CN105280816A - 一种使用等离子体交联技术制备有机场效应晶体管介电层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机电子器件技术领域，具体为使用等离子体交联技术制备场效应晶体管介电层的方法。本发明首先在衬底上制备栅极或栅极与绝缘层；然后再利用等离子体增强化学气相沉积方法（PECVD），通过等离子体活化可以发生聚合反应的单体，在栅极上或介电层上生长出致密、超薄、交联的有机物介电层；再在薄膜上面制备半导体层；最后制作源极与漏极。其中，使用PECVD方法实现有机材料相互交联进而制备高度绝缘并且致密超薄的介电层。该方法简单方便，可以实现全有机材料的柔性电子器件，克服无机材料的不可弯折性。高度交联的薄膜绝缘性能好，可以实现柔性电子器件所需要的超薄介电层的制备；同时不溶于一般的有机溶剂，可以实现全溶液法制备有机场效应晶体管。
Description
技术领域
本发明属于有机电子器件技术领域，具体涉及使用等离子体交联技术制备场效应晶体管介电层的方法。
背景技术
近些年来，有机电子器件获得飞速发展，新材料、新工艺、新器件层出不穷，科学研究和工业应用也都齐头并进。有机电子器件主要包括有机光伏电池、有机电致发光二极管、有机场效应晶体管等。而在场效应晶体管中，由于其开通与关断主要是通过栅极电压在半导体层中产生极化电荷连通源极与漏极这样的机理而实现的，所以器件介电层的介电特性及所加载的栅电压大小在制作性能优异的场效应晶体管中有着举足轻重的地位。而在实现器件小型化与高频化的过程中，为了降低MOSFET的开关损耗，如何在降低介电层厚度的同时保证良好的绝缘性能，并使寄生电容控制在合理的范围成为重要的研究课题。同时，基于有机材料可挠性，有机电致发光器件已经实现了良好的弯折性能，然而实现柔性显示的驱动电路尚不完善，因此，利用有机材料制作柔性电子器件也是现实需要。在我们的其他研究中发现，使用等离子体活化的某些单体可以在材料表面沉积，能够实现网状交联，改变原有底层材料的表面性能，同时沉积超薄的介电层。基于以上背景，我们发明了一种通过等离子体交联技术制备致密，超薄的介电层的技术。
电介质薄膜主要用于分立器件和集成电路的绝缘和钝化，通常有三种淀积方法：常压化学气相沉积，低压化学气相沉积和等离子体增强化学气相淀积（PECVD）。在选择一种淀积工艺时，需要考虑的因素有：衬底温度，淀积速率和膜的均匀性，表面形态，电学和机械性能，以及电介质膜的化学组分。目前，一般金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件的介电层主要成分为二氧化硅，化学气相沉积形成的二氧化硅膜并不能代替热生长的二氧化硅，因为热生长的二氧化硅具有最佳的电学性质，化学气相沉积氧化膜与热生长氧化膜是互为补充的。但是，热生长的二氧化硅并不能满足柔性器件的需要。另一方面，化学气相沉积方法被广泛应用于有机电介质薄膜的沉积上，将聚合物单体通入反应腔体，利用触媒实现在基板上的聚合反应成膜，也可以得到性质优越的绝缘薄膜，但是聚合反应在实现超薄薄膜的过程中常常伴随着较多的针孔，导致器件产生较大的漏电流。
我们提出的使用等离子体增强化学气相沉积方法中，单体选择具有交联性质的官能团的单体，一方面可以实现聚合反应在基板上生成介电层，另一方面，通过具备联结能力的小分子在聚合物孔隙间与聚合物实现交联，可以填补针孔，解决超薄有机薄膜的漏电流问题，同时不被一般有机溶剂溶解。通过不同小分子与聚合材料单体的组合，更可以改变薄膜电气性能，满足不同需要。
等离子体也称为物质的第四态，是一种电离的气体，通常由正离子、负离子、电子以及电中性粒子组成。等离子体的应用非常广，包括等离子体表面改性、等离子体聚合以及等离子体引发聚合等。其中等离子体表面改性指的是采用等离子体处理材料表面，使其表面基团以及其他性质发生改变的改性方式。等离子体聚合则是利用放电技术使有机气态单体发生电离、形成自由基等活性粒子，从而引发活性粒子或单体之间的聚合。我们提出等离子交联的技术，涉及到等离子体表面改性，也涉及到等离子体聚合或接枝聚合，既是引发活性气态单体之间的聚合，也是对薄膜表面进行接枝改性，形成交联网络。
发明内容
本发明目的在于克服上述薄膜工艺的不足，提供一种使用等离子体交联技术制备超薄场效应晶体管介电层的方法。
