CN107369762B - 有机薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents

有机薄膜晶体管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种有机薄膜晶体管及其制造方法，所述晶体管包括：栅电极；有机半导体层，与栅电极叠置；绝缘层，位于栅电极与有机半导体层之间，绝缘层具有有机/无机混合区域，其中，有机/无机混合区域包括聚合物和无机材料，所述无机材料通过聚合物上的反应性基团化学地结合到聚合物，绝缘层包括与聚合物相邻的空间，无机材料置于该空间中。

Description

有机薄膜晶体管及其制造方法
于2016年5月11日在韩国知识产权局提交的第10-2016-0057488号、名称为“有机薄膜晶体管及其制造方法(Organic Thin Film Transistor and Method ofManufacturing the Same)”的韩国专利申请通过引用全部包含于此。
技术领域
实施例涉及一种有机薄膜晶体管及其制造方法。
背景技术
近来，由于由有机材料制成的膜柔性以及低温沉积的可能性的缘故，已经进行了有关使用有机半导体的电子元件的许多研究。在它们之中，可通过代替传统无机薄膜晶体管将有机薄膜晶体管不同地用作显示元件中的开关薄膜晶体管或驱动薄膜晶体管。
在该背景技术部分中公开的以上信息仅用于增强对发明的背景的理解，因此，它可能包含不构成在本国已被本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
实施例涉及一种有机薄膜晶体管及其制造方法。
实施例可通过提供一种有机薄膜晶体管来实现，所述有机薄膜晶体管包括：栅电极；有机半导体层，与栅电极叠置；绝缘层，位于栅电极与有机半导体层之间，绝缘层具有有机/无机混合区域，其中，有机/无机混合区域包括聚合物和无机材料，无机材料通过聚合物上的反应性基团化学地结合到聚合物，绝缘层包括与聚合物相邻的空间，无机材料置于该空间中。
在有机/无机混合区域中，无机材料的浓度可以沿远离有机半导体层的方向减小。
无机材料可包括氧化铝、氧化锆、氧化铪和氧化钛中的至少一种。
绝缘层还可包括包含有机材料的区域，包括有机材料的所述区域位于栅电极与有机/无机混合区域之间。
无机材料可包括铝和氧交替化学结合的基团、锆和氧交替化学结合的基团、铪和氧交替化学结合的基团或者钛和氧交替化学结合的基团。
有机半导体层可包括聚噻吩、聚乙炔、聚(3-烷基噻吩)、聚(噻吩乙烯撑)(poly(thienylenevinylene))、聚(3-己基噻吩)和聚丙烯中的至少一种。
包括反应性基团的聚合物可包括压克力树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚醚砜中的至少一种。
有机半导体层和绝缘层的边缘侧壁可以基本上对齐。
实施例可通过提供一种用于制造有机薄膜晶体管的方法来实现，所述方法包括：在基底上形成栅电极；在栅电极上形成有机绝缘层；在有机绝缘层上形成有机半导体层；将有机半导体层和有机绝缘层暴露于前驱体气体氛围；将有机半导体层和有机绝缘层暴露于反应物气体氛围；在有机绝缘层中形成有机/无机混合区域。
可使用同一掩模执行形成有机绝缘层和有机半导体层。
前驱体气体可包括反应形成氧化铝、氧化钛、氧化锆或氧化铪的材料。
前驱体气体可包括Al(CH3)3、Al[C(CH3)3]3、TiCl4、Ti[N(CH3)(C2H5)]4、Ti[N(CH3)2]4、Zr[N(CH3)(C2H5)]4、(C5H4)Zr[N(CH3)2]3、((C2H5)C5H3)Zr[N(CH3)(C2H5)]3、Hf[N(CH3)(C2H5)]4、((C2H5)C5H3)Hf[N(CH3)(C2H5)]3或(C5H4)Hf[N(CH3)2]3。
反应物气体包括水(气态)、臭氧和氧等离子体中的至少一种。
有机/无机混合区域可包括聚合物和无机材料，所述无机材料通过聚合物的反应性基团化学地结合到聚合物。
