CN102646791B - 一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法 - Google Patents

一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法，该方法包括：在衬底上制备栅电极；制备覆盖衬底和栅电极的绝缘层；在绝缘层上制备与栅电极位置重叠的光刻胶图案；在光刻胶图案两侧的绝缘层上制备源电极、漏电极；剥离光刻胶图案；制备有机半导体层。采用本发明中的方法制作的OTFT器件的源电极、漏电极与栅电极的交叠面积几乎为零，从而大大降低了器件的栅源、栅漏寄生电容，提高了OTFT器件的电特性。

Description

一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法。
背景技术
有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor，OTFT)是一种基本逻辑单元器件，器件主要由栅电极、绝缘层、源/漏电极和有机半导体层构成。OTFT具有适合大面积加工、适用于柔性基板、工艺成本低等优点，在平板显示、传感器、存储卡、射频识别标签等领域显现出应用前景。因此，OTFT的研究与开发在国际上受到广泛关注。
近年来，有机半导体材料的研究非常活跃，OTFT的综合性能已经达到商用非晶硅的水平，尤其是一些小分子化合物如并五苯、酞菁氧钒、红荧稀等的室温载流子迁移率已经超过了1cm2/Vs。现有技术中的OTFT的结构如图1所示，图中所示的OTFT为底栅底接触结构，最底层为衬底1，衬底之上为栅电极2；覆盖衬底1和栅电极2上的为绝缘层3；位于绝缘层3之上的为源电极5、漏电极6，最后在源电极5、漏电极6之上的为有机半导体层7。在图中可以看到，根据目前的工艺制作的OTFT源电极5、漏电极6与栅电极2有局部的交叠8，这样交叠8部分就会产生栅源、栅漏寄生电容，从而影响OTFT器件的电特性，例如延迟现象等。
发明内容
本发明实施例提供了一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法，用以解决现有技术中存在的OTFT器件中源电极、漏电极与栅电极局部交叠产生栅源、栅漏寄生电容，影响OTFT器件电特性的问题。
本发明实施例提供了一种有机薄膜晶体管器件的制作方法，该方法包括：
在衬底上制备栅电极；
制备覆盖所述衬底和所述栅电极的绝缘层；
在所述绝缘层上制备与所述栅电极位置重叠的光刻胶图案；
在所述光刻胶图案两侧的绝缘层上制备源电极、漏电极；
剥离所述光刻胶图案；
制备有机半导体层。
相应的，本发明实施例提供了一种有机薄膜晶体管器件，包括：
衬底；
栅电极，所述栅电极制备于所述衬底上；
绝缘层，所述绝缘层覆盖所述衬底和栅电极；
源电极和漏电极，所述源电极和漏电极制备于绝缘层上，与所述栅电极不交叠；和
有机半导体层，所述有机半导体层制备于所述源电极与漏电极之间且覆盖部分源电极和漏电极。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供了一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法，在本发明中，首先在衬底上制备栅电极，然后制备覆盖衬底和栅电极的绝缘层，在绝缘层上制备与栅电极位置重叠的光刻胶图案，在与栅电极位置重叠的光刻胶图案两侧的绝缘层上制备源电极、漏电极，剥离与栅电极位置重叠的光刻胶图案，最后形成位于源电极与漏电极之间且覆盖部分源电极和漏电极的有机半导体层。采用本发明中的方法制作的OTFT器件的源电极、漏电极与栅电极的交叠面积几乎为零，从而大大降低了器件的栅源、栅漏寄生电容，提高了OTFT器件的电特性；采用普通的源漏极材料即可实现，制备成本比较低。
附图说明
图1为现有技术中有机薄膜晶体管器件的截面图；
图2为本发明实施例中有机薄膜半导体器件的制备流程图；
图3为本发明实施例中制成栅电极后的截面图；
图4为本发明实施例中制成绝缘层后的截面图；
