CN102270743A

CN102270743A - 使用纸基板及蚕丝介电层的有机薄膜晶体管及其制作方法

Info

Publication number: CN102270743A
Application number: CN2010101982771A
Authority: CN
Inventors: 黄振昌; 王中桦; 谢兆莹
Original assignee: National Tsing Hua University NTHU
Current assignee: National Tsing Hua University NTHU
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-12-07

Abstract

本发明是有关于一种使用纸基板及蚕丝介电层的有机薄膜晶体管及其制作方法。其中，有机薄膜晶体管装置包括：一纸基板；一栅极，是配置于纸基板上；一栅极介电层，是配置于纸基板上且覆盖栅极，其中栅极介电层的材料是包含一蚕丝蛋白；一有机半导体层；以及一源极、以及一漏极，其中有机半导体层、源极、以及漏极是配置于栅极介电层上方。

Description

使用纸基板及蚕丝介电层的有机薄膜晶体管及其制作方法

技术领域

本发明是关于一种有机薄膜晶体管装置及其制作方法，尤指一种使用纸基板及蚕丝介电层的有机薄膜晶体管及其制作方法，以便能使有机薄膜晶体管装置具有可挠性及可卷性。

背景技术

近年来，薄膜晶体管(TFT)的应用非常广泛，可应用在传感器、电子卷标(RFID)及显示装置上。为了减少产品的制作成本且扩大产品的应用范围，低成本、具可挠性、且可大面积生产的有机薄膜晶体管(OTFT)是研发的趋势。

一般而言，有机薄膜晶体管可分为上接触式有机薄膜晶体管及下接触式有机薄膜晶体管。如图1A所示，上接触式有机薄膜晶体管是包括：一基板10；一栅极11，是配置基板10上；一栅极介电层12，是配置于基板11上且覆盖栅极11；一有机半导体层13，是完全覆盖栅极介电层12；以及一源极14与一漏极15，是配置于有机半导体层13上。

此外，如图1B所示，下接触式有机薄膜晶体管是包括：一基板10；一栅极11，是配置基板10上；一栅极介电层12，是配置于基板10上且覆盖栅极11；一源极14与一漏极15，是配置于栅极介电层12上；以及一有机半导体层13，是完全覆盖栅极介电层12、源极14以及漏极15。

已知的栅极介电层主要是采用溅镀法将介电材料形成于基板与栅极上，故往往面临设备价格昂贵且工艺复杂等问题。此外，一般常用于有机薄膜晶体管的最佳的有机半导体层材料为五环素，但因常用的介电材料与五环素匹配不佳，使得五环素的载子移动率偏低。举例而言，一般以氧化硅作为栅极介电层材料的五环素有机薄膜晶体管，其五环素载子移动率是小于0.5cm²/V-sec；且即便是使用目前已知较好的氮化铝介电材料做为栅极介电层材料时，五环素有机薄膜晶体管的五环素载子移动率仍无法高于2cm²/V-sec。因此，以现有的技术及材料，仍无法制作出具有高效率的有机薄膜晶体管。

同时，虽然一般的软性塑料基板可制作出具有可挠性以及可卷性的有机薄膜晶体管装置，由于环保意识已高度受到全世界的重视，故若使用塑料材料，则可能面临回收不易而造成环境污染的缺点。以纸为基板的有机薄膜晶体管是一种选择，但纸基板因工艺温度的限制以及介电层材料的选择有限，目前以纸为基板的有机薄膜晶体管的载子移动率偏低，举例而言，2004年德国的Florian Eder等人，在Applied Physics Letters期刊(Applied Physics Letters 84，2673-2675(2004))揭露以纸为基板并以聚乙烯苯酚(polyvinylphenol，PVP)为介电层材料的五环素有机薄膜晶体管的特性，其五环素载子移动率只有约0.2cm²/V-sec。

因此，目前亟需发展出一种以纸为基板的高效率有机薄膜晶体管及其制作方法，以期能简单且便宜的制作出具有可挠性、可卷性且环保的有机薄膜晶体管，并可大幅提升有机薄膜晶体管的晶体管效率。

发明内容

本发明的主要目的是在提供一种使用纸基板及蚕丝介电层的有机薄膜晶体管及其制作方法，以便能制作出具有可挠性、可卷性且高效率的有机薄膜晶体管。

为达成上述目的，本发明是提供一种有机薄膜晶体管装置，包括：一纸基板；一栅极，是配置于纸基板上；一栅极介电层，是配置于基板上且覆盖栅极，其中栅极介电层的材料是包含一蚕丝蛋白；一有机半导体层；以及一源极、以及一漏极，其中，有机半导体层、源极、以及漏极是配置于栅极介电层上方。

