CN101359719A - 一种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：所述绝缘层是需要紫外固化的一种或者多种材料的组合。本发明的目的是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大幅度降低工艺要求和生产成本，并且提高晶体管的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管技术领域，具体涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
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，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。
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。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是不利的。因此，改善绝缘层制作工艺对是简化有机薄膜晶体管的制作工艺十分重要，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，该晶体管克服了现有技术中所存在的缺陷，简化了有机薄膜晶体管的制作工艺，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：提供一种有机薄膜晶体管，包括基板、栅电极、有机栅绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，其特征在于，所述有机栅绝缘层材料为紫外固化胶，包括自由基型紫外光固化胶粘剂，阳离子型紫外光固化胶粘剂以及两者的混合体系；所述有机半导体层的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及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，全氟化酞菁铜(F16CuPc)；酞菁铜(CuPc)；亚噻吩基和1，2-亚乙烯基的低共聚物和共聚物；富勒烯(C60)及其衍生物；苝(Perylene)及其衍生物；Alpha-六噻吩(α-Sexithiophene)；红莹烯(Rubrene)；聚噻吩(Polythiophene)；聚3-己基噻吩(poly(3-hexyithiophene))。
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机栅绝缘层厚度为1nm～500nm，最佳厚度为60nm。
按照本发明所提供的薄膜晶体管，其特征在于，所述自由基型紫外光固化胶粘剂包括基础树脂、单体、光引发剂和光敏剂以及助剂；所述阳离子型紫外光固化胶粘剂包括阳离子单体、稀释剂和阳离子光引发剂。
按照本发明所提供的薄膜晶体管，其特征在于，所述基础树脂包括不饱和聚酯树脂、丙烯酸系树脂和多硫醇-多烯体系；所述单体包括苯乙烯及其衍生物、单官能团或多官能团(甲基)丙烯酸酯；所述光引发剂包括安息香及其衍生物安息香甲醚、安息香乙醚、安息香异丙醚和乙酰苯衍生物；光敏剂包括二苯甲酮、硫杂蒽醌和米蚩酮，助剂包括增塑剂、触变剂、填充剂、防静电剂、阻燃剂和偶联剂；所述阳离子单体包括各种环氧树脂或改性环氧树脂或含氟以及不含氟的混合树脂或者脂肪族和双酚D-型混合环氧树脂；所述稀释剂包括各种活性环氧树脂稀释剂以及各种环醚、环内酯、乙烯基醚单体作为光固化树脂的稀释剂；所述阳离子光引发剂包括二芳基碘鎓盐、三芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐和三芳基硒鎓盐；自由基型紫外光固化粘胶剂和阳离子型紫外光固化粘胶剂的混合体系包括二苯甲基碘鎓六氟磷酸盐(DPI.PF6)作光引发剂，引发双酚A环氧树脂E51和丙烯酸酯预聚物AE的混合树脂。
按照本发明所提供的薄膜晶体管，其特征在于，所述丙烯酸系树脂包括聚酯-丙烯酸酯、环氧-丙烯酸酯、氨基甲酸酯-丙烯酸酯和聚醚-丙烯酸酯。
按照本发明所提供的薄膜晶体管，其特征在于，所述多硫醇-多烯体系包括以下结构式的物质：
HS(CH2CH2O)nCH2CH2SH
。
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。
按照本发明所提供的有机薄膜晶体管，其特征在于，晶体管结构为顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式中的一种，其中顶部接触式结构构成是部件从底端到顶端依次为基板、栅电极、有机栅绝缘层、有机半导体层以及在同一层面的源电极和漏电极，底部接触式结构构成是部件从底端到顶端依次为基板、栅电极、有机栅绝缘层、在同一层面的源电极和漏电极、有机半导体层，顶部栅极式结构构成是部件从底端到顶端依次为基板、在同一层面的源电极和漏电极、有机半导体层、有机栅绝缘层、栅电极。
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形成栅电极的图形；