本发明中，所述有机场效应晶体管的器件结构包括衬底、栅电极、绝缘层、介电层（PECVD）、半导体层、源漏电极，所述使用等离子体交联技术制备超薄介电层的方法，是使用利用载气携带聚合物单体进入反应腔体，通过产生等离子体活化聚合物单体，在衬底或已有的绝缘层上聚合成膜，等离子体功率为10-1000W，处理时间为30-2000s。
本发明中，在制备介电层时，向反应腔体内通入载气和聚合物单体，不同气体组分通过不同的气体输运管道来控制，以达到最优气体组分比例，在等离子体环境下沉积薄膜。
本发明中，等离子体功率和处理时间取决于有机薄膜材料和气体种类，更取决于处理薄膜面积；对于更大面积薄膜处理，由于需要产生大面积等离子体，等离子体功率相应也会大幅升高，功率增幅与处理面积增幅是线性关系。本发明在等离子体氛围中，产生的活性基团，特别是交联性基团，在衬底或已有的绝缘层表面发生化学反应，并使得表面发生进一步交联，解决已有绝缘层针孔等问题。
本发明中，所述场效应晶体管包括各种不同结构，例如顶接触式与底接触式等。所述的电介质薄膜制备方法也不限于场效应晶体管介电层的制作，任何使用本方法制作有机电介质薄膜的工艺均应在保护范围内。
本发明中，介电层（PECVD）位于绝缘层和半导体层之间，则介电层与绝缘层构成复合绝缘层，可改善绝缘层的性能，如表面粗糙度、表面亲水性等；如果器件没有绝缘层，则介电层（PECVD）可以直接充当绝缘层的作用。
本发明中，所述载气为He、Ne、Ar、Xe、N2、H2、NH3等。
本发明中，所述聚合物单体一般含有可以聚合或交联的官能团（包括双键、三键、硅氧键、环氧基团），为N2H4、卤素化合物气体、有机化合物气体、硅烷、腈类化合物、含环状烷氧基类化合物中的一种，或其中几种混合气体；其中，所述卤素化合物气体为CF4、CHF3、C2F4、C3F6、C4F8中的一种，或其中几种混合气体，所述有机化合物气体为CH4、C2H4、C2H2、C3H6、苯乙烯中的一种，或几种混合气体；所述腈类化合物为氰化氢(氢氰酸)乙腈、丙烯腈、丙酮氰醇、偶氮二异丁腈或异氰酸酯。
本发明中，涉及产生等离子体的方法，包括介质阻挡放电、感应耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波等离子体、表面波等离子体等。
在等离子体作用下，衬底表面或已有的绝缘层表面发生等离子体增强化学气相沉积反应，单体不仅在表面聚合沉积，而且在表面交联，形成致密的网状结构的电介质薄膜。
本发明中，制备有机场效应晶体管的方法有溶液法、电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积等。其中，所述溶液法包括旋涂法、丝网印刷法、喷墨打印法等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
等离子体交联技术属于低温工艺，反应速度快，能够在很短的时间内完成交联；等离子体工艺成熟，设备简单，有利于大规模生产；等离子交联技术可以改善绝缘层表面特性，有利于实现全溶液法制备有机场效应晶体管；在聚合反应基础上进一步立体交联，形成更为致密的薄膜，实现超薄介电层的制作。
使用PECVD方法实现有机材料相互交联进而制备高度绝缘并且致密超薄的介电层。该方法简单方便，可以实现全有机材料的柔性电子器件，克服无机材料的不可弯折性。高度交联的薄膜绝缘性能好，可以实现柔性电子器件所需要的超薄介电层的制备（图1）；同时不溶于一般的有机溶剂，可以实现全溶液法制备有机场效应晶体管（图2）。
附图说明
图1为有机场效应晶体管图示。
图2为全溶液法制备有机场效应晶体管图示。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，以便更好的理解本发明的内容，具体包括选用的材料，工艺参数，器件构造与制备，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围，任何涉及到等离子体交联技术实现超薄介电层的制备，而没有实质性改变的等离子体交联技术都在保护范围内。
实施例1
一种有机场效应晶体管的制备，该有机场效应晶体管包括衬底，栅电极，介电层（PECVD），有机半导体层，源漏电极；
具体步骤：
第一步：清洗硅衬底