图5为本发明实施例中制成光刻胶图案后的截面图；
图6为本发明实施例中制成源电极、漏电极后的截面图；
图7为本发明实施例中剥离掉光刻胶图案后的截面图；
图8为本发明实施例中有机薄膜晶体管器件的截面图。
具体实施方式
针对现有技术中存在的OTFT器件的源电极、漏电极与栅电极局部交叠产生栅源、栅漏寄生电容，影响OTFT器件电特性的问题，本发明实施例提供一种有机薄膜晶体管器件及其制作方法。
本发明实施例提供的有机薄膜晶体管器件制作方法，其流程如图2所示，包括如下步骤：
步骤S11：在衬底上制备栅电极。
其中，衬底的材料为玻璃或塑料中的任一种。优选的，衬底的材料选用玻璃。
参见图3，在衬底1上制备栅电极2，可以包括如下两种制备方式：
方式一：在衬底上制备栅电极金属层，光刻栅电极金属层，得到栅电极。
在衬底上制备栅电极金属层，在栅电极金属层上覆盖一层光刻胶，烘干光刻胶，对烘干后的光刻胶进行曝光显影，得到栅电极光刻胶图案，以栅电极光刻胶图案作为保护层对栅电极金属层进行刻蚀，刻蚀掉未被栅电极光刻胶图案覆盖的栅电极金属层，然后去除栅电极光刻胶图案，得到栅电极。
以采用射频磁控溅射的方法在玻璃衬底上镀金属Mo为例，具体步骤为：在玻璃衬底1上利用射频磁控溅射的方法镀上一层Mo，厚度为200nm，利用旋涂的方法在Mo上旋涂一层光刻胶，厚度为1.0-3.0μm，优选1.0μm，烘干后掩模曝光，刻蚀制成栅电极光刻胶图案(光刻工艺)，然后以该光刻胶图案为保护层利用湿刻的方式将金属Mo制成栅极形状2。
方式二：用阴影掩膜覆盖衬底，在覆盖阴影掩膜后的衬底上制备栅电极金属层，去掉阴影掩膜后得到栅电极。
其中，阴影掩膜根据需要制备的栅电极预留孔洞，阴影掩膜覆盖在衬底上后，需要制备栅电极的位置通过预留的孔洞暴露出来，在覆盖阴影掩膜后的衬底上制备栅电极金属层时，部分栅电极金属层位于阴影掩膜上，部分栅电极金属层由于阴影掩膜上孔洞的存在而位于衬底上。去除阴影掩膜时，位于阴影掩膜上的栅电极金属层被去除，留下位于衬底上的部分栅电极金属层，即为栅电极。
以真空蒸发的方法在塑料衬底上制备Au膜为例，具体步骤包括：
用阴影掩模覆盖玻璃衬底1，用真空蒸发的方式镀上一层厚度为250nm的Au膜，这时Au膜会同时沉积在玻璃衬底和阴影掩膜上，然后去掉阴影掩膜得到栅电极2，同时也去掉了阴影掩膜上的Au膜，留下的就是作为栅电极的Au膜。
上述在衬底上制备栅电极时，用于形成栅电极的栅电极金属层的材料为金Au、银Ag、铜Cu、钼Mo、铝Al、铬Gr、Au浆、Ag浆、Cu浆以及聚(3，4-乙撑二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸盐PEDOT/PSS中的任一种。栅电极金属层的厚度为50-400nm。
栅电极金属层的制备方法为溅射、电子束蒸发、热沉积、喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、纳米压印以及微接触印刷中的任一种。
步骤S12：制备覆盖衬底和栅电极的绝缘层。
参见图4，制备覆盖衬底1和栅电极2的绝缘层3，可以包括如下两种制备方式：
方式一：采用热沉积或者化学气相沉积的方法制备覆盖衬底和栅电极的绝缘层。
其中，绝缘层的材料为氧化钽Ta2O5、氧化钛TiO2、氧化锆ZrO2、氧化铝Al2O3、氮化硅SiNX、氧化硅SiO2中的任何一种或者几种。
绝缘层的厚度为100-400nm。
沉积的方法包括很多种，在这里可以采用等离子增强化学气相沉积的方法在衬底1和栅电极2上面制备SiNX作为栅绝缘层3，厚度为300nm。
方式二：采用旋涂的方法制备覆盖衬底和栅电极的绝缘层。
其中，绝缘层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯苯酚、聚氨酯、酚醛树脂、聚偏氟乙烯中的任何一种或者几种。
采用旋涂方法制备绝缘层时的前烘干过程的温度为70-100℃，时间为10-30min；后烘干过程的温度为120-150℃，时间为10-30min。
