CN102117887A - 一种低电压有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

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刘明
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Abstract

本发明公开了一种低电压有机薄膜晶体管及其制备方法，属于有机电子技术领域。所述有机薄膜晶体管包括：绝缘衬底、在绝缘衬底上的栅电极、覆盖绝缘衬底和栅电极的栅介质、在栅介质上的源电极和漏电极，以及覆盖栅介质和源、漏电极的有机半导体层。所述方法包括：首先，在绝缘衬底上制备栅电极；其次，在绝缘衬底和栅电极的表面制备介质层；然后，在介质层上制备源、漏电极；最后，在介质层和源电极、漏电极上沉积有机半导体层，完成器件的制备。本发明采用原子层沉积法制备较薄的金属氧化物薄膜作为介质层，大幅度增加了有机薄膜晶体管器件的电容，从而降低器件的电压，获得低工作电压的有机薄膜晶体管。

Description

一种低电压有机薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明属于有机电子技术领域，特别涉及一种低电压有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的不断深入，电子产品已经进入了人们工作生活的各个方面。在日常生活中，人们对低成本、柔性、低重量、便携式的电子产品的需求越来越多，传统的基于无机半导体材料的器件和电路很难满足电子产品的上述要求，而利用基于有机聚合物半导体材料的有机微电子技术能够实现对电子产品低成本、柔性、便携等的要求，因而，有机微电子技术在这一技术发展趋势下得到了越来越多的关注。
有机薄膜晶体管作为有机电路的基础性元器件，其性能对电路的性能起着决定性的作用。元器件的电压，包括工作电压和阈值电压，决定了器件及电路的功耗。通常有机场效应管的工作电压在数十伏以上，由于工作电压高，限制了有机场效应管走向实际应用的可能性。因此，开发能够在低电压下工作的有机薄膜晶体管技术是非常有必要的。
然而，目前用来降低有机薄膜晶体管工作电压的方法，例如：使用超薄单分子介质薄膜、使用高介电常数介质材料等，由于存在与现有半导体工艺流程兼容性较差、所制备的器件中仍然存在较大的漏电流以及加工工艺过程中需要较高的温度等问题，限制了有机薄膜晶体管的应用和进一步发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低电压有机薄膜晶体管，以解决现有的有机薄膜晶体管工作电压过高的问题，促进有机薄膜晶体管的应用。
本发明的另一目的在于提供一种低电压有机薄膜晶体管的制备方法，与现有CMOS工艺兼容，以利用现有技术减少新技术和新设备的开发、节约生产成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低电压有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管包括：绝缘衬底(101)、栅电极(102)、栅介质(103)、有机半导体层(104)、源电极(105)和漏电极(106)；其中：
所述绝缘衬底(101)位于所述有机薄膜晶体管器件的底层，所述栅电极(102)位于所述绝缘衬底(101)之上，所述栅介质(103)覆盖所述绝缘衬底(101)和栅电极(102)，在所述栅介质(103)表面制备有所述源电极(105)和漏电极(106)；所述源电极(105)和漏电极(106)各自覆盖所述栅介质(103)的顶面；所述有机半导体层(104)覆盖所述栅介质(103)、源电极(105)和漏电极(106)。
所述绝缘衬底包括：长有绝缘薄膜的硅片、玻璃或塑料薄膜。
所述栅电极的材料包括：金、铂、银、铜、镍、铝、钛、铁和铬金属导电材料之一，或PEDOT:PSS导电有机物、或导电氧化物。
所述栅介质为氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化钛、氧化钇、氧化铈和氧化镧之一构成的无机介质材料。
