CN102222770B - 一种小线宽沟道的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于有机薄膜晶体管的小沟道的制备方法，包括(1)在有机薄膜晶体管器件的有机半导体层的沟道区印刷一条有机水溶性材料纤维；(2)待纤维固化后，将疏水性电极材料溶液对准纤维进行沉积，从而在纤维两侧形成电极图案，作为有机薄膜晶体管的源极和漏极；(3)电极图案固化后，放入水或水性溶剂中，使所述有机水溶性材料纤维将溶于水，即可在有机半导体层的沟道区形成宽度与所述纤维直径相同的沟道。本发明还提供了上述方法在制备有机薄膜晶体管(OTFT)。本发明的方法可以用来制造薄膜晶体管源极和漏极之间的小线宽沟道，可实现亚微米/纳米尺度的沟道宽度，极大地提高了OTFT器件的性能。

Description

一种小线宽沟道的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于一种有机薄膜晶体管(OTFT)沟槽的制造方法，可用于小线宽沟槽型结构的OTFT制造。

背景技术

制造成本更低、功耗更小、速度更快的半导体器件已经成为半导体以及电子产业追求的目标之一。为实现上述目标，必须提高集成度，半导体器件的尺寸需要持续地随着技术发展而进行缩小。

传统的晶体管制造方法主要是机械加工和金属化工艺方法。机械加工对机床精度要求很高，晶体管线宽一般在毫米微米级。金属化工艺制造晶体管时需要在源漏极进行离子渗透，形成电极材料，掺杂浓度难以控制，或是通过化学试剂刻蚀基板形成沟道，在晶体管线宽较小时，存在阈值电压的漂移问题；精度一般都在微米级，难以实现较大的集成度，生产效率低下。

目前，光刻蚀和纳米压印是最常用的两种晶体管沟道制造方法。光刻蚀法可以用248nm的激光生产沟道宽度为250nm的晶体管，但其制备过程中需要掩膜，且工艺复杂，成本很高。纳米压印是使用一个物理模具或模板将图案压印入压印介质从而将图案转印到基板上，具有较高的分辨率，可以生产100nm以下的微细结构。但纳米压印需要精度很高的模板，模板制造工艺限制了其分辨率；压印介质与基板存在兼容性问题，压印过程中存在介质蒸发问题；每次都要制造一个单个的光刻版，不能大面积生产，费时且效率低下；超精细分辨率及精度需要使生产成本急剧飙升。

静电纺丝法是一种简单、经济型制备连续长一维纳米纤维的方法，如图4所示。Daoheng Sun等(Near-Field Electrospinning，NANO LETTERS，6，2006)提出近场静电纺丝(NFES)，克服了传统电纺丝纤维无序和不可控的缺点，实现了纺丝定位，能够制造出直径为50～500nm、排列有序的纳米纤维。

发明内容

本发明的目的在于提出一种小线宽沟道的制备方法，利用近场静电纺丝技术的定位技术，在基板上沟槽位置喷印一条有机水溶性材料的亚微米级纤维；待纤维固化后，在有机水溶性材料直纤维两侧分别印刷疏水性有机薄膜晶体管的源极和漏极图案；待电极图案固化后，将基板放入蒸馏水中，使有机水溶性材料纤维溶解入水中，形成小线宽沟道。本发明的制备工艺可减小TFT的沟道宽度，获得沟道宽度在50nm～1μm的TFT，从而提高TFT器件的性能。具有制造成本低、工艺简单、对环境要求低、可实现亚微米甚至纳米沟道宽度的特点。

为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种小线宽沟道的制备方法，包括如下步骤：

1)在有机半导体层上沟道区喷印一条有机水溶性材料的亚微米级纤维；

采用水溶性有机材料溶液作为静电纺丝的墨液来制备纤维，其中，溶液与有机半导体层(衬底)的润湿角约为90°；采用近场电纺丝工艺将所述纤维定位到有机半导体层上的沟道处，所形成的纤维直径约为50nm～1μm；