此外，本发明更提供一种有机薄膜晶体管装置的制作方法，包括下列步骤：(A)提供一纸基板；(B)形成一栅极于纸基板上；(C)涂布一蚕丝溶液于形成有栅极的纸基板上，以于基板与栅极上形成一栅极介电层；以及(D)形成一有机半导体层、一源极、以及一漏极于栅极介电层上方。

于本发明的有机薄膜晶体管装置及其制作方法中，是通过使用一蚕丝溶液以于具有栅极的纸基板上形成一包含有蚕丝蛋白的栅极介电层。相较于以往使用溅镀或真空沉积法形成栅极介电层，本发明的制作方法可通过溶液工艺形成，故工艺相当简单且便宜，并更有利于大面积生产。同时，蚕丝蛋白更具有便宜且取得便利等优点。另一方面，由于本发明的有机薄膜晶体管装置中所使用的蚕丝蛋白的材料结构与有机半导体层材料更加匹配，而可大幅提升有机薄膜晶体管装置的晶体管特性。此外，本发明的有机薄膜晶体管装置，是使用便宜且取得容易的纸做为基板材料，故可使所制得的有机薄膜晶体管装置具有可挠性及可卷性，甚至可折迭性，故可应用于各种不同领域中，如电子卷标(RFID)。同时，由于纸为可回收天然有机材料，故相较于以往使用塑料基板的有机薄膜晶体管装置，本发明的有机薄膜晶体管装置更加环保。

于本发明的有机薄膜晶体管装置中，蚕丝蛋白可为一天然蚕丝蛋白，且较佳为一丝心蛋白(fibroin)。此外，于本发明的有机薄膜晶体管装置的制作方法中，蚕丝溶液可为一含天然蚕丝蛋白的水溶液；且较佳为一含丝心蛋白的水溶液。

于本发明的有机薄膜晶体管装置的制作方法中，涂布蚕丝溶液的步骤(C)可还包括下列步骤：(C1)提供一蚕丝溶液；(C2)将蚕丝溶液涂布于形成有栅极的纸基板；以及(C3)干燥涂布于纸基板的蚕丝溶液，以于纸基板与栅极上形成一栅极介电层。因此，本发明的有机薄膜晶体管装置的制作方法中，仅需通过简单的涂布及干燥工艺，即可形成一蚕丝薄膜，以做为栅极介电层。在此，干燥工艺可使用一般常用的方法，如风乾、烘烤工艺等。另一方面，若仅做一次蚕丝溶液涂布，则可形成单层结构的蚕丝薄膜；而若需要可重复进行步骤(C)，以形成多层结构的蚕丝薄膜。此外，步骤(C2)较佳为：将蚕丝溶液滴于纸基板上，以将蚕丝溶液涂布于形成有栅极的纸基板。

此外，于本发明的有机薄膜晶体管装置及其制作方法中，包含栅极、漏极、源极等各电极可各自独立选自由：铜、铬、钴、镍、锌、银、铂、金、及铝所组成的群组。

此外，于本发明的有机薄膜晶体管装置及其制作方法中，有机半导体层的材料可包含一五环素(pentacene)；且较佳为有机半导体材料是为一五环素。

于本发明的有机薄膜晶体管装置的制作方法中，步骤(D)中，有机半导体层是完全覆盖栅极介电层，而源极与漏极是配置于有机半导体层上，以形成一上接触式有机薄膜晶体管。

此外，于本发明的有机薄膜晶体管装置的制作方法中，步骤(D)中，源极与漏极是配置于栅极介电层上，而有机半导体层是覆盖栅极介电层、源极、以及漏极，以形成一下接触式有机薄膜晶体管。

附图说明

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1A是已知的上接触式有机薄膜晶体管的示意图。

图1B是已知的下接触式有机薄膜晶体管的示意图。

图2A至2D是本发明实施例1的上接触式有机薄膜晶体管的制作流程的剖面示意图。

图3是本发明实施例1的有机薄膜晶体管传输特性测试图。

图4是本发明实施例1的有机薄膜晶体管输出特性测试图。

图5A至5C是本发明实施例2的下接触式有机薄膜晶体管的制作流程的剖面示意图。

具体实施方式

以下是由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟习此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可由其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可针对不同观点与应用，在不悖离本创作的精神下进行各种修饰与变更。

