CN102683591A - 一种制备有机场效应晶体管结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备有机场效应晶体管结构的方法，包括：在绝缘衬底上制备图形化的栅电极层；在栅电极层上沉积栅介质层；在栅介质层表面上制备图形化的源漏金属电极；将制备有图形化源漏金属电极的样品浸泡到表面修饰溶液中，对样品表面进行修饰；在修饰好的样品表面沉积有机半导体薄膜，完成器件的制备。本发明能够在金属电极表面和栅介质层表面同时自组织生长一层单分子层薄膜，改进器件的接触界面和沟道界面，从而制备出高迁移率的器件。
Description
技术领域
本发明涉及有机电子学技术领域，特别涉及一种制备有机场效应晶体管结构的方法。
背景技术
随着信息技术的不断深入，电子产品已经进入人们生活工作的每个环节。在日常生活中人们对低成本、柔性、低重量、便携的电子产品的需求越来越大。传统的基于无机半导体材料的器件和电路难于满足这些要求，因此可以实现这些特性的基于有机聚合物半导体材料的有机微电子技术在这一趋势下得到了人们越来越多的关注。
有机场效应晶体管作为有机电路的基础元器件，其性能对电路的性能起着决定性的作用。其中迁移率决定了器件工作的快慢，进而影响电路的工作频率；电压，包括工作电压和阈值电压，决定了器件以及电路的功耗。
为了提高器件的迁移率，人们采用了多种方法，其中一种就是通过表面修饰，在栅介质表面或者金属电极表面生长一层单分子层薄膜，从而改变表面的化学性质，提高在其上生长的有机半导体薄膜的质量。然而通常人们所用的方法要么是对栅介质表面进行独立修饰，要么是对金属电极表面进行独立修饰，独立修饰只能使有机半导体薄膜在修饰过的表面上生长的很好，而在没有修饰过的区域并没有改善，因而并不能使得器件的性能达到最佳。
除了进行独立修饰外，人们也会先后采用两种修饰方法对栅介质和金属电极表面进行修饰以达到一个综合效果。然而这种先后独立修饰的方法，过程较为复杂，不同的修饰剂之间还会进行互相干扰。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种有机场效应晶体管的制备方法，该方法能够在金属电极表面和栅介质层表面同时自组织生长一层单分子层薄膜，改进器件的接触界面和沟道界面，从而制备出高迁移率的器件。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制备有机场效应晶体管结构的方法，该方法包括：
在绝缘衬底上制备图形化的栅电极层；
在栅电极层上沉积栅介质层；
在栅介质层表面上制备图形化的源漏金属电极；
将制备有图形化源漏金属电极的样品浸泡到表面修饰溶液中，对样品表面进行修饰；
在修饰好的样品表面沉积有机半导体薄膜，完成器件的制备。
上述方案中，所述绝缘衬底为长有氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的硅片、绝缘玻璃或绝缘塑料薄膜。
上述方案中，所述栅电极层采用的材料包括金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛、钽和导电有机物PEDOT:PSS；所述在绝缘衬底上制备图形化的栅电极层的步骤中，栅电极层的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印或旋涂；金属电极的图形化采用光刻加刻蚀或者光刻加金属剥离工艺；聚合物电极的制备采用喷墨打印工艺。
上述方案中，所述栅介质层采用的材料包括氧化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯吡硌烷酮(PVP)、聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)和聚对二甲苯(parylene)；所述在栅电极层上沉积栅介质层的步骤中，通过低压化学气相沉积、溅射、原子层沉积、电子束蒸发、离子辅助沉积或者旋涂技术来制备栅介质层。
