CN103050626A - 一种溶液法电解质薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种溶液法电解质薄膜晶体管及其制备方法，该电解质薄膜晶体管为顶栅顶接触结构，包括绝缘衬底、半导体层、电解质绝缘层、源电极、漏电极和栅电极；其中，绝缘衬底位于电解质薄膜晶体管的最底层，半导体层位于绝缘衬底之上，电解质绝缘层覆盖于半导体层的部分上表面之上，源电极和漏电极分别制备在电解质绝缘层两侧的半导体层上并被电解质绝缘层隔开，栅电极制备在电解质绝缘层上；所述制备方法通过图案化光交联处理，并使用溶剂将部分电解质绝缘层处理掉，再进行单次真空蒸镀，利用表面高度差同时分别形成栅极、源极和漏极。本发明实现了低开态电压和大工作电流，并简化了加工工艺，降低了成本，适用于低成本的柔性电子技术。

Description

一种溶液法电解质薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种场效应晶体管，更具体地讲，涉及一种溶液法电解质薄膜晶体管及其制备方法，属于柔性电子技术领域。 

背景技术

溶液法薄膜晶体管由于具有低成本、可低温制备、易于柔性和大面积集成等优点取得了广泛的关注，其在传感单元、射频标志识别标签、电子纸显示背板、医疗卫生等领域已经取得了实际应用。随着人们对于电子产品低成本和便携性不断增长的要求，溶液法薄膜晶体管的发展势必会得到更大的推动和重视。 

使用聚合物电解质材料作为有机薄膜晶体管的绝缘层，能在提高绝缘层厚度的基础上，提高漏极输出电流和降低晶体管工作电压。这种低工作电压和大电流输出的晶体管可用于驱动有机电致发光器件、电子纸和液晶显示器等领域，具有良好的应用前景。 

作为电路的基础元器件，溶液法薄膜晶体管的加工工艺已经趋于成熟，由真空蒸镀电极，旋涂、打印或喷涂等方式制备有源层和绝缘层薄膜的工艺已得到广泛的应用。然而现行的工艺大多需要两次及两次以上的蒸镀工艺，将栅极和源极漏极分开加工，这无疑复杂化了加工过程，增加了器件加工成本和能耗，一定程度上限制了薄膜晶体管产业化的进一步发展。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种溶液法电解质薄膜晶体管及其制备方法，其以固态电解质为绝缘层材料，通过电解绝缘层的引入，实现一次性蒸镀同时制备形成多个电极并使电极自动区分的加工工艺，从而制备得到顶栅顶接触结构的电解质薄膜晶体管。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 

一种溶液法电解质薄膜晶体管，为顶栅顶接触结构，其包括：绝缘衬底、半导体层、电解质绝缘层、源电极、漏电极和栅电极；其中，绝缘衬底位于所述电解质薄膜晶体管的最底层，半导体层位于该绝缘衬底之上，电解质绝缘层覆盖于该半导体层的部分上表面之上，源电极和漏电极分别制备在电解质绝缘层两侧的半导体层上并被电解质绝缘层隔开，栅电极制备在该电解质绝缘层上。 

所述的绝缘衬底为玻璃或塑料薄膜。 

所述的半导体层为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，该无机半导体材料为无机氧化物半导体；或者，所述的半导体层为溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，该有机半导体材料为小分子半导体或聚合物半导体。 

所述电解质绝缘层为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料，该聚合物电解质绝缘层材 料为PVA+KF、PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI]或PEO+LiPF₆固态电解质。 

所述的栅电极、源电极和漏电极的材料为导电金属，该导电金属为金、银、铜或铝；或者，所述的栅电极、源电极和漏电极的材料为导电有机物，该导电有机物为PEDOT:PSS。 

本发明的另一技术方案为： 

一种用于所述的溶液法电解质薄膜晶体管的制备方法，其包括如下步骤： 

1）在所述绝缘衬底上制备半导体层，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法； 

2）在所述半导体层上制备电解质绝缘层，所用制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂； 

3）在所述电解质绝缘层上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层只覆盖半导体层的部分上表面，露出电解质绝缘层两侧的半导体层； 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层上制备栅电极，同时在露出的电解质绝缘层两侧的半导体层上分别制备源电极和漏电极，使电解质绝缘层将源电极与漏电极隔开，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

本发明充分利用了电解质绝缘层的厚度特性，通过图案化光交联处理，使用溶剂将部分区域电解质绝缘层处理掉，再进行单次真空蒸镀，从而利用表面高度差将各电极自动区分开来，一次性形成栅极、源极和漏极，从而制备得到顶栅顶接触结构的电解质薄膜晶体管。 

