CN103413891B - 一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，其通过对栅绝缘层进行表面改性同时实现电极精细化和有机半导体层图形化，具体步骤为：1）在绝缘衬底之上制备栅电极；2）在绝缘衬底和栅电极之上制备栅极绝缘层；3）采用自组装单分子层修饰栅极绝缘层的上表面形成表面改性层；4）在表面改性层上打印精细化的源电极和漏电极；5）采用紫外光照射处于源电极与漏电极之间的沟道区域，除去该区域内的表面改性层；6）采用电极修饰材料修饰源电极和漏电极；7)在栅极绝缘层和电极修饰材料之上自组装形成图形化的有机半导体层。本发明与全溶液法加工工艺兼容，能有效降低成本，实现高效生产，提升有机薄膜晶体管的电学性能。

Description

一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法

技术领域

本发明涉及一种有机薄膜晶体管的制备方法，具体涉及一种实现喷墨电极精细化和半导体层图形化的有机薄膜晶体管制备方法，属于有机电子技术领域。

背景技术

近年来，随着大面积柔性电子领域以及智能电子等新的应用领域的发展，以有机薄膜晶体管（以下简称OTFT）为代表的新一代有机电子技术应运而生。随着高性能有机半导体材料以及优异绝缘层材料的研制，高性能OTFT器件不断涌现。要进一步发挥OTFT的低成本溶液法制造优势，电极材料也需要能采用溶液法加工，为此，无需定制掩膜、能按需打印的喷墨打印技术被越来越多地用到电极加工上面来。而要提高有机薄膜晶体管电流输出能力以及降低寄生电容以提高电路的工作速度，就需要制备线宽窄、间距短的高精度电极，然而，商用喷墨打印设备由于受制于喷头出墨量（一般为几十皮升）和对位精度（几微米），其通常打印所得电极图案的分辨率仅为50微米左右（墨滴以10皮升算）。目前通过光刻等工艺对衬底进行预加工以形成具有特性表面形貌的结构可以将电极间距减少到10微米以下（Science290(2000)2123-2126），而采用电极表面改性结合二次喷墨法可以将电极间距减少到亚微米级别（Adv.Mater.17(2005)997-1001）。但是这些方法都无例外地采用了增加额外的复杂加工工艺的措施，这与旨在简单方便高效的喷墨打印设计初衷相违背，上述方法不仅增加了制造工艺复杂性，而且不利于加工成本的降低。除此之外，为降低漏电流以及避免分立器件间的串扰等问题，需要对半导体层进行图形化处理，虽然结合光刻工艺能到达这一目的，但光刻工艺与溶液法工艺不兼容。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，通过调控打印界面的表面能以抑制喷墨液滴在该打印界面的横向扩张能力，从而减小电极的线宽，进一步缩小电极间距，以实现电极的精细化；同时，打印界面的表面能通过紫外曝光实现差异化，进而使得有机半导体溶液能够自组装到表沟道区域，以实现有机半导体层的图形化。

为实现上述之目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，该有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，自下而上依次包括绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、表面改性层、源电极、漏电极、电极修饰材料和有机半导体层，其特征在于：通过对栅绝缘层进行表面改性同时实现电极精细化和有机半导体层图形化。

所述制备方法的具体步骤如下：

1）在所述绝缘衬底之上制备所述栅电极；

2）在所述绝缘衬底和栅电极之上制备所述栅极绝缘层；

3）采用自组装单分子层修饰所述栅极绝缘层的上表面形成所述表面改性层；

4）在所述表面改性层上打印精细化的源电极和漏电极；

5）采用紫外光照射处于所述源电极与漏电极之间的沟道区域，除去该区域内的表面改性层；

6）采用所述电极修饰材料修饰所述源电极和漏电极；

7)在所述栅极绝缘层和电极修饰材料之上自组装形成所述图形化的有机半导体层。

所述步骤3）中，所述表面改性层采用高疏水性的含氟的硅烷、环氧烷或者膦酸烷，制备方法为溶液法或者气相生长法。

所述步骤5）中，所述紫外光的波长为195nm，照射时间为3600s；在紫外光照射处理前所述源电极与漏电极之间沟道区域内的表面改性层对水的接触角大于100°，照射处理后该沟道区域内的栅极绝缘层对水的接触角小于60°。

