CN101257092B

CN101257092B - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法

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Publication number: CN101257092B
Application number: CN2008100445283A
Authority: CN
Inventors: 于军胜; 李璐; 张磊; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-04-03
Also published as: CN101257092A

Abstract

本发明公开了一种有机薄膜晶体管，包括基板、栅电极、绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，结构组成为顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式中的一种，其特征在于：还包括结合层，所述结合层由电子型有机半导体材料中的一种或多种构成，所述电子型有机半导体材料包括小分子电子传输材料、小分子电子注入材料、介电性聚合物高分子材料以及三者的掺杂体系。结合层修饰有机半导体层的界面，提高器件的迁移率和开关比，降低器件的夹断电压，同时利用起始栅极电压调控器件的阈值电压。该有机薄膜晶体管由于其制备工艺简单、成本低和柔韧性好等优点，在智能卡、电子商标、电子纸、存储器、传感器和有源矩阵显示器等应用方面前景广阔。

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技术领域，具体涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，对于显示媒体，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。

有机薄膜晶体管(OFET)工作原理是：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。

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。因此，预期可在大面积上廉价制作晶体管。有机薄膜晶体管制备工艺简单、成本低和柔韧性好等优点，在智能卡、电子商标、电子纸、存储器、传感器和有源矩阵显示器等应用方面前景广阔。

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大量实例。1994年，Garnier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。

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，目的是要优化有机薄膜晶体管的制作工艺，提高有机薄膜晶体管的性能，大幅降低有机薄膜晶体管的成本，为有机薄膜晶体管的产业化降低工艺要求和成本。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种有机薄膜晶体管，包括基板、栅电极、绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，结构组成为顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式中的一种，其特征在于：还包括结合层，所述结合层由电子型有机半导体材料中的一种或多种构成，所述电子型有机半导体材料包括小分子电子传输材料、小分子电子注入材料、介电性聚合物高分子材料以及三者的掺杂体系。

按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述结合层和有机半导体层采用相同材料或者不同材料，或者由结合层材料和有机半导体层材料混合掺杂共同承担结合层和半导体层的作用。

按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述介电性聚合物高分子材料包括PS、PMMA、PC、PU、PI、APC或PAA，化学结构式是如下：

按照本发明所提供有机薄膜晶体管，其特征在于，所述小分子电子传输材料或者小分子电子注入材料是具有较强的电子传导能力或者注入能力和成膜性能，包括金属配合物材料、噁二唑类电子传输材料和咪唑类电子传输材料或者含有接收电子基团的小分子材料。

按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述金属配合物材料是8-羟基喹啉铝或者8-羟基喹啉镓或者双[2-(2-羟基苯基-1)-吡啶]铍，所述噁二唑类电子传输材料为2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑，所述咪唑类电子传输材料为1，3，5-三(N-苯基-2-苯并咪唑-2)苯、PBD、BCP或TPBI。典型结构式如下：

aR＝t-butyl

bR＝O(CH₂)₁₁CH₃

R＝C₆H₁₃X＝Br R＝C₆H₁₃X＝Br

R＝C₆H₁₃X＝Ph R＝C₆H₁₃X＝Ph

R＝H X＝Br

a，R＝Hb，R＝OC₄H₉c，R＝t-Bu

按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述漏电极和源电极为金属或者导电薄膜，如Al金属、Au金属、Cu金属、Cr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，所述绝缘层材料为乙烯基吡咯烷酮(PVP，poly-vinyl-pyrrolidone)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，poly-methly-methacrylate)，结构式如下：

按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层包括含接收电子基团的化合物，所述含接受电子基团的化合物包括C₆₀及其衍生物、Perylene及其衍生物、PTCDI-R、NTCDI-R、BBL、TCNNQ、DFH_nT和F₁₆CuPc。

按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述基板是刚性衬底或者柔性衬底，为Si、超薄玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种，栅极材料为金、银、铝、镍和铟锡氧化物中的一种。