所述栅介质厚度为1nm～50nm。
所述栅介质采用原子层沉积ALD技术制备。
所述有机半导体层的为并五苯、并四苯、酞菁铜、3-己基噻吩的聚合物、噻吩和红荧稀有机半导体材料之一。
所述源、漏电极的材料包括：金、铂、银、铜、镍、铝、钛、铁和铬金属材料之一，或PEDOT:PSS导电有机物。
一种低电压有机薄膜晶体管的制备方法，所述方法包括：
A、在绝缘衬底上制备栅电极；
B、在所述绝缘衬底和栅电极的表面制备栅介质；
C、在所述栅介质上表面制备源电极和漏电极；
D、在所述源电极、漏电极和栅介质上沉积有机半导体层。
所用栅电极的制备方法为真空热物理沉积、或电子束沉积、或溅射金属电极、喷墨打印或旋涂有机物电极；所述栅电极还须经过图形化处理，其方法包括：光刻加金属剥离的步骤、光刻加刻蚀的步骤、图章印刷和纳米压印的步骤以及微接触印刷的步骤。
所述栅介质通过原子层沉积ALD方式制备，所述栅介质还须经过图形化方法处理，其方法为光刻加刻蚀。
所述在所述栅介质上表面制备源电极和漏电极的步骤具体包括：
步骤D1、采用光刻技术定义其相应的刻胶图形；
步骤D2、再通过电子束蒸发、溅射或热蒸发的方法沉积金属来生成源电极、漏电极；
步骤D3、通过金属剥离的方法来转移图形，制备出栅电极；有机栅电极采用喷墨打印技术沉积和图形化。
步骤D所述有机半导体层的制备方法包括：真空热蒸发、旋涂、喷墨打印、滴注、微接触印刷和图章印刷的步骤。
本发明所提供的低电压有机薄膜晶体管及其制备方法，具有以下优点：
第一、通过使用1nm～50nm厚的高质量金属氧化物薄膜，可以大幅度增加器件的电容，从而降低器件的电压，使所提供的有机薄膜晶体管可以在5伏以内的电压下工作。
第二、栅介质的制备采用原子层沉积技术，可以获得高致密，且表面粗糙度低的金属氧化物薄膜，有利于高质量有机半导体薄膜的生长。
第三、采用低温的原子层沉积工艺来制备栅介质薄膜，可以使用独立栅结构器件，便于制备大规模集成电路。
第四、采用低温的原子层沉积工艺，能够与现有CMOS工艺兼容，从而通过大量利用现有技术减少新技术和新设备的开发，节约成本。
第五、采用低温的原子层沉积工艺，能够用于柔性衬底。
附图说明
图1为本发明实施例低电压有机薄膜晶体管的剖面结构示意图；
图2a～图2d为本发明实施例低电压有机薄膜晶体管制备方法的流程图；
图3为本发明另一实施例低电压有机薄膜晶体管的剖面结构示意图；
图4a～图4h为本发明实施例中有机薄膜晶体管制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
本发明实施例其一提供的低电压有机薄膜晶体管的结构如图1所示，其中，绝缘衬底101位于有机薄膜晶体管器件的最底层，栅电极102位于绝缘衬底101之上，栅介质103覆盖绝缘衬底101和栅电极102，在栅介质103表面制备有源电极105和漏电极106；源电极105和漏电极106各自覆盖栅介质103的顶面；有机半导体层104覆盖栅介质103、源电极105和漏电极106。
如上所述的低电压有机薄膜晶体管，所述绝缘衬底101包括但不限于，长有绝缘薄膜的硅片、玻璃或塑料薄膜等。
所述栅电极102可以为金、铂、银、铜、镍、铝、钛、铁、铬等金属导电薄膜，或有机光电导电材料(PEDOT:PSS)制成的有机导电薄膜、或氧化铟锡或氧化锌锡等氧化物导电薄膜。
所述栅介质103可以为采用原子层沉积(ALD)技术制备的氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化钛、氧化钇、氧化铈、氧化镧等金属氧化物薄膜。为了实现器件的低工作电压，这些氧化物薄膜的厚度可限制在1nm～50nm。
所述有机半导体层104，包括但不限于，并五苯、并四苯、酞菁铜(CuPc)、P3HT、噻吩和红荧稀有机半导体材料。
所述源电极105和漏电极106，可以为金、铂、银、铜、镍、铝、钛、铁或铬等金属之一制成的薄膜，或PEDOT:PSS有机物导电薄膜。这里，所述PEDOT:PSS是一种高分子聚合物的水溶液，导电率很高，根据不同的配方，可以得到导电率不同的水溶液。该化合物是由PEDOT和PSS两种物质构成，PEDOT是EDOT(3，4-乙撑二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。
