CN101150174A - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

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蒋亚东
张磊
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Abstract

本发明公开了一种有机薄膜晶体管，包括Si基板，其特征在于：所述Si基板的背面设置栅电极，所述Si基板的正面设置有单层或者多层有机栅绝缘膜，所述有机栅绝缘膜的上端蒸镀有漏电极和源电极，所述漏电极、源电极和有机栅绝缘膜的表面覆盖有有机半导体膜。该晶体管引入了有机绝缘层，代替传统的SiO2绝缘层，降低了工艺温度，简化了制作过程，可在常温下制备，并且适合大面积器件的制作。

Description

一种有机薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子元器件，具体涉及电子元器件中的有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
伴随着信息终端的普及，作为计算机用的显示器，对平板显示器的需求不断高涨。此外，伴随着信息化的进展，以往以纸介质提供的信息改以电子化形式提供的机会增加，作为薄且轻、可以轻便携带的便携用显示媒体，对电子文件或数字文件的需求不断高涨。
一般在平板型的显示装置中，使用利用了液晶、有机EL、电泳等的元件形成显示媒体。此外，对于这样的显示媒体，为了确保画面辉度的均匀性或画面书写转换速度等，使用由薄膜晶体管(TFT)构成的有源驱动元件作为图像驱动元件的技术已成为主流。
这里，TFT元件通常通过在玻璃基板上按顺序形成主要是a-Si(非晶硅)、p-Si(多晶硅)等半导体薄膜，以及源电极、漏电极、栅电极等金属薄膜而制造。在使用该TFT的平板显示器的制造中，通常除了CVD、溅射等需要真空设备和高温处理工序的薄膜形成工序外还需要精度高的光刻蚀工序，设备成本、生产线成本的负担非常大。此外，伴随着近年来显示器大画面化的需求，这些成本变得非常高昂。
近年来，使用有机半导体材料的薄膜晶体管(OTFT)的开发在加速进行。使用有机材料，工艺温度降低了。因此，预期可在大面积上廉价制作晶体管。有机薄膜晶体管预计会用作超薄显示器和电子纸、射频识别卡(RF.ID)、IC卡等的驱动电路。为使有机薄膜晶体管工作，在源电极接地，漏电极施加漏极电压的条件下，对栅电极施加的电压要超过阈值电压。此时，有机薄膜晶体管的电导率因栅极电场而改变，使得电流在源电极与漏电极间流动。因此，作为开关，就可根据栅压对源电极与漏电极间流动的电流进行通、断控制。
迄今，已报导了用Si片之外的材料作为衬底来制作有机薄膜晶体管的研究成果。然而，几乎没有迁移率超过0.1cm2/Vs的实例。当在PET上制作晶体管时，最高迁移率为0.05cm2/Vs。但是在Si晶片上做有机薄膜晶体管，一般的工艺是采用在Si基板上做SiO2来做绝缘层，这需要热氧化工艺来完成。这就需要把Si片置于通有氧气的高温环境内(900℃～1200℃)，硅片表面的硅和氧气发生反应，形成SiO2，氧化在氧化炉管中完成。这个工艺过程需要高温环境和高温设备，对于大规模制作有机薄膜晶体管来讲，从工艺和制作时间上都是很长的。因此，改善绝缘层制作工艺对简化有机薄膜晶体管的制作工艺十分重要，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有机薄膜晶体管及其制备方法，该晶体管利用有机介电材料来代替传统的SiO2的高温氧化工艺制作有极薄膜晶体管的绝缘层，简化了有机薄膜晶体管的制作过程，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：构造一种有机薄膜晶体管，包括Si基板，其特征在于：所述Si基板的背面设置栅电极，所述Si基板的正面设置有单层或者多层有机栅绝缘膜，所述有机栅绝缘膜的上端蒸镀有漏电极和源电极，所述漏电极、源电极和有机栅绝缘膜的表面覆盖有有机半导体膜。
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，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。
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，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：
Figure A20071004991100071
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，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金属、Au金属、Cu金属、Cr金属、Ag金属等，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有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体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。其典型的分子式如下：
Figure A20071004991100081
一种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Si基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在Si基板的表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极；
③通过光刻的方法刻蚀栅电极的图形；
④在镀有栅电极的Si基板的另一侧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烘烤；
⑥然后在有机栅绝缘膜上蒸镀源电极和漏电极；
⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；
⑧把已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖有机栅绝缘膜的Si基板放入真空蒸镀有机半导体膜。
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤④中，有机栅绝缘膜通过旋涂方法一次成膜或者分多次成膜于Si基板上。
本发明的有益效果如下：
①采用有机材料作为栅绝缘膜，代替SiO2薄膜的高温热氧化方法，可以在常温下制作；②有机绝缘膜的制作采用旋涂方式或者是旋涂聚合物单体以后，再聚合，便于大面积的制作，而且大大简化制作工艺，降低制作成本；③简化有机薄膜晶体管的制作方法，便于制作。
附图说明
图1是本发明所提供的有机薄膜晶体管结构示意图；
图2是本发明所提供的有机薄膜晶体管的制作流程图；
图3本发明所提供的有机薄膜晶体管的传输特性曲线和迁移率。
其中，100、Si基板，110、栅电极，120、有机栅绝缘膜，130、源电极，140、漏电极，150、有机半导体膜。
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1所示结构中，采用Si衬底100，采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为有机栅绝缘膜120，栅电极110采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜。源电极130采用Cr金属薄膜作为电极层，漏电极140也采用Cr金属薄膜作为电极层。有机半导体膜150采用并五苯(pentacene)。
制备方法如图2所示：
①先对Si基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在Si基板的表面通过DC磁控溅射的方法蒸镀栅电极；
③通过光刻的方法刻蚀ITO栅电极图形；
④在镀有栅电极的Si基板的另一侧通过旋涂的方法旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯PMMA有机栅绝缘膜；
⑤对形成的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA有机栅绝缘膜进行加热烘烤；
⑥然后在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA有机栅绝缘膜上蒸镀Cr金属源电极和Cr金属漏电极；
⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；
⑧把已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖有机栅绝缘膜的Si基板放入真空蒸镀有机半导体膜并五苯。
⑨测试有机薄膜晶体管的特性参数。
实施例2
如图1所示结构中，采用Si衬底100，采用聚酰亚胺(PI)作为有机栅绝缘膜120，栅电极110采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜。源电极130采用Ag金属薄膜作为电极层，漏电极140也采用Ag金属薄膜作为电极层。有机半导体膜150采用酞菁铜(CuPc)。
制备方法如图2所示：
①先对Si基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在Si基板的表面通过热蒸发的的方法蒸镀Ag作为栅电极；
③通过光刻的方法刻蚀ITO栅电极图形；
④在镀有栅电极的Si基板的另一侧通过旋涂的方法旋涂上聚酰亚胺(PI)有机栅绝缘膜；
⑤对形成的聚酰亚胺(PI)有机栅绝缘膜进行加热烘烤；
⑥然后在聚酰亚胺(PI)有机栅绝缘膜上蒸镀Ag金属源电极和Ag金属漏电极；
⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；
⑧把已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖有机栅绝缘膜的Si基板放入真空蒸镀有机半导体膜酞菁铜(CuPc)。
⑨测试有机薄膜晶体管的特性参数。
实施例3
如图1所示结构中，采用Si衬底100，采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为有机栅绝缘膜120，栅电极110采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜。源电极130采用Cr金属薄膜作为电极层，漏电极140也采用Cr金属薄膜作为电极层。有机半导体膜150采用并五苯(pentacene)。
制备方法如图2所示：
①先对Si基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在Si基板的表面通过DC磁控溅射的方法蒸镀栅电极；
③通过光刻的方法刻蚀ITO栅电极图形；
④在镀有栅电极的Si基板的另一侧通过旋涂的方法旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的单体，然后通过聚合的方法形成有机栅绝缘膜；
⑤对形成的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA有机栅绝缘膜进行加热烘烤；
⑥然后在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA有机栅绝缘膜上蒸镀Cr金属源电极和Cr金属漏电极；
⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；
⑧把已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖有机栅绝缘膜的Si基板放入真空蒸镀有机半导体并五苯。
⑨测试有机薄膜晶体管的特性参数。