将不带有二氧化硅的n型重掺杂的硅衬底依次用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗10分钟，然后用氮气吹干。
第二步，等离子体增强化学气相沉积制备交联的介电层
将上述制备的半成品放置在真空腔体中，通入氩气和乙炔的混合气体，比例为5:3，保持压强为10Pa，感应耦合放电产生等离子体，功率为100W，处理时间为30分钟，形成一层超薄的介电层，充当绝缘层的作用。
第三步，制备有机半导体层
配置并五苯的氯仿溶液，5mg/ml，在介电层表面旋涂，转速为1500rpm，然后烘干，有机半导体层的厚度约为60nm。
第四步，蒸镀源漏电极
通过掩膜板在上述有机半导体层表面真空蒸镀电极，电极材料为银，形成源漏电极，厚度为100nm。
实施例2
一种有机场效应晶体管的制备，该有机场效应晶体管包括基底，栅电极，绝缘层，介电层（PECVD），有机半导体层，源漏电极，如图1所示。
具体步骤：
第一步：清洗硅衬底
将不带有二氧化硅的n型重掺杂的硅衬底依次用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗10分钟，然后用氮气吹干。
第二步：溶液法制备绝缘层
配置质量分数为8wt%浓度的聚乙烯醇溶液，将溶液涂布在硅衬底上，利用旋涂法制备介电层，转速约为2000rpm,然后烘干，厚度约为800nm。
第三步，等离子体增强化学气相沉积制备交联的介电层
将上述制备的半成品放置在真空腔体中，通入氩气和乙炔的混合气体，比例为5:1，保持压强为5Pa，感应耦合放电产生等离子体，功率为100W，处理时间为10分钟，形成一层超薄的介电层。
第四步，制备有机半导体层
配置并五苯的氯仿溶液，5mg/ml，在介电层表面旋涂，转速为1500rpm，然后烘干，有机半导体层的厚度约为60nm。
第五步，蒸镀源漏电极
通过掩膜板在上述有机半导体层表面真空蒸镀电极，电极材料为银，形成源漏电极，厚度为100nm。
Claims (7)
1.一种使用等离子体交联技术制备有机场效应晶体管介电层的方法，有机场效应晶体管的器件结构包括衬底、栅电极、绝缘层、介电层（PECVD）、半导体层、源漏电极；其特征在于，制备介电层时，使用利用载气携带聚合物单体进入反应腔体，通过产生等离子体活化聚合物单体，在衬底或已有的绝缘层上聚合成膜，等离子体功率为10-1000W，处理时间为30-2000s。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，当介电层位于绝缘层和半导体层之间，介电层与绝缘层构成复合绝缘层，以改善绝缘层的性能；如果器件没有绝缘层，则介电层直接充当绝缘层的作用。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子体，其产生方法包括介质阻挡放电、感应耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波等离子体或表面波等离子体。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载气选自He、Ne、Ar、Xe、N2、H2、NH3。
5.按照权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，所述聚合物单体含有可以聚合或交联的官能团，具体为N2H4、卤素化合物气体、有机化合物气体、硅烷、腈类化合物、含环状烷氧基类化合物中的一种，或其中几种混合气体。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可以聚合或交联的官能团包括双键、三键、硅氧键、环氧基团。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述卤素化合物气体为CF4、CHF3、C2F4、C3F6、C4F8中的一种，或其中几种混合气体；所述有机化合物气体为CH4、C2H4、C2H2、C3H6、苯乙烯中的一种，或几种混合气体；所述腈类化合物为氰化氢(氢氰酸)乙腈、丙烯腈、丙酮氰醇、偶氮二异丁腈或异氰酸酯。
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