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先对基板进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在基板的表面制备栅电极；

③通过光刻的方法刻蚀栅电极的图形；

④在栅电极的上面制备绝缘层；

⑤对制备的绝缘层进行处理；

⑥然后在绝缘层上制备源电极，漏电极；

⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；

⑧对已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖有机绝缘薄膜的基板制备结合层和有机半导体层；

其中所述结合层是通过真空蒸镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式而形成；所述绝缘层为单层旋涂或多层旋涂(厚度在200nm～500nm)。

本发明所提供的有机薄膜晶体管，所用材料为有机物/高分子，因而材料的选择范围宽，可实现高迁移率和开关比，降低器件的夹断电压，改善绝缘层和有机半导体层的接触以及载流子的注入，可制成柔性器件；器件超薄，体积小，重量轻；所述结合层的作用是修饰有机半导体层的界面，提高器件中电子的注入与传输，提高器件的迁移率和开关比，降低器件的夹断电压，同时利用起始栅极电压调控器件的阈值电压。有机材料以其固有的多样性为材料选择提供了宽广的范围，通过对有机分子结构的设计、组装和剪裁，能够满足多方面不同的需要。还有，制备方法合理简单，易于操作。此工艺对简化有机薄膜晶体管的制作工艺有重要意义，对制作大面积的有极薄膜晶体管具有积极的意义。

附图说明

图1是本发明所提供的顶部接触式有机薄膜晶体管结构示意图。

图2是本发明所提供的底部接触式有机薄膜晶体管机构示意图。

图3是本发明所提供的顶部栅极式有机薄膜晶体管结构示意图。

其中，基板1，栅电极2，绝缘层3，结合层4，有机半导体层5，源电极6，漏电极7。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的技术方案是提供一种有机薄膜晶体管，如图1、2和3所示，器件的结构包括基板1，栅电极2，绝缘层3，结合层4，有机半导体层5，源电极6，漏电极7。

本发明中基板1为电极和有机薄膜层的依托，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整性。

本发明中栅极2位于基板背面，材料可采用普通的金属制成。这种金属的具体实例包括，但不限于，金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、铟锡氧化物(ITO)。

本发明中绝缘膜3，厚度在200nm～500nm之间，可单层旋涂也可以多层旋涂。材料采用有机高分子材料，在基板的整个表面上形成有机材料绝缘层。有机材料可以包括聚乙烯基吡咯烷酮(PVP，poly-vinyl-pyrrolidone)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，poly-methyl-methacrylate)之一。

本发明中结合层4是由电子型有机半导体材料的一种或者几种组成。所述电子型有机半导体材料包括采用介电性聚合物高分子材料和小分子电子传输材料或者小分子电子注入材料的掺杂体系，小分子电子传输材料或者小分子电子注入材料的一种或者几种。所述电子型有机半导体材料可以具有下列的形式：材料A(介电性有机聚合物)+材料B(小分子电子传输材料或者小分子电子注入材料)，材料A或者材料B的一种或者几种：材料A是PS，PMMA，PC，PU，PI，APC，PAA等典型的介电性聚合物。

材料B是各种小分子电子传输材料或者小分子电子注入材料，应具有较强的电子传导能力或者注入能力以及成膜性能，包括金属配合物材料、噁二唑类电子传输材料或者咪唑类电子传输材料或者含有接收电子基团的小分子材料，所述金属配合物材料是8-羟基喹啉铝或者8-羟基喹啉镓或者双[2-(2-羟基苯基-1)-吡啶]铍，所述噁二唑类电子传输材料是2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑，所述咪唑类电子传输材料是1，3，5-三(N-苯基-2-苯并咪唑-2)苯。

本发明中有机半导体层5，可包括含有接收电子基团的化合物，如：C₆₀及其衍生物或者Perylene及其衍生物、PTCDI-R、NTCDI-R、BBL、TCNNQ、DFH_nT、F₁₆CuPc。。