本发明所述的溶液法电解质薄膜晶体管及其制备方法具有以下优点： 

第一、巧妙利用电解质绝缘层的特性制备电解质薄膜晶体管，降低了工作电压，增加了输出电流。 

第二、巧妙利用电解质绝缘层的特性，通过将半导体的绝缘层加厚，实现单次蒸镀并自然区分栅极、源极和漏极的工艺，简化了加工工艺，降低了加工成本。 

第三、全部采用溶液法低温制备，能够很好的应用于柔性衬底。 

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图。 

图2A-图2D是本发明的制备方法流程图。 

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的实施方案。 

本发明所述的溶液法电解质薄膜晶体管为顶栅顶接触结构，如图1所示，其包括：绝缘衬底11、半导体层12、电解质绝缘层13、源电极14、漏电极15和栅电极16。 

所述的绝缘衬底11为玻璃或塑料薄膜等，其位于所述电解质薄膜晶体管的最底层。 

所述的半导体层12位于该绝缘衬底11之上，通常厚度为几十纳米。该半导体层12为溶 液法加工的电子导电的无机半导体材料，如常见的无机氧化物半导体；或者，该半导体层12为溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，如常见的小分子半导体或聚合物半导体。 

所述的电解质绝缘层13覆盖于该半导体层12的部分上表面之上，其厚度一般为几百纳米到几微米。所述电解质绝缘层13为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料，如PVA+KF、PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI]或PEO+LiPF₆等固态电解质体系。 

所述的源电极14和漏电极15分别制备在电解质绝缘层13两侧的半导体层12上，并且被该电解质绝缘层13隔开。 

所述的栅电极16制备在该电解质绝缘层13上。 

所述的栅电极16、源电极14和漏电极15通常厚度为几十纳米，其材料为导电金属，如金、银、铜或铝；或者，该栅电极16、源电极14和漏电极15的材料为PEDOT:PSS等导电有机物。 

请参阅图2A—图2D，所述溶液法双极性薄膜晶体管的制备方法的具体步骤如下： 

1）在所述绝缘衬底11上制备半导体层12，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法等溶液法； 

2）在所述半导体层12上制备电解质绝缘层13，所用制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂电解质绝缘层溶液； 

3）在所述电解质绝缘层13上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层13只覆盖半导体层12的部分上表面，露出电解质绝缘层13两侧的半导体层12； 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层13上制备栅电极16，同时在露出的电解质绝缘层13两侧的半导体层12上分别制备源电极14和漏电极15，使电解质绝缘层13将源电极14与漏电极15隔开，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

以下为采用所述方法制备溶液法电解质薄膜晶体管的具体实施例。 

实施例1—— 

1）在玻璃的绝缘衬底11上制备半导体层12，该半导体层12的材料为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为溶液法旋涂。 

2）在所述半导体层12上制备电解质绝缘层13，该电解质绝缘层13为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料PVA+KF，所用制备方法为溶液法旋涂电解质绝缘层溶液。 

3）在所述电解质绝缘层13上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层13只覆盖半导体层12的部分上表面，露出电解质绝缘层13两侧的半导体层12。 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层13上制备栅电极16，同时在露出的电解质绝缘层13两侧的半导体层12上分别制备源电极14和漏电极15，使电解质绝缘层13将源电极14与漏 电极15隔开；所述的栅电极16、源电极14和漏电极15材料为金；所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

实施例2—— 

1）在塑料薄膜的绝缘衬底11上制备半导体层12，该半导体层12的材料为溶液法加工的空穴导电的小分子半导体，所用制备方法为溶液法喷墨打印。 

2）在所述半导体层12上制备电解质绝缘层13，该电解质绝缘层13为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI]，所用制备方法为溶液法喷涂电解质绝缘层溶液。 

3）在所述电解质绝缘层13上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层13只覆盖半导体层12的部分上表面，露出电解质绝缘层13两侧的半导体层12。 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层13上制备栅电极16，同时在露出的电解质绝缘层13两侧的半导体层12上分别制备源电极14和漏电极15，使电解质绝缘层13将源电极14与漏电极15隔开；所述的栅电极16、源电极14和漏电极15材料为银；所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

实施例3—— 

1）在玻璃的绝缘衬底11上制备半导体层12，该半导体层12的材料为溶液法加工的空穴导电的聚合物半导体，所用制备方法为溶液法丝网印刷。 

2）在所述半导体层12上制备电解质绝缘层13，该电解质绝缘层13为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料PEO+LiPF₆，所用制备方法为溶液法刮涂电解质绝缘层溶液。 