本发明具有下列明显的优点：

1.本发明避免了使用光刻等工艺，所述制备方法本身与溶液法制备工艺相兼容，有利于实现全溶液法制备，从而极大地降低了有机薄膜晶体管的制作成本，提高了生产效率。

2.所述制备方法使用自组装单分子层（SAMs）修饰绝缘衬底的表面，使得其表面能降低，形成高疏水性的表面改性层，这样喷墨印刷的墨水在打印界面上收缩得更厉害，限制了其横向扩张能力，从而实现了喷墨打印电极的精细化；试验结果表明，采用本发明所述方法打印的电极线宽小于50微米，沟道长度短于15微米，其精细化程度在目前直接喷墨打印技术中处于领先地位。

3.本发明采用紫外光照射将表面改性层实施表面能图形化（即包含有亲水区域和疏水区域），使被涂布的有机半导体溶液能自发组装到亲水区域，从而实现了有机半导体层的图形化。

4.精细化电极的制备和有机半导体层的图形化不会对有机半导体造成不良破坏，有利于提升有机薄膜晶体管的电学性能，并保证均一性。

附图说明

图1(a)-图1(g)是本发明的工艺步骤示意图。

图2是本发明制作的有机薄膜晶体管的俯视示意图。

图3(a)是实施例中源电极和漏电极的表面形貌图；

图3(b)是实施例中有机薄膜晶体管沟道长度的统计分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容及其具体实施步骤作进一步说明。

本发明提供了一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，其通过对栅绝缘层进行表面改性同时实现电极精细化和有机半导体层图形化。

请参阅图1(g)和图2，所述有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，自下而上依次包括绝缘衬底11、栅电极12、栅极绝缘层13、表面改性层14、源电极15-1、漏电极15-2、电极修饰材料16和有机半导体层17。所述绝缘衬底11为刚性衬底（如玻璃）或者柔性塑料衬底（如PET、PEN、PI、PAN、PEEK等），其位于所述有机薄膜晶体管的底层；所述栅电极12的材料是金属（如银等）或者导电有机聚合物（如PEDOT:PSS等），其位于所述绝缘衬底11之上；所述栅极绝缘层13为可交联的有机聚合物薄膜或者无机金属氧化物薄膜，其覆盖该绝缘衬底11和栅电极12；所述表面改性层14采用高疏水性的含氟的硅烷、环氧烷或者膦酸烷，比如1H,1H,2H,2H-perfluoro-octyltrichlorosilane(FOTS)、1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane(FTS)、Octadecylphosphonic acid（ODPA）等，其处于栅极绝缘层13的上表面；所述源电极15-1和漏电极15-2是可喷墨打印的导电金属，如金(Au)墨水、银(Ag)墨水、铜(Cu)墨水，或者有机导电聚合物材料，如PEDOT:PSS等，其制备在该表面改性层14上；所述电极修饰材料16修饰在该源电极15-1和漏电极15-2的表面上；所述有机半导体层17是有机小分子材料、聚合物材料或者它们的共混物，覆盖于所述栅极绝缘层13和电极修饰材料16之上。

请参阅图1(a)-图1(g)，本发明所述制备方法的具体步骤如下：

1）在所述绝缘衬底11之上制备所述栅电极12，见图1(a)，可以采用蒸发或者溅射形成金属电极，也可以采用印刷法制备金属电极或者导电聚合物电极。

2）在所述绝缘衬底11和栅电极12之上涂布所述栅极绝缘层13，见图1(b)，涂布方式采用旋涂、滴涂、浸渍、刮涂、喷涂或打印等。

3）采用疏水性的自组装单分子层（SAMs）修饰所述栅极绝缘层13的上表面，生长形成所述表面改性层14以降低表面能，，见图1(c)，从而降低喷墨用的墨水在打印界面上的横向铺开能力；该表面改性层14采用高疏水性的含氟的硅烷、环氧烷或者膦酸烷，制备方法为溶液法或者气相生长法。

4）使用喷墨打印设备在所述表面改性层14上通过优化打印参数（相邻喷墨间距、环境温度和喷头到打印表面的高度）打印精细化的源电极15-1和漏电极15-2，，见图1(d)，形成连续的电极线。