例如：可以在栅电极上面用旋涂的方法制备聚甲基丙烯酸甲酯薄膜作为栅电极绝缘层3，前烘干温度为80℃，时间为20min，后烘干温度为120℃，时间为20min，厚度为450nm。
步骤S13：在绝缘层上制备与栅电极位置重叠的光刻胶图案。
参见图5，在绝缘层1上制备与栅电极2位置重叠的光刻胶图案4，具体包括以下步骤：在绝缘层3上涂覆光刻胶；烘干光刻胶；以栅电极2为掩模板用紫外线从衬底1底部对光刻胶进行曝光、显影；显影后得到与栅电极2位置重叠的光刻胶图案4。
由于是以栅电极作为掩模板用紫外线从衬底底部对光刻胶进行曝光、显影，从而保证了剩余的光刻胶与栅电极位置重叠，保证了在后续制作源电极、漏电极时，不会与栅电极产生交叠。
其中，涂覆光刻胶的方法是旋涂法，光刻胶的厚度为1.0-3.0μm。
采用旋涂的方法在绝缘层1上制备与栅电极2位置重叠的光刻胶图案4的具体步骤为：利用旋涂的方法在栅电极绝缘层3上涂覆光刻胶薄膜，厚度为1.5μm，烘干后以栅电极2为掩模板，从衬底底部也就是栅电极背后用紫外线曝光光刻胶并进行显影，显影后形成光刻胶图案4，光刻胶图案4保护制备的源漏电极之间的沟道，避免了源漏电极与栅电极形成栅源、栅漏寄生电容的产生以及对OTFT器件电性能的影响。
步骤S14：在光刻胶图案两侧的绝缘层上制备源电极、漏电极。
参见图6，在光刻胶图案4两侧的绝缘层上制备源电极5、漏电极6，包括以下步骤：
在光刻胶图案4和绝缘层3上制备源漏电极金属层；光刻源漏电极金属层，得到源电极5、漏电极6，其中，光刻后留下光刻胶图案4上面的金属层和光刻胶图案4两侧的部分金属层，光刻后的光刻胶图案4两侧的源漏电极金属层作为源电极5和漏电极6。
其中，光刻源漏电极金属层的工艺也是需要涂覆光刻胶，经曝光、显影后留下保护源、漏电极区域的光刻胶，以光刻胶为保护层刻蚀源漏电极金属层得到源、漏电极，与普通的光刻过程类似，此处不再详细描述。
其中，源漏电极金属层的材料为金Au、银Ag、铜Cu、钼Mo、铝Al、铬Gr、Au浆、Ag浆、Cu浆以及聚(3，4-乙撑二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸盐PEDOT/PSS中的任一种。
源漏电极金属层的制备方法为溅射、电子束蒸发、热沉积、喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、纳米压印以及微接触印刷中的任一种。
源漏电极金属层的厚度为50-400nm。
以采用纳米压印的方法制备Au膜为例，上述步骤具体包括：纳米压印一层Au，Au膜的厚度为80nm，由于Au膜的厚度小于与栅电极2位置重叠的光刻胶图案4的厚度，所以Au膜在与栅电极2位置重叠的光刻胶图案4两侧自然分开，然后对Au膜进行光刻，光刻后留下光刻胶图案4上面的Au膜和光刻胶图案4两侧的部分Au膜，光刻后的光刻胶图案4两侧的源漏电极Au膜作为源电极5和漏电极6。
步骤S15：剥离光刻胶图案。
参见图7，在剥离光刻胶图案4的时候，位于光刻胶图案4上面的制备源漏电极时覆盖的金属层同时脱落，源漏电极之间的沟道暴露出来。
步骤S16：制备有机半导体层。
参见图8，制备有机半导体层7，具体包括以下步骤：制备覆盖源电极5、漏电极6和绝缘层3的有机半导体薄膜；光刻有机半导体薄膜，得到有机半导体层7。其中有机半导体层7覆盖源电极5、漏电极6之间的绝缘层部分并覆盖部分源电极5和漏电极6，例如图8所示其形状为有机半导体岛状。
其中，有机半导体层的材料为并五苯、并四苯、酞菁铜、酞菁氧钒、氟代酞菁铜、聚(3-己基噻吩)P3HT中的任一种。
有机半导体层的制备方法为沉积、打印或旋涂中的任一种。
有机半导体层的厚度为30-200nm。
制备有机半导体层的方法有很多种，下面列出两种制备方法：
第一种：沉积法。
沉积的方法适用于小分子物质，采用分子气相沉积法制备酞菁氧钒半导体层的具体步骤为：采用分子气相沉积的方法制备酞菁氧钒半导体薄膜，厚度为100nm，并经反应离子刻蚀制成酞菁氧钒半导体岛状，得到有机半导体层7。
第二种：旋涂法。
旋涂的方法适用于聚合物，采用旋涂法制备聚(3-己基噻吩)半导体层的具体步骤为：采用溶液旋涂的方法制备聚(3-己基噻吩)薄膜，厚度为120nm，并经光刻后得到聚(3-己基噻吩)半导体岛状，得到有机半导体层7。