如图2a～图2d所示，本发明实施例还提供一种低电压有机薄膜晶体管的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤201：如图2a所示，在绝缘衬底201上制备栅电极202。
其中，所用的栅电极薄膜的制备方法为真空热物理沉积、电子束沉积或者溅射金属电极，喷墨打印或旋涂有机物电极。栅电极的图形化方法包括但不限于，光刻加金属剥离技术、光刻加刻蚀技术、图章印刷、纳米压印以及微接触印刷法。
步骤202：如图2b所示，在绝缘衬底201和栅电极202的表面制备介质层203。
其中，介质层的制备方法为原子层沉积(ALD)、图形化方法为光刻加刻蚀。
步骤203：如图2c所示，在介质层203上制备源电极205和漏电极206。
其中，源电极、漏电极采用光刻技术，先定义其相应的刻胶图形，再通过电子束蒸发、溅射或热蒸发等方法来沉积金属，最后通过金属剥离(lift-off)的方法来转移图形，从而制备出源、漏电极。这里，源电极、漏电极可采用喷墨打印技术来沉积和图形化。
步骤204：如图2d所示，在介质层203、源电极205和漏电极206上沉积有机半导体层204。
其中，制备有机半导体层的方法包括但不限于，真空热蒸发、旋涂、喷墨打印、滴注、微接触印刷以及图章印刷等方式。
本发明另一实施例中有机薄膜晶体管的结构如图3所示，其中绝缘衬底301为长有100nm厚的热氧化二氧化硅的硅片，处于整个器件的最下方，起支撑隔离作用；处于绝缘衬底301上表面的栅电极303为小于50nm厚的钛金属薄膜；覆盖绝缘衬底301和栅电极303上表面的是小于30nm厚的氧化铝栅介质302；位于栅介质302上表面的金属制的源电极305和漏电极306是由小于5nm厚的钛薄膜和小于50nm厚的金薄膜构成的组合金属薄膜。覆盖源电极305、漏电极306和栅介质302上表面的是小于50nm厚的并五苯有机半导体薄膜304。这里，所述栅介质还可以为氧化钛、氧化锆、或氧化铪制成的薄膜。
图4a～图4h为本发明实施例的有机薄膜晶体管的制备工艺流程图，该方法包括以下步骤：
步骤401：如图4a所示，在绝缘衬底401上通过光刻技术制备出栅电极的胶图形402，由于后续工艺的需求，该步骤中采用正胶工艺；
步骤402：如图4b所示，在胶图形402表面通过电子束蒸发工艺沉积小于50nm的钛金属薄膜403。
步骤403：如图4c所示，把样品浸泡在丙酮溶剂中，由于光刻胶的溶解，将附在其表面上的多余的金属薄膜从绝缘衬底401上剥离，形成金属栅电极图形404。
步骤404：如图4d所示，在绝缘衬底401和栅电极404的表面上通过原子层沉积技术制备小于30nm厚的氧化铝栅介质405；
步骤405：如图4e所示，在栅介质405层上通过光刻技术制备出栅电极的胶图形406，为了简化工艺步骤，该步骤中采用正胶工艺；
步骤406：如图4f所示，在胶图形406表面通过电子束蒸发工艺先后沉积小于5nm的钛金属薄膜和小于50nm的黄金薄膜形成组合薄膜407。
步骤407：如图4g所示，把样品浸泡在丙酮溶剂中，由于光刻胶的溶解，把附在其表面上的多余的组合金属薄膜从栅介质405上剥离，形成金属源漏电极图形408。
步骤408：如图4h所示，在栅介质405层和源电极、漏电极408表面上通过真空热蒸发的办法沉积小于50nm厚的并五苯薄膜，形成有机半导体层409，从而完成器件的制作。
本发明实施例所提供的低电压有机薄膜晶体管及其制备方法，具有以下优点：
第一、通过使用1nm～50nm厚的高质量金属氧化物薄膜，可以大幅度增加器件的电容，从而降低器件的电压，使所提供的有机薄膜晶体管可以在5伏以内的电压下工作。
第二、栅介质的制备采用原子层沉积技术，可以获得高致密，且表面粗糙度低的金属氧化物薄膜，有利于高质量有机半导体薄膜的生长。
第三、采用低温的原子层沉积工艺来制备栅介质薄膜，可以使用独立栅结构器件，便于制备大规模集成电路。
第四、采用低温的原子层沉积工艺，能够与现有CMOS工艺兼容，从而通过大量利用现有技术减少新技术和新设备的开发，节约成本。
第五、采用低温的原子层沉积工艺，能够用于柔性衬底。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机薄膜晶体管包括：绝缘衬底(101)、栅电极(102)、栅介质(103)、有机半导体层(104)、源电极(105)和漏电极(106)；其中：