实施例1-上接触式有机薄膜晶体管装置

制备蚕丝水溶液

首先，准备含有10wt％的碳酸钠水溶液，待加热至沸腾后，将干燥的天然蚕丝加入，并煮沸30分钟以去除蚕丝外层的丝胶。而后，放入去离子水中清洗，以洗去蚕丝外层附着的碱液。经烘干后，可得到精练后的蚕丝，即丝心蛋白(fibroin)。

接着，将精练后的蚕丝放入20ml的85wt％磷酸溶液，搅拌至溶解。而后，将溶有蚕丝的磷酸溶液置入一透析膜中(Spectra/Por 3透析膜，截留分子量(molecular weight cutoff)＝14000)中透析3天，以去除磷酸溶液。最后，以滤纸滤除杂质，以得到一蚕丝水溶液。

制作上接触式有机薄膜晶体管装置

首先，如图2A所示，提供一纸基板20，而后，将纸基板20置于一真空腔体内(图中末示)，并使用一屏蔽(图中未示)以于纸基板20上蒸镀一图案化金属层，以做为一栅极21，如图2A所示。于本实施例中，栅极21的材料是为金，且其厚度约为80nm。此外，形成栅极21的热蒸镀法工艺条件是如下所示。

真空度：5×10^-6torr

蒸镀速率：

接着，将上述所制备的蚕丝水溶液滴于形成有栅极21的纸基板20上，以将蚕丝水溶液涂布于形成有栅极21的纸基板20上。静置15分钟后，甩干涂布有蚕丝水溶液的纸基板20，再于60C下烘干涂布于纸基板20上的蚕丝水溶液，则可形成一蚕丝薄膜，以做为一栅极介电层22，如图2B所示。于本实施例中，由蚕丝薄膜所形成的栅极介电层22，其厚度约为400nm。此外，亦可视需要，多次重复进行蚕丝水溶液涂布及烘干工艺，以形成多层蚕丝薄膜结构。

而后，使用一阴影金属屏蔽(shadow metal mask)，于室温下以热蒸镀法沉积五环素(pentacene)于栅极介电层22上，以做为一有机半导体层23，如图2C所示。于本实施例中，有机半导体层23的厚度约为70nm。此外，形成有机半导体层23的热蒸镀法工艺条件是如下所示。

真空度：2×10^-6torr

蒸镀速率：

最后，使用另一屏蔽(图中未示)，并通过与形成栅极的相同工艺条件，以于有机半导体层23上蒸镀一图案化金属层，以做为源极24与漏极25，如图2D所示。于本实施例中，源极24与漏极25的材料是为金，且其厚度约为80nm。

如图2D所示，经由上述工艺后，则可得到本实施例的上接触式有机薄膜晶体管装置，其包括：一纸基板20；一栅极21，是配置于纸基板20上；一栅极介电层22，是配置于纸基板20上且覆盖栅极21，其中栅极介电层22的材料是包含一蚕丝蛋白；一有机半导体层23，是完全覆盖栅极介电层22；以及一源极24、以及一漏极25，其中源极24与漏极25是配置于有机半导体层23上。

元件特性评估

将本实施例的上接触式有机薄膜晶体管装置进行电流-电压试验，其传输特性结果是如图3所示，而在不同栅极电压(V_G)下的输出特性结果是如图4所示。其中，电流开关比(current on-to-off ratio，ION/OFF)、次临界摆幅(subthreshold swing，S.S)、载子移动率(mobility)以及临界电压(threshold voltage，VTH)是如下表1所示。

表1

	测试结果
		通道宽度	600μm
通道长度	75μm
		蚕丝薄膜厚度	400nm
有机半导体层厚度	70nm
		电流开关比	3.2×10⁴
次临界摆幅	172mV/decade
		载子移动率	14.133ccm²/V-sec
临界电压	-0.77V

由图3、图4及表1的结果显示，本实施例的以蚕丝蛋白做为栅极介电层的介电材料的有机薄膜晶体管装置，栅极介电层材料其载子移动率可高达约14cm²/V-sec。相较于以往使用氮化硅或氮化铝做为栅极介电层材料的有机薄膜晶体管装置，本实施例因使用蚕丝蛋白做为栅极介电层材料，可大幅提升薄膜晶体管效率。

另一方面，由于本实施例的薄膜晶体管是采用纸做为基板，故材料取得方便且便宜。同时，相较于以往使用软性塑料基板所制得的薄膜晶体管，本实施例所制得的薄膜晶体管除了具有可挠性与可卷性外，甚至可以折迭。

实施例2一下接触式有机薄膜晶体管装置

如图5A所示，提供一纸基板20，并于纸基板20上方依序形成栅极21以与栅极介电层22。于本实施例中，纸基板20、栅极21以与栅极介电层22的材料及制备方法均与实施例1相同。此外，于本实施例中，栅极21厚度约为100nm，而栅极介电层22厚度约为500nm。