2)待纤维固化后，在有机水溶性材料直纤维两侧分别印刷疏水性有机薄膜晶体管的源极和漏极图案

纤维完全固化后，采用不溶于水的疏水性电极材料作为墨液在有机半导体层上印刷电极，从而在所述纤维两侧形成电子器件的源极和漏极。

可采用常规印刷工艺，如电喷雾、气喷等，由于电极墨液对纤维的非润湿性，墨液会铺展到纤维的两侧

待疏水性电极材料固化后，如果疏水性电极材料(如纳米金属材料)形成电极需要烧结，则对上述形成的源极和漏极进行烧结。如果疏水性电极材料形成电极不需要烧结，则直接进行下一步。

3)待电极图案固化后，将基板放入蒸馏水中，使有机水溶性材料纤维溶解入水中，形成小线宽沟道

电极墨液固化后将器件放入蒸馏水或水性溶剂中中，纤维溶于水或溶剂中，即可形成小线宽的沟道。

本发明还公开了一种OTFT的制备方法，包括：

1)选取基底，基底材料不能溶于水或水性溶剂。

2)在基底上制备OTFT的栅极，有机绝缘层和有机半导体层，栅极、有机绝缘层和有机半导体层材料都不能溶于水或水性溶剂。

3)利用上述小线宽沟道的制备方法在有机半导体层上制备小沟道。

本发明工艺简单，制造成本低，它利用喷墨打印等低分辨率(微米级)工艺制备了高分辨率沟道(纳米级)的电子器件，这是其它普通工艺难以实现的。此外，本发明为非接触式工艺，能够用来制备生物器件。

附图说明

图1为本发明工艺流程图

图2为本发明专利制备沟道的截面图

图3为本发明专利制备沟道的俯视平面图

图4为近场电纺丝的结构示意图

其中，1为有机半导体层，2为有机绝缘层，3为栅极，4为有机水溶性材料纤维，5为润湿角，6为电子漂移区，7为漏极，8为支架，9为高压电源，10为静电纺丝形成的纤维，11为接收基板，12为静电纺丝溶液，13为喷射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

利用本发明所述工艺方法制造的OTFT管的小线宽沟道如下：

第一步用有机水溶性材料如(如PVP、PEO等)配制溶液，使溶液各项参量如质量分数、粘度、表面张力、温度等满足静电纺丝工艺参数，如：pH值为7-9、黏度为1-4cP和表面张力为20-40mN/m，另外溶液与衬底的润湿角最好在90°左右。以疏水性电极材料(如各种碳纳米管CNT，纳米金属材料等)为溶质，选择合适的溶剂配制溶液，溶液性能满足OTFT的电极的各项性能要求，同时还要满足采用的常规印刷工艺(电喷雾、气喷等)的要求。

第二步以上述有机水溶性材料溶液为墨液，利用近场静电纺丝的定位技术在有机半导体层的沟道区打印一条表面光滑，线宽为50nm～1μm的有机水溶性材料直纤维，纤维的具体线宽根据实际应用沟道宽度而定，纤维线宽的实现通过调整静电纺丝工艺参量来完成，若溶液参量可再次调整，也可通过调整溶液参量或者两种参量协同调整来完成。

第三步待有机水溶性材料直纤维完全固化后，以疏水性电极材料溶液为墨液，利用打印工艺对准纤维进行喷印，可采用常规印刷工艺，如电喷雾、气喷等，由于电极墨液对纤维的非润湿性，墨液会铺展到纤维的两侧，形成OTFT的源极和漏极。

待疏水性电极材料固化后，如果疏水性电极材料(如纳米金属材料)形成电极需要烧结，则对上述形成的源极和漏极进行烧结，烧结工艺可采用常规工艺，如真空烧结，激光烧结等，烧结温度一般在200摄氏度以下，具体温度数值根据电极材料而定。烧结也会使部分或整个的有机水溶性材料直纤维烧掉。如果疏水性电极材料形成电极不需要烧结，则直接进行下一步。

第四步将有机半导体层的器件置入蒸馏水或水性溶剂中，使有机水溶性材料溶解入水中，使源极和漏极之间形成50nm～1μm的小线宽沟道。

以PVP为有机水溶性材料，碳纳米管(CNT)为疏水性电极材料制备出的小沟道在在OTFT制备中的应用，包括如下步骤：

第一步，根据器件类型、工艺过程和应用环境等选取有机材料聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)作为OTFT的基底。