在有机/无机混合区域中，无机材料的浓度可沿远离有机半导体层的方向减小。
无机材料可包括铝和氧交替化学结合的基团、锆和氧交替化学结合的基团、铪和氧交替化学结合的基团或者钛和氧交替化学结合的基团。
有机半导体层可包括聚噻吩、聚乙炔、聚(3-烷基噻吩)、聚(噻吩乙烯撑)、聚(3-己基噻吩)和聚丙烯中的至少一种。
形成有机绝缘层可包括形成包括反应性基团的聚合物，所述包括反应性基团的聚合物包括压克力树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚醚砜。
有机半导体层对于前驱体气体和反应物气体可以是不活泼的，在有机绝缘层中形成有机/无机混合区域的步骤可包括使有机绝缘层中的材料与前驱体气体和反应物气体反应。
附图说明
通过参照附图详细地描述示例性实施例，对于本领域的技术人员特征将是明显的，在附图中：
图1示出示意性地展示根据本公开的示例性实施例的有机薄膜晶体管的剖视图。
图2示出图1的部分A的放大图。
图3示出示意性地展示图1的有机薄膜晶体管的绝缘层的化学结构的结构式。
图4至图11示出展示出根据本公开的示例性实施例的有机薄膜晶体管的制造方法中的阶段的图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述示例实施例；然而，示例实施例可以以不同的形式实施并且不应该被理解为限制于在此所阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将把示例性实施方式充分地传达给本领域技术人员。
如在此使用的，术语“或(者)”不是排除的。“A或B”包括任意和所有组合，例如，A、B或者A和B。同样的附图标记始终指示同样的元件。
将理解的是，当诸如层、膜、区域或基底的元件被称为“在”另一元件“上”时，所述元件可直接在所述另一元件上，或者还可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”时，则不存在中间元件。此外，在说明书中，词语“在……上”或“上方”意味着位于目标部分上或下，并且并不必要意味着基于重力方向位于目标部分的上侧上。
此外，除非明确地相反描述，否则词语“包括”及诸如“包含”的变形将理解为意指包括所陈述的元件，但是并不排除任何其它元件。
此外，在说明书中，短语“在平面上”意味着从顶部观看物体部分，短语“在剖面上”意味着观看从侧面竖直切割物体部分的剖面。
图1示出示意性地展示根据本公开的示例性实施例的有机薄膜晶体管的剖视图。图2示出图1的部分A的放大图。
参照图1，有机薄膜晶体管可形成在基底110上。有机薄膜晶体管可包括栅电极124、绝缘层140和有机半导体层154。源电极和漏电极(彼此分开定位)也可形成在有机半导体层154上。以此方式，有机薄膜晶体管可由源电极/漏电极、栅电极124、有机半导体层154和绝缘层140制成。
电流可通过有机半导体层154在源电极和漏电极之间流动，绝缘层140可帮助防止电流泄漏到栅电极124。
有机半导体层154可包括例如聚噻吩、聚乙炔、聚(3-烷基噻吩)、聚(噻吩乙烯撑)、聚(3-己基噻吩)或聚丙烯。在实施方式中，形成有机半导体层154的材料可不包括反应剂或者诸如“C＝O”或“S＝O”的反应性基团。
在实施方式中，绝缘层140可包括由有机材料制成的区域140a以及位于区域140a上的有机/无机混合区域140b。
包括在绝缘层140中的有机材料可以是聚合物，例如，压克力树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚醚砜。例如，包括在绝缘层140中的有机材料可包括诸如“C＝O”或“S＝O”的反应性基团。
接下来，将参照图2连同图1描述绝缘层140。
参照图1和图2，在本示例性实施例中，可在绝缘层140中形成或包括自由体积。本公开中指的自由体积意味着在由材料占据的体积之中围绕构造颗粒的空的空间，例如，颗粒之间的敞开的空间或空的空间。在本示例性实施例中，自由体积可指形成绝缘层140的多个聚合物内或形成绝缘层140的多个聚合物之间的空间，或者聚合物的主链断开的部分与相邻的聚合物之间的空间。有机半导体层154也可由聚合物形成，使得有机半导体层154也可具有自由体积。