本发明中源6，漏极7，是具有一定厚度的金属或者导电薄膜，如Al金属、Au金属、Cu金属、Cr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。

以下是本发明的具体实施例：

实施例1

如图1所示，器件的结构中的基板1，栅电极2，绝缘层3，结合层4，有机半导体层5，源电极6，漏电极7。

器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP，结合层为Alq₃，有机半导体层用C₆₀，源、漏电极为Au。

制备方法如下：

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Au；

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板的另一侧通过旋涂的方法旋涂上有机绝缘层PVP，有机绝缘层PVP可以一次旋涂成膜，也可以分多次旋涂于Si基板上；

⑤对旋涂上的有机绝缘层PVP进行加热烘烤；

⑥把已覆盖有机绝缘薄膜PVP的Si基板旋涂结合层Alq₃，然后放入真空蒸发有机半导体膜C₆₀；

⑦然后在有机半导体层C₆₀上蒸镀源电极，漏电极Au。通过光刻形成源电极，漏电极图案。

实施例2

如图2所示，器件的结构中的基板1，栅电极2，绝缘层3，结合层4，有机半导体层5，源电极6，漏电极7。

器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP，结合层为BCP，有机半导体层用C₆₀，源、漏电极为Au。

器件的制备流程与实施例1相似。

实施例3

如图3所示，器件的结构中的基板1，栅电极2，绝缘层3，结合层4，有机半导体层5，源电极6，漏电极7。

器件的基板为Si，栅极为Au，绝缘层为PVP，结合层为TPBI，有机半导体层用C₆₀，源、漏电极为Au。

Claims

1.一种有机薄膜晶体管，包括基板、栅电极、绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，结构组成为顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式中的一种，其特征在于：还包括结合层，所述结合层由电子型有机半导体材料中的一种或多种构成，所述电子型有机半导体材料包括小分子电子传输材料和介电性聚合物高分子材料的掺杂体系或者小分子电子注入材料和介电性聚合物高分子材料的掺杂体系，并且该电子型有机半导体材料位于有机半导体层和绝缘层之间。

2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述结合层和有机半导体层采用相同材料或者不同材料。

3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述介电性聚合物高分子材料包括PS、PMMA、PC、PU、PI、APC或PAA。

4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述小分子电子传输材料或者小分子电子注入材料具有电子传导能力或者注入能力和成膜性能，包括金属配合物材料、噁二唑类电子传输材料、咪唑类电子传输材料、PBD、BCP和TPBI。

5.根据权利要求4所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述金属配合物材料是8-羟基喹啉铝或者8-羟基喹啉镓或者双[2-(2-羟基苯基-1)-吡啶]铍，所述噁二唑类电子传输材料为2-(4-二苯基)-5-(4-叔丁苯基)-1，3，4-噁二唑，所述咪唑类电子传输材料为1，3，5-三(N-苯基-2-苯并咪唑-2)苯。

6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述漏电极和源电极为导电薄膜。

7.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘层材料为乙烯基吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯。

8.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层包括C₆₀、Perylene、PTCDI-R、NTCDI-R、BBL、TCNNQ、DFH_nT和F₁₆CuP_c。

9.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述基板是刚性衬底或者柔性衬底，为Si、超薄玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种，栅电极材料为金、银、铝、镍和铟锡氧化物中的一种。

10.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，有机薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：

①先对基板进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在基板的表面制备栅电极；

③通过光刻的方法刻蚀栅电极的图形；

④在栅电极的上面制备绝缘层；

⑤对制备的绝缘层进行处理；

⑥然后在绝缘层上制备源电极，漏电极；

⑦通过光刻形成源电极，漏电极图案；

⑧对已形成栅电极，源电极，漏电极以及已覆盖绝缘层的基板制备结合层和有机半导体层；

其中所述结合层是通过真空蒸镀、旋涂、浸涂、喷墨打印、辊涂、LB膜中的一种或者几种方式而形成；所述绝缘层为单层旋涂或多层旋涂。