3）在所述电解质绝缘层13上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层13只覆盖半导体层12的部分上表面，露出电解质绝缘层13两侧的半导体层12。 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层13上制备栅电极16，同时在露出的电解质绝缘层13两侧的半导体层12上分别制备源电极14和漏电极15，使电解质绝缘层13将源电极14与漏电极15隔开；所述的栅电极16、源电极14和漏电极15材料为铜；所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

实施例4—— 

1）在塑料薄膜的绝缘衬底11上制备半导体层12，该半导体层12的材料为溶液法加工的电子导电的无机氧化物半导体，所用制备方法为提拉法。 

2）在所述半导体层12上制备电解质绝缘层13，该电解质绝缘层13为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料PVA+KF，所用制备方法为溶液法旋涂电解质绝缘层溶液。 

3）在所述电解质绝缘层13上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层13只覆盖半导体层12的部分上表面，露出电解质绝缘层13两侧的半导体层12。 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层13上制备栅电极16，同时在露出的电解质绝缘层13两侧的半导体层12上分别制备源电极14和漏电极15，使电解质绝缘层13将源电极14与漏电极15隔开；所述的栅电极16、源电极14和漏电极15材料为铝；所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

实施例5—— 

1）在塑料薄膜的绝缘衬底11上制备半导体层12，该半导体层12的材料为溶液法加工的空穴导电的小分子半导体，所用制备方法为溶液法喷墨打印。 

2）在所述半导体层12上制备电解质绝缘层13，该电解质绝缘层13为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI]，所用制备方法为溶液法喷涂电解质绝缘层溶液。 

3）在所述电解质绝缘层13上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层13只覆盖半导体层12的部分上表面，露出电解质绝缘层13两侧的半导体层12。 

4）在经图案化处理的电解质绝缘层13上制备栅电极16，同时在露出的电解质绝缘层13两侧的半导体层12上分别制备源电极14和漏电极15，使电解质绝缘层13将源电极14与漏电极15隔开；所述的栅电极16、源电极14和漏电极15材料为导电有机物PEDOT:PSS；所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。 

Claims (8)

1.一种溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述电解质薄膜晶体管为顶栅顶接触结构，其包括：绝缘衬底、半导体层、电解质绝缘层、源电极、漏电极和栅电极；其中，绝缘衬底位于所述电解质薄膜晶体管的最底层，半导体层位于该绝缘衬底之上，电解质绝缘层覆盖于该半导体层的部分上表面之上，源电极和漏电极分别制备在电解质绝缘层两侧的半导体层上并被电解质绝缘层隔开，栅电极制备在该电解质绝缘层上。

2.根据权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述的绝缘衬底为玻璃或塑料薄膜。

3.根据权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述的半导体层为溶液法加工的电子导电的无机半导体材料，该无机半导体材料为无机氧化物半导体。

4.根据权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述的半导体层为溶液法加工的空穴导电的有机半导体材料，该有机半导体材料为小分子半导体或聚合物半导体。

5.根据权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述的电解质绝缘层为溶液法加工的聚合物电解质绝缘层材料，该聚合物电解质绝缘层材料为PVA+KF、PS-PMMA-PS+[EMIM][TFSI]或PEO+LiPF₆固态电解质。

6.根据权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述的栅电极、源电极和漏电极的材料为导电金属，该导电金属为金、银、铜或铝。

7.根据权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管，其特征在于，所述的栅电极、源电极和漏电极的材料为导电有机物，该导电有机物为PEDOT:PSS。

8.一种用于权利要求1所述的溶液法电解质薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

1）在所述绝缘衬底上制备半导体层，所用制备方法为旋涂、喷墨打印、丝网印刷或提拉法；

2）在所述半导体层上制备电解质绝缘层，所用制备方法为溶液法旋涂、喷涂或刮涂；

3）在所述电解质绝缘层上进行图案化处理，所用处理方法为使用具有一定图案的掩膜进行光交联，然后使用一定溶剂进行洗脱处理，使洗脱处理后的电解质绝缘层只覆盖半导体层的部分上表面，露出电解质绝缘层两侧的半导体层；

4）在经图案化处理的电解质绝缘层上制备栅电极，同时在露出的电解质绝缘层两侧的半导体层上分别制备源电极和漏电极，使电解质绝缘层将源电极与漏电极隔开，所用制备方法为使用具有一定图案的掩膜进行热蒸镀。

Images