有机/无机混合区域140b可包括包含反应性基团和与该反应性基团化学结合的无机材料的聚合物(例如，使得在有机/无机混合区域140b中，反应性基团与无机材料反应并被改性为形成聚合物与无机材料之间的连接基)。无机材料可包括例如氧化铝、氧化锆、氧化铪或氧化钛。在实施方式中，无机材料可位于上述自由体积处。例如，有机/无机混合区域140b中的无机材料可被包括在聚合物之间的空间中。在实施方式中，在有机/无机混合区域140b中，可不存在自由体积，并且自由体积可被通过反应性基团与聚合物结合的无机材料填充。在实施方式中，在有机/无机混合区域140b中，由于自由体积被经由与反应性基团的反应结合到聚合物的无机材料至少部分地填充，因此有机/无机混合区域140b中的自由体积的尺寸可相对于由有机材料制成的区域140a中的自由体积的尺寸减小。
在实施方式中，在绝缘层140的有机/无机混合区域140b中，无机材料的分布数量或分布浓度可沿远离有机半导体层154延伸的方向减小。例如，越靠近由有机材料制成的区域140a，无机材料的浓度或量可减小，并且自由体积的分布数量或尺寸可增大。
图3示出示意性地展示图1的有机薄膜晶体管的绝缘层的化学结构的结构式。图3示意性地示出聚合物和无机材料在图2的有机/无机混合区域140b中化学地结合的结构式。
参照图3，作为无机材料的一个示例，氧化铝可与聚合物的氧化学地结合。例如，无机材料可包括铝和氧交替化学结合的基团。在实施方式中，无机材料可包括锆和氧交替化学结合的基团、铪和氧交替化学结合的基团或钛和氧交替化学结合的基团。
再次参照图2，由有机材料制成的区域140a可位于有机/无机混合区域140b的下端，自由体积可保留在由有机材料制成的区域140a中的有机材料内，可不存在无机材料。
再次参照图1，在本示例性实施例中，有机半导体层154和绝缘层140的每个边缘侧壁可基本上对齐。通过经由同一掩模或者使用同一掩模连续地形成有机半导体层154和绝缘层140来呈现该结构。基本上对齐意味着在形成有机半导体层154和绝缘层140时，包括有机半导体层154和绝缘层140可因工艺余量而稍微偏移的程度。
在下文中，将参照图4至图11描述根据本公开的示例性实施例的有机薄膜晶体管的制造方法。
图4至图11示出展示出根据本公开的示例性实施例的有机薄膜晶体管的制造方法中的阶段的图。
参照图4，可在基底110上形成栅电极124，可将有机绝缘材料层和有机半导体材料层顺序地沉积在栅电极124上并将其图案化，以形成有机绝缘层141和有机半导体层154。在这种情况下，可通过使用同一掩模在同一时间将有机绝缘材料层和有机半导体材料层图案化，可使有机半导体层154和有机绝缘层141的每个边缘侧壁基本上对齐。
在实施方式中，有机绝缘材料层可包括例如压克力树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚醚砜。在实施方式中，有机半导体材料层可包括例如聚噻吩、聚乙炔、聚(3-烷基噻吩)、聚(噻吩乙烯撑)、聚(3-己基噻吩)或聚丙烯。
图5放大了图4的部分B，参照图5，有机绝缘层141可由有机材料制成，自由体积可形成在有机绝缘层141内。在图4的步骤中形成的有机绝缘层141被示出为仅由有机材料形成。在实施方式中，与图5一样，在图4的部分C中，自由体积可形成在有机材料内。
图6示出图4的部分C，可在有机绝缘层141和有机半导体层154上或上方形成前驱体气体氛围。该步骤是前驱体气体注入步骤，可执行前驱体气体注入步骤大约1秒-5秒。接下来，可执行前驱体气体暴露步骤几十秒，例如，60秒，使得前驱体气体穿过有机半导体层154(包括没有反应性基团的材料)，以扩散到有机绝缘层141的自由体积。接下来，为了去除有机半导体层154的表面中的剩余前驱体气体，可执行吹扫步骤大约60秒。
