苯(pentacene)；
⑦测试该有机薄膜晶体管的特性参数。
该简化结构的有机薄膜晶体管的传输特性曲线和迁移率如图4所示。
实施例2
如图2所示结构中，采用PET柔性衬底作为基板100，采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为有机栅栅绝缘膜120材料，源电极140、漏电极130和栅电极150采用DC磁控溅射的透明导电薄膜ITO作为电极层，有机半导体膜110采用并五苯(pentacene)。
制备方法如图3所示：
①先对柔性衬底PET进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在柔性衬底PET的表面通过DC磁控溅射的方法蒸镀透明导电薄膜ITO；
③通过光刻的方法刻蚀源电极、漏电极和栅电极的图形；
④在蒸镀有ITO电极的柔性衬底PET的表面通过直接旋涂的方法旋涂上有机栅绝缘膜PMMA；
⑤对形成的有机栅绝缘膜PMMA进行加热烘烤；
⑥然后在有机栅绝缘膜PMMA上蒸镀有机半导体膜并五苯(pentacene)；
⑥测试该有机薄膜晶体管的特性参数。
Claims (8)
1.一种简化结构的有机薄膜晶体管，基板为刚性衬底或柔性衬底，其特征在于：在所述基板正面设置有呈平面排列的源电极、漏电极和栅电极，在呈平面结构的源电极、漏电极和栅电极上设置有有机栅绝缘膜，在所述有机栅绝缘膜的表面设置有有机半导体膜。
2.根据权利要求1所述的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的柔性衬底是超薄玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种。
3.根据权利要求1所述的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机栅绝缘膜厚度在1nm～1000nm，材料为介电高分子材料，该有机高分子材料包括聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、APC、PAA、PC和PU中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、APC、PAA、PC和PU的分子结构式分别为(I)～(IX)：
5.根据权利要求1所述的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅电极为金属或者导电薄膜。
6.根据权利要求1所述的简化结构的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体膜材料为以下材料中的一种或者多种：并四苯、并五苯及其具有取代基的衍生物；低聚噻吩，其包含连接在噻吩环的第2、5位置的四至八个噻吩；茈四甲酸二酐，萘四甲酸二酐，及其酰亚胺衍生物；金属化酞菁及其卤代衍生物；亚噻吩基和1，2-亚乙烯基的低共聚物和共聚物。
7.一种简化结构的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①先对刚性衬底或柔性衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
②在刚性衬底或柔性衬底的表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀金属或者透明导电薄膜；
③通过光刻的方法刻蚀源电极、漏电极或栅电极的图形；
④在蒸镀镀有电极的刚性衬底或柔性衬底的表面通过直接旋涂的方法旋涂上有机栅绝缘膜，或者通过旋涂聚合物单体然后通过聚合的方法形成有机栅绝缘膜；
⑤对形成的有机栅绝缘膜进行加热；
⑥然后在有机栅绝缘膜上蒸镀有机半导体膜。
8.根据权利要求7所述的结构简化的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤④中，在蒸镀镀有电极的刚性衬底或柔性衬底的表面旋涂有单层或者多层有机栅绝缘膜。
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