接着，如图5B所示，通过使用与实施例1形成栅极的相同工艺条件，于栅极介电层22上蒸镀一图案化金属层，以做为源极24与漏极25。于本实施例中，源极24与漏极25的材料是为金，且其厚度约为100nm。

最后，如图5C所示，通过使用与实施例1形成有机半导体层的相同工艺条件，于栅极介电层22、源极24与漏极25上形成一有机半导体层23。于本实施例中，有机半导体层23的材料是为五环素，且其厚度约为100nm。

如图5C所示，经由上述工艺后，则可得到本实施例的下接触式有机薄膜晶体管装置，其包括：一纸基板20；一栅极21，是配置于纸基板20上；一栅极介电层22，是配置于纸基板20上且覆盖栅极21，其中栅极介电层22的材料是包含一蚕丝蛋白；一源极24与一漏极25，是配置于栅极介电层22上；以及一有机半导体层23，是覆盖栅极介电层22、源极24、以及漏极25。

综上所述，本发明的有机薄膜晶体管装置及其制作方法，因以蚕丝蛋白做为介电材料并通过水溶液工艺制作栅极介电层，故可大幅减低工艺复杂度及制作成本，且适用于大面积生产有机薄膜晶体管装置。同时，于有机薄膜晶体管中，使用蚕丝蛋白可大幅提升薄膜晶体管效率。另一方面，由于本发明的有机薄膜晶体管装置是使用纸做为基板的材料，故材料取得方便且便宜，且更可使有机薄膜晶体管装置具有可挠性与可卷性。此外，于本发明的有机薄膜晶体管装置中，所采用的纸基板与蚕丝薄膜均为容易回收的天然有机材料，故可达到环保的目的。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims

1.一种有机薄膜晶体管装置，包括：

一纸基板；

一栅极，配置于该纸基板上；

一栅极介电层，配置于该纸基板上且覆盖该栅极，其中该栅极介电层的材料包含一蚕丝蛋白；

一有机半导体层；以及

一源极、以及一漏极，

其中，该有机半导体层、该源极、以及该漏极配置于该栅极介电层上方。

2.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管装置，其中该蚕丝蛋白为一天然蚕丝蛋白。

3.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管装置，其中该蚕丝蛋白为一丝心蛋白。

4.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管装置，其中该栅极介电层具有一单层结构或多层结构。

5.权利要求1所述的有机薄膜晶体管装置，其中该有机半导体层的材料包含一五环素。

6.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管装置，其中当该有机薄膜晶体管装置为一上接触式有机薄膜晶体管时，该有机半导体层完全覆盖该栅极介电层，而该源极与该漏极配置于该有机半导体层上。

7.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管装置，其中当该有机薄膜晶体管装置为一下接触式有机薄膜晶体管时，该源极与该漏极配置于该栅极介电层上，而该有机半导体层覆盖该栅极介电层、该源极、以及该漏极。

8.一种有机薄膜晶体管装置的制作方法，包括下列步骤：

(A)提供一纸基板；

(B)形成一栅极于该纸基板上；

(C)涂布一蚕丝溶液于该形成有栅极的纸基板上，以于该纸基板及该栅极上形成一栅极介电层；以及

(D)形成一有机半导体层、一源极、以及一漏极于该栅极介电层上方。

9.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，其中步骤(C)包括下列步骤：

(C1)提供一蚕丝溶液；

(C2)将该蚕丝溶液涂布于该形成有栅极的纸基板；以及

(C3)干燥该涂布于纸基板的蚕丝溶液，以于该纸基板及该栅极上形成一栅极介电层。

10.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，其中步骤(C2)为：将该蚕丝溶液滴于该纸基板上，以将该蚕丝溶液涂布于该形成有栅极的纸基板。

11.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，其中该蚕丝溶液为一含天然蚕丝蛋白的水溶液。

12.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，其中该蚕丝溶液为一含丝心蛋白的水溶液。

13.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，其中该有机半导体层的材料包含一五环素。

14.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，于步骤(D)中，该有机半导体层完全覆盖该栅极介电层，而该源极与该漏极配置于该有机半导体层上，以形成一上接触式有机薄膜晶体管。

15.如权利要求8所述的有机薄膜晶体管装置的制作方法，于步骤(D)中，该源极与该漏极配置于该栅极介电层上，而该有机半导体层覆盖该栅极介电层、该源极、以及该漏极，以形成一下接触式有机薄膜晶体管。