上述方案中，所述源漏金属电极采用的材料包括金、铂、银、铜或铝；所述在栅介质层表面上制备图形化的源漏金属电极的步骤中，源漏金属电极的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印、旋涂；金属电极的图形化采用光刻加刻蚀或者光刻加金属剥离工艺。
上述方案中，所述对样品表面进行修饰的步骤中，将同时在金属电极表面和栅介质层表面自组织生长一层单分子层薄膜，从而改进有机半导体与源、漏金属电极之间接触界面和有机半导体与栅介质之间的沟道界面。
上述方案中，所述表面修饰溶液为含有硫醇分子和硅烷分子的混合溶液。所述表面修饰溶液采用乙醇、异丙醇、松油醇、氯仿、氯苯、苯酚、甲苯或二甲苯作为溶剂。所述硫醇分子包括烷烃链分子大于等于8的烷烃链硫醇或五氟苯硫酚。所述硅烷分子包括三氟丙基三氯硅烷、2-苯乙基三氯化硅烷、叔丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅胺。所述表面修饰溶液具有一浓度，该浓度小于10mM/L。
上述方案中，所述将样品浸泡到表面修饰溶液的步骤中，样品在表面修饰溶液中浸泡的时间大于1个小时。
上述方案中，所述在修饰好的样品表面沉积有机半导体薄膜的步骤中，有机半导体薄膜采用的材料为并五苯、金属酞菁(CuPc)、P3HT、噻吩或红荧稀；该有机半导层薄膜通过真空热蒸发、旋涂、滴涂或喷墨打印工艺来制备。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种制备有机场效应晶体管结构的方法，能够一次性对栅介质和金属电极表面进行修饰。该方法在金属电极表面和栅介质层表面同时自组织生长一层单分子层薄膜，改进有机半导体与源、漏电极之间接触界面和有机半导体与栅介质之间的沟道界面，从而提高有机半导体薄膜在栅介质表面和金属电极表面的生长质量，获得有序均一的大晶粒薄膜，进一步提高器件的迁移率和注入效率。并且可以采用不同的组合，对器件的阈值电压进行调节。
附图说明
为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图及实施例子，对本发明做详细描述，
图1-1至图1-5为本发明提供的制备有机场效应晶体管结构的方法流程图；
图2为本发明提供的制备有机场效应晶体管方法中所用的硫醇分子的结构示意图；
图3为本发明提供的制备有机场效应晶体管方法中所用的硅烷分子的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种能够一次性对栅介质和金属电极表面进行修饰的方法，该方法在制备好源、漏金属电极和栅介质层之后，将样品浸泡在由硫醇分子和硅烷分子组合而成的混合溶液中对器件进行表面修饰，同时在金属电极表面和栅介质层表面自组织生长一层单分子层薄膜，从而改进有机半导体与源、漏电极之间接触界面和有机半导体与栅介质之间的沟道界面，提高有机半导体薄膜在栅介质表面和金属电极表面的生长质量，获得有序均一的大晶粒薄膜，进一步提高器件的迁移率和注入效率。并且可以采用不同的组合，对器件的阈值电压进行调节。
图1-1至图1-5为本发明提供的制备有机场效应晶体管结构的方法流程图，该方法主要包括以下步骤：
如图1-1所示，在绝缘衬底101上制备图形化的栅电极102，栅电极层的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印、旋涂。其中绝缘衬底101为电极、栅介质和有机半导体薄膜层的支撑部分，衬底应具有较低的表面粗糙度，和一定的防水汽和氧气渗透的能力。包括长有氧化硅、氮化硅等绝缘薄膜的硅片，绝缘玻璃和绝缘塑料薄膜。栅电极102薄膜的材料包括金，铝，铂，铜、银、镍、铬、钛、钽和PEDOT:PSS。金属电极的图形化采用先沉积薄膜，再光刻、刻蚀形成电极图形的工艺，或者采用先光刻形成对应的光刻胶图形，然后沉积金属薄膜，再通过金属剥离去除多余金属薄膜的工艺。聚合物电极的制备通过喷墨打印工艺同时实现沉积和图形化。