5）借助光掩膜板，见图1(e)，采用紫外光照射处于所述源电极15-1与漏电极15-2之间的沟道区域，除去该区域内的表面改性层14，恢复其亲水特性；在紫外光处理前后表面能大小具有很显著的变化，在紫外光照射处理前该沟道区域内的表面改性层14对水的接触角大于100°，照射处理后该沟道区域内的栅极绝缘层13对水的接触角小于60°；所采用紫外光的波长为195nm，照射时间为3600s。

6）采用所述电极修饰材料16修饰所述源电极15-1和漏电极15-2，，见图1(f)，修饰方法为液相修饰法。

7)在所述栅极绝缘层13和电极修饰材料16之上涂布有机半导体溶液，该有机半导体溶液自组装到亲水的沟道区域，在保留SAMs的疏水的其他区域不残留有机半导体溶液，从而形成图形化的有机半导体层17，见图1(g)和图2。

以上制作工艺流程的步骤3）和4）为源电极15-1与漏电极15-2的精细化工艺，步骤5）和7）为有机半导体层图形化工艺。

实施例1

1、使用装配有10皮升卡夹的Dimatix2831喷墨打印机在PEN绝缘衬底11上打印银栅电极12，在145℃温度下退火15分钟。

2、在PEN绝缘衬底11和银栅电极12表面涂布一层可交联的有机聚合物制成栅极绝缘层13，在100℃温度下退火60分钟。

3、采用SAMs修饰有机聚合物栅极绝缘层13上表面，形成高疏水性的表面改性层14，其对水的接触角大于100°，修饰方法为气相修饰法。

4、使用Dimatix2831喷墨打印机在表面改性层14上打印电极线；喷墨墨水使用非极性无颗粒型导电银墨水，使用以下打印参数：相邻喷墨间距为45微米，环境温度使用室温，喷头到打印表面的高度为800微米，从而形成银源电极15-1和漏电极15-2，在145℃温度下退火15分钟。

5、借助光掩膜板，用波长为195nm的紫外光照射处于源电极15-1与漏电极15-2之间的沟道区域以除去该区域的SAMs，恢复其亲水特性；照射时间3600s，照射处理后该沟道区域内的栅极绝缘层13对水的接触角小于60°；

6、用电极修饰材料16修饰源电极15-1和漏电极15-2，修饰方法为液相修饰法。

7、最后在整个栅极绝缘层13表面涂布有机半导体溶液，该有机半导体溶液自组装到亲水的沟道区域而不会残留在疏水的其他区域，从而形成图形化的有机半导体层17。

图3给出了实施例1精细化的电极形貌剖视图和加工出的有机薄膜晶体管沟道长度的统计分布图。从图3中可以看到，电极线宽小于50微米，沟道长度短于15微米，此精细化程度在目前直接喷墨打印技术中处在领先水平。

Claims (4)

1.一种用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，该有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，自下而上依次包括绝缘衬底、栅电极、栅极绝缘层、表面改性层、源电极、漏电极、电极修饰材料和有机半导体层，其特征在于：通过对栅绝缘层进行表面改性同时实现电极精细化和有机半导体层图形化；

所述制备方法的具体步骤如下：

1)在所述绝缘衬底之上制备所述栅电极；

2)在所述绝缘衬底和栅电极之上制备所述栅极绝缘层；

3)采用自组装单分子层修饰所述栅极绝缘层的上表面形成所述表面改性层；

4)在所述表面改性层上打印精细化的源电极和漏电极；

5)采用紫外光照射处于所述源电极与漏电极之间的沟道区域，除去该区域内的表面改性层；

6)采用所述电极修饰材料修饰所述源电极和漏电极；

7)在所述栅极绝缘层和电极修饰材料之上自组装形成所述图形化的有机半导体层。

2.根据权利要求1所述的用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述表面改性层采用高疏水性的含氟的硅烷、环氧烷或者膦酸烷，制备方法为溶液法或者气相生长法。

3.根据权利要求1所述的用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述紫外光的波长为195nm，照射时间为3600s。

4.根据权利要求1所述的用以改进结构性能的有机薄膜晶体管制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，在紫外光照射处理前所述源电极与漏电极之间沟道区域内的表面改性层对水的接触角大于100°，照射处理后该沟道区域内的栅极绝缘层对水的接触角小于60°。