Claims (7)

1.一种有机薄膜晶体管，包括Si基板，其特征在于：所述Si基板的背面设置栅电极，所述Si基板的正面设置有单层或者多层有机栅绝缘膜，所述有机栅绝缘膜的上端蒸镀有漏电极和源电极，所述漏电极、源电极和有机栅绝缘膜的表面覆盖有有机半导体膜。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，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、聚苯乙烯和聚乙烯醇、聚酰亚胺、APC、PAA、PC、PU中的一种或者多种。
3.根据权利要求2所述的有机薄膜晶体管，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、PU的分子结构式分别为(I)～(IX)：
Figure A2007100499110002C1
Figure A2007100499110003C1
4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，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。
5.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体膜材料为具有高载流子迁移率的功能材料，包括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(thiophene oligomer)，其包含连接在噻吩环的第2、5位置的噻吩；噻吩聚合物；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；C60，C70，及其衍生物；二萘嵌苯(perylene)，及其衍生物；coronene，及其衍生物。
6.一种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Si基板进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在Si基板的表面通过真空蒸镀或者溅射的方法蒸镀栅电极；
③通过光刻的方法刻蚀栅电极的图形；
④在镀有栅电极的Si基板的另一侧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烘烤；
⑥然后在有机栅绝缘膜上蒸镀源电极和漏电极；
⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；
⑧把已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖有机栅绝缘膜的Si基板放入真空腔体蒸镀有机半导体膜。
7.根据权利要求6所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤④中，有机栅绝缘膜通过旋涂方法一次成膜或者分多次成膜于Si基板上。
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