在实施方式中，前驱体气体可包括用于形成例如氧化铝、氧化钛、氧化锆或氧化铪的材料。例如，前驱体气体可包括作为用于形成氧化铝、氧化钛、氧化锆或氧化铪的前驱体的化合物。在实施方式中，前驱体气体可包括例如Al(CH3)3、Al[C(CH3)3]3、TiCl4、Ti[N(CH3)(C2H5)]4、Ti[N(CH3)2]4、Zr[N(CH3)(C2H5)]4、(C5H4)Zr[N(CH3)2]3、((C2H5)C5H3)Zr[N(CH3)(C2H5)]3、Hf[N(CH3)(C2H5)]4、((C2H5)C5H3)Hf[N(CH3)(C2H5)]3和(C5H4)Hf[N(CH3)2]3。
这里，Al(CH3)3是TMA(三甲基铝)，Al[C(CH3)3]3是三(叔丁基)铝，TiCl4是四氯化钛，Ti[N(CH3)(C2H5)]4是四(乙基甲基氨基)钛，Ti[N(CH3)2]4是四(二甲基氨基)钛，Zr[N(CH3)(C2H5)]4是四(乙基甲基氨基)锆，(C5H4)Zr[N(CH3)2]3是环戊二烯基三(二甲基氨基)锆，((C2H5)C5H3)Zr[N(CH3)(C2H5)]3是乙基环戊二烯基三(乙基甲基氨基)锆，Hf[N(CH3)(C2H5)]4是四(乙基甲基氨基)铪，((C2H5)C5H3)Hf[N(CH3)(C2H5)]3是乙基环戊二烯基三(乙基甲基氨基)铪，(C5H4)Hf[N(CH3)2]3是环戊二烯基三(二甲基氨基)铪。
图7和图8示出图4中示出的有机半导体层154和有机绝缘层141的边界部分。
图7示出穿过有机半导体层154的自由体积的前驱体气体扩散到有机绝缘层141的表面的状态，图8示出前驱体气体注入到有机绝缘层141的自由体积并与有机材料反应的状态。
图9示意性地示出有机材料和前驱体在图8的步骤中化学地结合的结构式。参照图9，包括在有机材料的反应性基团中的氧和前驱体的金属可结合。例如，铝和连接到有机材料的聚合物主链的氧可彼此结合。
接下来，与图6类似，可在有机绝缘层141和有机半导体层154上或上方形成反应物气体氛围。反应物气体可包括例如用于将图9中示出的材料转化成图3中示出的材料的气体。反应物气体可包括例如水(气态)、臭氧或氧等离子体。此步骤是反应物气体注入步骤，可执行反应物气体注入步骤大约1秒-5秒。接下来，执行反应物气体暴露步骤几十秒，例如60秒，使得反应物气体穿过有机半导体层154(包括没有反应性基团的材料)并扩散到有机绝缘层141的自由体积。接下来，为了去除有机半导体层154的表面中的剩余反应物气体，可执行吹扫步骤大约60秒。
图10和图11示出图4中示出的有机半导体层154和有机绝缘层141的边界部分。
图10示出穿过有机半导体层154的自由体积的反应物气体扩散到有机绝缘层141的表面的状态，图11示出反应物气体注入到有机绝缘层141的自由体积中并与同有机材料结合的前驱体的金属反应的状态。例如，如图9中示出的，反应物气体和自由体积中的与氧结合的铝可发生反应以化学地结合，可形成图3中示出的铝和氧交替地化学结合的基团。例如，有机半导体层154的材料对于前驱体气体和/或反应物气体可以是不活泼的。
可重复执行图6至图10的上述工艺步骤。如果执行这些工艺，那么可在有机绝缘层141中形成图1中示出的有机/无机混合区域140b。
在实施方式中，可执行将大量的氧注入到有机绝缘层141的步骤，以去除有机绝缘层141中的任何剩余的甲基。
通过总结和回顾的方式，有机薄膜晶体管可使用诸如氧化硅和氮化硅的无机绝缘层来帮助减少漏电流或防止漏电流。会引起对形成无机绝缘层所伴随的高的工艺温度和制造工艺的担忧。
如上所述，根据本公开的示例性实施例，可同时形成有机绝缘层和有机半导体层，使得可减少工艺时间和成本，有机半导体层可由没有反应性基团的材料形成，使得可在形成有机/无机混合区域时减少和/或防止对有机半导体层的损害。
实施例可提供一种包括绝缘层的有机薄膜晶体管，形成所述绝缘层不会对有机半导体造成损害，可帮助减少和/或防止漏电流。
根据实施例，有机/无机混合区域可形成在有机薄膜晶体管中，使得可减少和/或防止漏电流，并且当形成有机薄膜晶体管时，可简化工艺，使得可减少时间和成本。