第二步，利用常规工艺利用常规工艺如丝网印刷、纳米压印、喷印、传印、直写、沉积等在基底上制备OTFT的栅极。制备OTFT的栅极层，有机绝缘层和有机半导体层，栅极、有机绝缘层和有机半导体层材料都不能溶于水或水性溶剂。

第三步，以有机水溶性材料PVP为墨液，利用静电纺丝技术在有机半导体层的沟道区打印一条表面光滑，线宽为50nm～1μm的PVP直纤维，要求溶液材料，与衬底(即有机半导体层)的润湿角约为90°。

第四步，待PVP纤维完全固化后，待水溶性有机材料直纤维完全固化后，以疏水性电极材料溶液为墨液，利用打印工艺对准纤维进行喷印，由于溶液对纤维的非润湿性，墨液会分开到纤维的两侧，形成OTFT的源极和漏极，剖面结构如图2和图3。

第五步，待CNT直纤维完全固化后，将有机半导体层的器件放入蒸馏水中，使PVP溶解入水中，形成50nm～1μm的小线宽沟道，沟道制备流程如图1所示。

以PEO为有机水溶性材料，纳米银粉为疏水性电极材料制备出的小沟道在在OTFT制备中的应用，包括如下步骤：

第一步，根据器件类型、工艺过程和应用环境等选取聚酰亚胺薄膜(PI)作为OTFT的基底。

第二步，利用常规工艺如丝网印刷、纳米压印、喷印、传印、直写等在基底上制备OTFT的栅极，有机绝缘层和有机半导体层，基底、栅极、有机绝缘层和有机半导体层材料都不能溶于水或水性溶剂。

第三步，以有机水溶性材料PEO为墨液，利用静电纺丝技术在有机半导体层的沟道区打印一条表面光滑，线宽为50nm～1μm的PEO直纤维，PEO溶液材料与衬底的润湿角约为90°。

第四步，待PEO纤维完全固化后，以直径为20-30的纳米银溶液为墨液，利用打印工艺对准纤维进行喷印，由于溶液对纤维的非润湿性，墨液会分开到纤维的两侧，形成OTFT的源极和漏极。

第五步，待纳米银材料固化后，对其进行激光烧结，烧结温度为150摄氏度。可能PEO纤维会有部分被烧掉。

第六步，烧结完成后，将基板放入蒸馏水中，使PEO溶解入水中，将有机半导体层置入蒸馏水中，使水溶性有机材料直纤维溶解入水中，形成50nm～1μm的小线宽沟道。

Claims (10)

1.一种用于有机薄膜晶体管的小线宽沟道的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）印刷纤维条

在有机薄膜晶体管器件的有机半导体层的沟道区印刷一条有机水溶性材料纤维；

（2）印刷电极

待纤维固化后，将疏水性电极材料溶液对准纤维进行沉积，从而在纤维两侧形成电极图案，作为有机薄膜晶体管的源极和漏极；

（3）形成沟道

电极图案固化后，放入水或水性溶剂中，使所述有机水溶性材料纤维溶解，即可在有机半导体层的沟道区形成宽度与所述纤维直径相同的沟道。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，采用水溶性有机材料溶液作为墨液，通过静电纺丝工艺完成纤维条的印刷。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性有机材料溶液与有机半导体层的润湿角约为90°。

4.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，所述纤维不被电极溶液润湿。

5.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，所述的有机水溶性材料为PVP或PEO。

6.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，还包括对形成的源极和漏极进行烧结处理。

7.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，所述纤维条的线宽为50nm~1μm。

8.根据权利要求1-3之一所述的制备方法，其特征在于，所述疏水性电极材料为碳纳米管CNT或纳米金属材料。

9.一种有机薄膜晶体管（OTFT）的制备方法，包括如下过程：

（1）选取基底，其中基底材料不溶于水或水性溶剂；

（2）在基底上制备有机薄膜晶体管（OTFT）的栅极、有机绝缘层和有机半导体层，其中，所述栅极、有机绝缘层和有机半导体层材料都不溶于水或水性溶剂；

（3）利用权利要求1-8之一所述的制备方法在所述有机半导体层上制备小线宽沟道；

通过上述过程即可制备形成有机薄膜晶体管（OTFT）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基底材料为聚酰亚胺薄膜（PI）或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜（PET）。

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