所述绝缘衬底(101)位于所述有机薄膜晶体管器件的底层，所述栅电极(102)位于所述绝缘衬底(101)之上，所述栅介质(103)覆盖所述绝缘衬底(101)和栅电极(102)，在所述栅介质(103)表面制备有所述源电极(105)和漏电极(106)；所述源电极(105)和漏电极(106)各自覆盖所述栅介质(103)的顶面；所述有机半导体层(104)覆盖所述栅介质(103)、源电极(105)和漏电极(106)。
2.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述绝缘衬底包括：长有绝缘薄膜的硅片、玻璃或塑料薄膜。
3.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述栅电极的材料包括：金、铂、银、铜、镍、铝、钛、铁和铬金属导电材料之一，或PEDOT:PSS导电有机物、或导电氧化物。
4.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述栅介质为氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化钛、氧化钇、氧化铈和氧化镧之一构成的无机介质材料。
5.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述栅介质厚度为1nm～50nm。
6.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述栅介质采用原子层沉积ALD技术制备。
7.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层的为并五苯、并四苯、酞菁铜、3-己基噻吩的聚合物、噻吩和红荧稀有机半导体材料之一。
8.根据权利要求1所述的低电压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述源、漏电极的材料包括：金、铂、银、铜、镍、铝、钛、铁和铬金属材料之一，或PEDOT:PSS导电有机物。
9.一种低电压有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
A、在绝缘衬底上制备栅电极；
B、在所述绝缘衬底和栅电极的表面制备栅介质；
C、在所述栅介质上表面制备源电极和漏电极；
D、在所述源电极、漏电极和栅介质上沉积有机半导体层。
10.根据权利要求9所述的低电压有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所用栅电极的制备方法为真空热物理沉积、或电子束沉积、或溅射金属电极、喷墨打印或旋涂有机物电极；所述栅电极还须经过图形化处理，其方法包括：光刻加金属剥离的步骤、光刻加刻蚀的步骤、图章印刷和纳米压印的步骤以及微接触印刷的步骤。
11.根据权利要求9所述的低电压有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅介质通过原子层沉积ALD方式制备，所述栅介质还须经过图形化方法处理，其方法为光刻加刻蚀。
12.根据权利要求9的所述的低电压有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述在所述栅介质上表面制备源电极和漏电极的步骤具体包括：
步骤D1、采用光刻技术定义其相应的刻胶图形；
步骤D2、再通过电子束蒸发、溅射或热蒸发的方法沉积金属来生成源电极、漏电极；
步骤D3、通过金属剥离的方法来转移图形，制备出栅电极；有机栅电极采用喷墨打印技术沉积和图形化。
13.根据权利要求9的所述的低电压有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤D所述有机半导体层的制备方法包括：真空热蒸发、旋涂、喷墨打印、滴注、微接触印刷和图章印刷的步骤。
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