这里已经公开了示例性实施例，尽管采用了具体术语，但仅以一般的和描述性的含义而非限制性的目的来使用和解释这些术语。在一些情况下，如对于到提交本申请时为止的本领域普通技术人员而言将明显的是，结合具体实施例描述的特征、特性和/或元件可单独使用，或者可与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用，除非另有明确说明。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如权利要求书中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化。
<附图标记的描述>
110：基底 124：栅电极
140：绝缘层 140a：由有机材料制成的区域
140b：有机/无机混合区域 141：有机绝缘层
154：有机半导体层

Claims (9)

1.一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管包括：
栅电极；
有机半导体层，与所述栅电极叠置；以及
绝缘层，位于所述栅电极与所述有机半导体层之间，所述绝缘层具有有机/无机混合区域，
其中：
所述有机/无机混合区域包括聚合物和无机材料，所述无机材料通过所述聚合物上的反应性基团化学地结合到所述聚合物，
所述绝缘层包括与所述聚合物相邻的空间，所述无机材料置于所述空间中，并且
所述无机材料包括铝和氧交替化学结合的基团、锆和氧交替化学结合的基团、铪和氧交替化学结合的基团或者钛和氧交替化学结合的基团。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，在所述有机/无机混合区域中，所述无机材料的浓度沿远离所述有机半导体层的方向减小。
3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，所述绝缘层还包括包含有机材料的区域，包括所述有机材料的所述区域位于所述栅电极与所述有机/无机混合区域之间。
4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，所述有机半导体层包括聚噻吩、聚乙炔、聚(3-烷基噻吩)、聚(噻吩乙烯撑)和聚丙烯中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的有机薄膜晶体管，其中，所述有机半导体层包括聚(3-己基噻吩)。
6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，包括所述反应性基团的所述聚合物包括压克力树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚醚砜。
7.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中，所述有机半导体层和所述绝缘层的边缘侧壁对齐。
8.一种用于制造有机薄膜晶体管的方法，所述方法包括：
在基底上形成栅电极；
在所述栅电极上形成有机绝缘层；
在所述有机绝缘层上形成有机半导体层；
将所述有机半导体层和所述有机绝缘层暴露于前驱体气体氛围，所述前驱体气体穿过所述有机半导体层，并且所述有机绝缘层中的有机材料的反应性基团上的氧与所述前驱体气体的金属化学结合；
将所述有机半导体层和所述有机绝缘层暴露于反应物气体氛围，所述反应物气体穿过所述有机半导体层并且和与所述有机材料的所述反应性基团上的所述氧结合的所述金属化学结合；以及
在所述有机绝缘层中形成有机/无机混合区域，
其中，所述有机半导体层对于所述前驱体气体和所述反应物气体是不活泼的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，使用同一掩模执行形成所述有机绝缘层和所述有机半导体层。
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