如图1-2所示，在栅电极层102上沉积栅介质层103。介质层材料包括氧化硅，氮化硅，氧化锆，氧化铝，氧化钽、氧化铪，聚酰亚胺(PI)、聚乙烯吡硌烷酮(PVP)、聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)和聚对二甲苯(parylene)。无机栅介质层通过低压化学气相沉积，溅射或者原子层沉积等方法来沉积，使其具有很好的台阶覆盖性。有机介质层的制备通过旋涂技术来沉积介质薄膜，经过退火处理形成高质量的薄膜。
如图1-3所示，在栅介质层103表面制备图形化的源、漏金属电极104。源、漏电极材料包括金、铂、银、铜。源、漏金属电极的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印、旋涂。金属电极的图形化采用先沉积薄膜，再光刻、刻蚀形成电极图形的工艺，或者采用先光刻形成对应的光刻胶图形，然后沉积金属薄膜，再通过金属剥离去除多余金属薄膜的工艺。
如图1-4所示，把样品浸泡到表面修饰溶液中，对器件表面进行修饰，在金属电极表面和栅介质层表面自组织生长一层单分子层薄膜，从而改进有机半导体与源、漏电极之间接触界面和有机半导体与栅介质之间的沟道界面。表面修饰溶液由硫醇分子(图2)和硅烷分子(图3)组合而成的混合溶液，溶解于乙醇、异丙醇、松油醇、氯仿、氯苯、苯酚、甲苯、或二甲苯有机溶剂中配制得到。表面修饰溶液的浓度小于10mM/L。为了使得有机分子能够在介质表面和电极表面形成紧密排列的单分子层薄膜，所需要的浸泡时间需要足够长，其中样品在表面修饰溶液中浸泡的时间大于1个小时。
如图1-5所示，制备有机半导体层106。有机半导体材料包括并五苯、金属酞菁(CuPc)、P3HT、噻吩和红荧稀。其中的有机半导层薄膜通过真空热蒸发、旋涂、滴涂、喷墨打印工艺来制备。完成器件的制备。
实施例一
该实施例所提供的有机场效应晶体管的具体制备方法如下：
步骤1，在长有300nm氧化硅的硅片衬底上首先通过光刻工艺制备栅电极的光刻胶图形，然后通过电子束蒸发沉积一层100nm厚的铝金属薄膜，通过金属剥离工艺去除不需要的光刻胶和金属薄膜，形成图形化的铝金属栅电极。
步骤2，在铝金属栅电极上通过原子层沉积技术制备30nm厚的氧化铝薄膜作为栅介质。
步骤3，在第一类栅介质层表面首先通过光刻工艺制备源、漏电极的光刻胶图形，然后通过电子束蒸发沉积一层50nm厚的金金属薄膜，通过剥离工艺去除不需要的光刻胶和金属薄膜，形成图形化的金源、漏电极。
步骤4，把样品浸泡到溶解于乙醇的5mM/L的正辛基硫醇和叔丁基三氯硅烷所组成的混合溶液中，对器件表面进行修饰。浸泡12小时候取出，用大量的乙醇溶液冲洗，去除多余的有机分子。在金属电极表面和栅介质层表面得到一层致密的有机单分子层薄膜。
步骤5，在修饰好的样品表面采用真空热蒸发技术制50nm的并五苯薄膜作为有机半导体层，完成该实施例所涉及器件的制备。
实施例二
该实施例所提供的有机场效应晶体管的具体制备方法如下：
步骤1，在柔性的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜衬底上首先通过光刻工艺制备栅电极的光刻胶图形，然后通过电子束蒸发沉积一层100nm厚的铝金属薄膜，通过金属剥离工艺去除不需要的光刻胶和金属薄膜，形成图形化的铝金属栅电极。
步骤2，在铝金属栅电极上通过原子层沉积技术制备30nm厚的氧化铝薄膜作为栅介质。
步骤3，在第一类栅介质层表面首先通过光刻工艺制备源、漏电极的光刻胶图形，然后通过电子束蒸发沉积一层50nm厚的金金属薄膜，通过剥离工艺去除不需要的光刻胶和金属薄膜，形成图形化的金源、漏电极。
步骤4，把样品浸泡到溶解于乙醇的5mM/L的五氟苯硫酚和十八烷基三氯硅烷所组成的混合溶液中，对器件表面进行修饰。浸泡12小时候取出，用大量的乙醇溶液冲洗，去除多余的有机分子。在金属电极表面和栅介质层表面得到一层致密的有机单分子层薄膜。
步骤5，在修饰好的样品表面采用真空热蒸发技术制50nm的并五苯薄膜作为有机半导体层，完成该实施例所涉及器件的制备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，该方法包括：
在绝缘衬底上制备图形化的栅电极层；
在栅电极层上沉积栅介质层；
在栅介质层表面上制备图形化的源漏金属电极；
将制备有图形化源漏金属电极的样品浸泡到表面修饰溶液中，对样品表面进行修饰；