④在镀有栅电极的基板的上制备有机栅绝缘层；
⑤对形成的有机栅绝缘层进行处理；
⑥在已形成栅电极，以及已覆盖有机栅绝缘层的基板制备有机半导体膜；
⑦然后制备源电极和漏电极；
⑧形成源电极，漏电极图案。
本发明所提供的有机薄膜晶体管，结构新颖，绝缘层粘结性增强与有机半导体层薄膜之间的连接度，提高了器件结构之间的附着能力；对绝缘层进行适当的固化处理，使其形成致密结构，能更加有效的阻隔水氧进入器件内部，提高器件的性能和寿命；有机半导体层的好处是具有好的载流子传输能力，制备工艺简单，可以采用旋涂的方法制备，有机材料容易剪裁加工，多样性明显；采用本发明中提供的制备方法能够有效的提高薄膜的性能，并采用旋涂工艺制备薄膜，从而降低生产成本，可制成柔性器件；器件超薄，体积小，重量轻，制备方法合理简单，易于操作。此工艺对有机场效应管的制作工艺有重要意义。
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结构示意图；
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，1、基板，2、栅电极，3、有机栅绝缘层，4、有机半导体层，5、源电极，6、漏电极。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的技术方案是提供一种有机场效应管，如图1、2、3所示，器件的结构包括基板1，栅电极2，有机栅绝缘层3，有机半导体层4，源电极5，漏电极6。
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，它是硅基板、玻璃或柔性基片，柔性基片采用聚酯类、聚酞亚胺化合物中的一种材料或者较薄的金属或者玻璃。
本发明中源电极5、漏电极6和栅电极2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。
本发明中有机栅绝缘层3是以下紫外固化胶粘剂的一种或者几种，自由基型紫外光固化胶粘剂包括基础树脂、单体、光引发剂和光敏剂以及助剂，基础树脂包括不饱和聚酯树脂、丙烯酸系树脂和多硫醇-多烯体系，丙烯酸系树脂包括聚酯-丙烯酸酯、环氧-丙烯酸酯、氨基甲酸酯-丙烯酸酯和聚醚-丙烯酸酯，多硫醇-多烯体系，包括：
HS(CH2CH2O)nCH2CH2SH 
常用的多元烯丙基类化合物有CH2＝CHCH2O(CH2CH2CH2O)nCH2CH＝CH2、三烯丙基异氰脲酸酯
HS(CH2CH2O)2CH2CH2SH的一种或者多种，单体包括苯乙烯及其衍生物、单官能团或多官能团(甲基)丙烯酸酯，如甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙二醇酯、丙烯酸正丁酯，光引发剂包括安息香及其衍生物安息香甲醚、安息香乙醚、安息香异丙醚和乙酰苯衍生物，光敏剂有二苯甲酮、硫杂蒽醌和米蚩酮，助剂包括增塑剂、触变剂、填充剂、防静电剂、阻燃剂、偶联剂，如硅偶联剂CH2＝CHSi(OCH2CH2OCH3)3；阳离子型紫外光固化胶粘剂包括单体，如各种环氧树脂或改性环氧树脂或含氟以及不含氟的混合树脂或者脂肪族和双酚D-型混合环氧树脂，各种活性环氧树脂稀释剂以及各种环醚、环内酯、乙烯基醚单体作为光固化树脂的稀释剂，阳离子光引发剂有二芳基碘鎓盐、三芳基碘鎓盐、三芳基硫鎓盐、三芳基硒鎓盐；它们的混合体系包括自由基型和阳离子型紫外固化胶的混合，如二苯甲基碘鎓六氟磷酸盐(DPI.PF6)作光引发剂，引发双酚A环氧树脂E51和丙烯酸酯预聚物AE的混合树脂。
本发明中有机半导体层4是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fluorinated copper phthalocyanine F16CuPc、酞菁铜CuPc；亚噻吩基和1，2-亚乙烯基的低共聚物和共聚物；富勒烯C60及其衍生物、苝Perylene及其衍生物、PTCDI-R、NTCDI-R、poly(benzamidazobenzophenanthroline)BBL、11，11，12，12-tetracyanonaphtho-2，6-quinodimethaneTCNNQ、α，ω-diperfluorohexyloligothiophenes(DFH-nT)；Alpha-六噻吩α-Sexithiophene，5，6，11，12-tetraphenylnaphthacene Rubrene，聚噻吩Polythiophene，聚3-己基噻吩poly(3-hexyithiophene)。
其典型的分子式如下：
以下是本发明的具体实施例：
实施例1
如图1所示结构中，基板1采用Si衬底，栅电极2采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜，采用紫外固化胶作为有机栅绝缘层3，源电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，漏电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层，有机半导体层4采用并五苯pentance。