采用本发明实施例提供的有机薄膜晶体管器件制作方法，制作得到的有机薄膜晶体管结构如图8所示，包括：衬底1；栅电极2，栅电极2制备于衬底1上；绝缘层3，绝缘层3覆盖衬底1和栅电极2；源电极5和漏电极6，源电极5和漏电极6制备于绝缘层3上，与栅电极2不交叠；和有机半导体层7，有机半导体层7制备于源电极5与漏电极6之间且覆盖部分源电极5和漏电极6。
采用本发明中的方法制作的OTFT器件中，由于以栅极作为掩模板对光刻胶曝光、显影，使留下的光刻胶与栅电极位置重叠，能够很好的保证源电极、漏电极与栅电极的交叠面积几乎为零，从而大大降低了器件的栅源、栅漏寄生电容，提高了OTFT器件的电特性；采用普通的源漏极材料即可实现，制备成本比较低；利用栅电极作为掩模板，简化了制备工艺。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种有机薄膜晶体管器件的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上制备栅电极；
制备覆盖所述衬底和所述栅电极的绝缘层；
在所述绝缘层上制备与所述栅电极位置重叠的光刻胶图案；
在所述光刻胶图案两侧的绝缘层上制备源电极、漏电极；
剥离所述光刻胶图案；
制备有机半导体层；
其中，在所述光刻胶图案两侧的绝缘层上制备源电极、漏电极，具体包括：
在所述光刻胶图案和绝缘层上制备源漏电极金属层；
光刻所述金属层，得到所述源电极、漏电极，其中，光刻后的所述光刻胶图案两侧的源漏电极金属层作为源电极和漏电极；
其中，所述光刻胶的厚度为1.0-3.0μm；所述源漏电极金属层的厚度为50-400nm。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底上制备栅电极，具体包括：
在所述衬底上制备栅电极金属层，光刻所述金属层，得到栅电极；或
用阴影掩膜覆盖所述衬底，在覆盖所述阴影掩膜后的衬底上制备栅电极金属层，去掉所述阴影掩膜后得到栅电极。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用热沉积或者化学气相沉积的方法制备覆盖所述衬底和所述栅电极的绝缘层；或
采用旋涂的方法制备覆盖所述衬底和所述栅电极的绝缘层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，采用热沉积或者化学气相沉积的方法制备时，所述绝缘层的材料为氧化钽Ta2O5、氧化钛TiO2、氧化锆ZrO2、氧化铝Al2O3、氮化硅SiNX、氧化硅SiO2中的任何一种或者几种；或
采用旋涂的方法制备时，所述绝缘层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚乙烯苯酚、聚氨酯、酚醛树脂、聚偏氟乙烯中的任何一种或者几种。
5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为100-400nm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述绝缘层上制备与所述栅电极位置重叠的光刻胶图案，具体包括：
在所述绝缘层上涂覆光刻胶；
烘干所述光刻胶；
以栅电极为掩模板用紫外线从衬底底部对所述光刻胶进行曝光、显影；
显影后得到与所述栅电极位置重叠的光刻胶图案。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述涂覆光刻胶的方法是旋涂法。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备有机半导体层，具体包括：
制备覆盖所述源电极、漏电极和绝缘层的有机半导体薄膜；
光刻所述有机半导体薄膜，得到所述有机半导体层。
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Granted publication date: 20150610