在修饰好的样品表面沉积有机半导体薄膜，完成器件的制备。
2.根据权利要求1所述的有机场效应晶体管结构，其特征在于，所述绝缘衬底为长有氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的硅片、绝缘玻璃或绝缘塑料薄膜。
3.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管的方法，其特征在于，所述栅电极层采用的材料包括金、铝、铂、铜、银、镍、铬、钛、钽和导电有机物PEDOT:PSS；
所述在绝缘衬底上制备图形化的栅电极层的步骤中，栅电极层的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印或旋涂；金属电极的图形化采用光刻加刻蚀或者光刻加金属剥离工艺；聚合物电极的制备采用喷墨打印工艺。
4.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述栅介质层采用的材料包括氧化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝、氧化钽、氧化铪、聚酰亚胺PI、聚乙烯吡硌烷酮PVP、聚甲基丙稀酸甲酯PMMA和聚对二甲苯parylene；
所述在栅电极层上沉积栅介质层的步骤中，通过低压化学气相沉积、溅射、原子层沉积、电子束蒸发、离子辅助沉积或者旋涂技术来制备栅介质层。
5.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述源漏金属电极采用的材料包括金、铂、银、铜或铝；所述在栅介质层表面上制备图形化的源漏金属电极的步骤中，源漏金属电极的薄膜沉积方法包括真空热物理沉积、电子束沉积、离子辅助沉积、溅射、喷墨打印、旋涂；金属电极的图形化采用光刻加刻蚀或者光刻加金属剥离工艺。
6.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管的方法，其特征在于，所述对样品表面进行修饰的步骤中，将同时在金属电极表面和栅介质层表面自组织生长一层单分子层薄膜，从而改进有机半导体与源、漏金属电极之间接触界面和有机半导体与栅介质之间的沟道界面。
7.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管的方法，其特征在于，所述表面修饰溶液为含有硫醇分子和硅烷分子的混合溶液。
8.根据权利要求7所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述表面修饰溶液采用乙醇、异丙醇、松油醇、氯仿、氯苯、苯酚、甲苯或二甲苯作为溶剂。
9.根据权利要求7所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述硫醇分子包括烷烃链分子大于等于8的烷烃链硫醇或五氟苯硫酚。
10.根据权利要求7所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述硅烷分子包括三氟丙基三氯硅烷、2-苯乙基三氯化硅烷、叔丁基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅胺。
11.根据权利要求7所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述表面修饰溶液具有一浓度，该浓度小于10mM/L。
12.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述将样品浸泡到表面修饰溶液的步骤中，样品在表面修饰溶液中浸泡的时间大于1个小时。
13.根据权利要求1所述的制备有机场效应晶体管结构的方法，其特征在于，所述在修饰好的样品表面沉积有机半导体薄膜的步骤中，有机半导体薄膜采用的材料为并五苯、金属酞菁CuPc、P3HT、噻吩或红荧稀；该有机半导层薄膜通过真空热蒸发、旋涂、滴涂或喷墨打印工艺来制备。
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