CN101257093B - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
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：还包括过渡层，所述过渡层由空穴型有机半导体材料中的一种或多种构成。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。
Description
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
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。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，降低了工艺温度。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方面应用前景广阔。
有机薄膜晶体管工作原理是：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。
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。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。为了更好的提高迁移率和开关比，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至关重要，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。
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：还包括过渡层，所述过渡层由空穴型有机半导体材料中的一种或多种构成。
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述过渡层和有机半导体层采用相同材料或者不同材料，或者由过渡层材料和有机半导体层材料混合掺杂共同承担过渡层和半导体层的作用，所述空穴型有机半导体材料包括小分子空穴传输材料、小分子空穴注入材料、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，所述介电性聚合物高分子材料包括PS、PMMA、PC、PU、PI、APC和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，所述小分子传输材料或者小分子空穴注入材料是具有较强的空穴传导能力或者注入能力和成膜性能，包括芳香族二胺类化合物、星形三苯胺化合物、酞菁或者酞菁类金属衍生物、PEDOT/PSS。所述芳香族二胺类化合物是N，N’-双-(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-[1，1’-联苯基]-4，4’-二胺或者N，N’-双(3-萘基)-N，N’-二苯基-[1，1’-二苯基]-4，4’-二胺及其衍生物，所述星形三苯胺化合物是三-[4-(5-苯基-2-噻吩基)苯]胺或者m-TDATA及其衍生物。
按照本发明所提供有机薄膜晶体管，其特征在于，所述小分子传输材料或者小分子空穴注入材料包括以下结构式的材料：
TDATA：R＝H TDAB：R＝H
o-MTDATA：R＝o-Me o-MTDAB：R＝o-Me
m-MTDATA：R＝m-Me m-MTDAB：R＝m-Me
p-MTDATA：R＝p-Me p-MTDAB：R＝p-Me
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：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，ALPHA-六噻吩，酞菁铜，红荧烯，聚噻吩(α-Sexithiophene、CuPc、Rubrene、Polythiophene、Regicreguar poly(3-hexyithiophene)。其典型的分子式如下：
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，漏电极以及已覆盖绝缘层的基板制备过渡层和有机半导体层；
其中所述过渡层由空穴型有机半导体材料中的一种或多种构成，所述空穴型有机半导体材料为介电性聚合物高分子材料与小分子空穴传输材料的掺杂体系或介电性聚合物高分子材料与小分子空穴注入材料的掺杂体系，过渡层是通过真空蒸镀、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；所述过渡层的作用是修饰有机半导体层的界面，提高器件中空穴的注入与传输，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，过渡层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、图2和图3所示，器件的结构包括基板1，栅电极2，绝缘层3，过渡层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-methly-methacrylate)之一。
本发明中过渡层4是由空穴型有机半导体材料的一种或者几种组成。所述空穴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空穴传输材料或者小分子空穴注入材料的掺杂体系，小分子空穴传输材料或者小分子空穴注入材料的一种或者几种。所述空穴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(小分子空穴传输材料或者小分子空穴注入材料)，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是各种小分子空穴传输材料或者小分子空穴注入材料，应具有较强的空穴传导能力或者注入能力以及成膜性能，包括芳香族二胺类化合物、星形三苯胺化合物、酞菁或者酞菁类金属衍生物，PEDOT/PSS或者含有供电子基团的小分子材料，所述芳香族二胺类化合物是N，N’-双-(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-[1，1’-联苯基]-4，4’-二胺或者N，N’-双(3-萘基)-N，N’-二苯基-[1，1’-二苯基]-4，4’-二胺及其衍生物，所述星形三苯胺化合物是三-[4-(5-苯基-2-噻吩基)苯]胺或者m-TDATA及其衍生物。其主要作用是修饰绝缘层与有机半导体层的界面情况，以达到改善有机半导体层的分子排列状况，提高器件载流子迁移率和开关比。
本发明中有机半导体层5，可包括选自由下述组成的材料的至少一种：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。
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，过渡层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，过渡层为PS：TPD，有机半导体层用并五苯，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基板旋涂过渡层PS：TPD，然后放入真空蒸发有机半导体膜并五苯；
⑦然后在有机半导体层上蒸镀源电极，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，过渡层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，过渡层为PS：NPB，有机半导体层用并五苯，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，过渡层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，过渡层为CuPc，有机半导体层用并五苯，源、漏电极为Au。
Claims (8)
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：还包括过渡层，所述过渡层由空穴型有机半导体材料中的一种或多种构成，所述空穴型有机半导体材料为介电性聚合物高分子材料与小分子空穴传输材料的掺杂体系或介电性聚合物高分子材料与小分子空穴注入材料的掺杂体系，该过渡层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，所述介电性聚合物高分子材料包括PS、PMMA、PC、PU、PI、APC或PAA。
3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述小分子空穴传输材料或者小分子空穴注入材料具有空穴传导能力或者注入能力和成膜性能，包括芳香族二胺类化合物、星形三苯胺化合物、酞菁或者酞菁类金属衍生物或者PEDOT/PSS。
4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述漏电极和源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，所述绝缘层材料为乙烯基吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层包括：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，ALPHA-六噻吩，酞菁铜，红荧烯，聚噻吩。
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。
8.根据权利要求1所述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过渡层和有机半导体层；
其中所述过渡层由空穴型有机半导体材料中的一种或多种构成，所述空穴型有机半导体材料为介电性聚合物高分子材料与小分子空穴传输材料的掺杂体系或介电性聚合物高分子材料与小分子空穴注入材料的掺杂体系，过渡层是通过真空蒸镀、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。
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