制备方法如下所示：
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基板上通过旋涂的方法旋涂上紫外固化胶有机栅绝缘层；
⑤对形成的有机栅绝缘层进行紫外固化并加热烘烤；
⑥把已形成有机栅绝缘膜的Si基板放入真空蒸镀有机半导体膜并五苯；
⑦然后在有机半导体膜上蒸镀Cr金属源电极和Cr金属漏电极；
⑧通过光刻形成源电极，漏电极图案。
实施例2
如图1所示结构中，基板1采用Si衬底，栅电极2采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜，采用紫外固化胶作为有机栅绝缘层3，源电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，漏电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层，有机半导体层4采用CuPc。
器件的制备流程与实施例1相似。
实施例3
如图2所示结构中，基板1采用Si衬底，栅电极2采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜，采用紫外固化胶作为有机栅绝缘层3，源电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，漏电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层，有机半导体层4采用并五苯。
制备方法如下所示：
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基板上通过旋涂的方法旋涂上紫外固化胶有机栅绝缘层；
⑤对形成的有机栅绝缘层进行紫外固化并加热烘烤；
⑥然后在有机半导体膜上蒸镀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。
实施例4
如图2所示结构中，基板1采用Si衬底，栅电极2采用DC磁控溅射的ITO透明导电薄膜，采用紫外固化胶作为有机栅绝缘层3，源电极5采用Cr金属薄膜作为电极层，漏电极6也采用Cr金属薄膜作为电极层，有机半导体层4采用CuPc。
器件的制备流程与实施例3相似。
Claims (7)
1、一种有机薄膜晶体管，包括基板、栅电极、有机栅绝缘层、有机半导体层、漏电极和源电极，其特征在于，所述有机栅绝缘层材料为紫外固化胶，包括自由基型紫外光固化胶粘剂，阳离子型紫外光固化胶粘剂以及两者的混合体系；所述有机半导体层的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及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；酞菁铜；亚噻吩基和1，2-亚乙烯基的低共聚物和共聚物；富勒烯C60及其衍生物；苝Perylene及其衍生物；阿尔法-六噻吩；红萤烯Rubrene；聚噻吩；聚3-己基噻吩。
2、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机栅绝缘层厚度为1nm～500nm。
3、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述自由基型紫外光固化胶粘剂包括基础树脂、单体、光引发剂和光敏剂以及助剂。
4、根据权利要求3所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，基础树脂包括不饱和聚酯树脂、丙烯酸系树脂和多硫醇-多烯体系；单体包括苯乙烯及其衍生物、单官能团和多官能团丙烯酸酯；光引发剂包括安息香及其衍生物安息香甲醚、安息香乙醚、安息香异丙醚和乙酰苯衍生物；光敏剂包括二苯甲酮、硫杂蒽醌和米蚩酮；助剂包括增塑剂、触变剂、填充剂、防静电剂、阻燃剂和偶联剂。
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1～5任一所述的机薄膜晶体管，其特征在于，晶体管结构为顶部接触式、底部接触式和顶部栅极式中的一种，其中顶部接触式结构构成是部件从底端到顶端依次为基板、栅电极、有机栅绝缘层、有机半导体层以及在同一层面的源电极和漏电极，底部接触式结构构成是部件从底端到顶端依次为基板、栅电极、有机栅绝缘层、在同一层面的源电极和漏电极、有机半导体层，顶部栅极式结构构成是部件从底端到顶端依次为基板、在同一层面的源电极和漏电极、有机半导体层、有机栅绝缘层、栅电极。
7、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形成栅电极的图形；
④在镀有栅电极的基板的上制备有机栅绝缘层；
⑤对形成的有机栅绝缘层进行处理；
⑥在已形成栅电极，以及已覆盖有机栅绝缘层的基板制备有机半导体膜；
⑦然后制备源电极和漏电极；
⑧形成源电极，漏电极图案。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110330 Termination date: 20120911 |