CN107644936B - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有由基板、源极、漏极、有源层、有机绝缘层、栅极构成的顶栅结构，有源层为有机半导体材料，其特征在于，栅极采用复合结构，所述复合结构的制备方法为：（1）通过真空蒸镀技术在有机绝缘层上沉积第一金属层；（2）通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层；（3）通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层。本发明所制备的有机薄膜晶体管器件在性能上得到提高：迁移率达到5cm2/Vs，器件开关比Ion/Ioff达到109，大大降低了栅极制程中对有机绝缘层的损伤，提高了有机薄膜晶体管的相关电学性能，具有工艺简单，成本低廉，易于产业化等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor，简称为OTFT) 自20世纪80年代中期出现后，因其具有质轻、价廉、柔韧性好的优点，在各种显示装置以及存储器，尤其是电子纸、柔性显示领域显示了优异的应用前景，因此受到了研究人员的极大重视，并得以迅速发展。
有机薄膜晶体管的核心结构为采用有机半导体材料制备而成的有源层，由于有机半导体材料活性较强，且绝大多数是在低温条件下 (小于200℃)制备而成，因此，需要选择合适的绝缘层材料覆盖在有源层的上方，以使有源层得到良好的封装和保护，从而保证有机半导体有源层各项性能的稳定性不受其他制备工艺的影响。
有机薄膜晶体管根据划分标准的不同，可分为不同的类型；其中，根据有机薄膜晶体管中源极、漏极与栅极的沉积顺序的不同，可将有机薄膜晶体管分为底栅型和顶栅型。对于底栅型有机薄膜晶体管，所述形成包括源极、漏极的源漏金属层，以及有源层形成于包括有栅极和绝缘层的衬底基板上。对于顶栅型有机薄膜晶体管，所述形成包括源极、漏极的源漏金属层，以及有源层形成于衬底基板上；在此情况下，栅极形成于包括有所述有机绝缘层14的基板上。
然而，在实现上述顶栅型有机薄膜晶体管的制备过程中，现有技术主要面临如下难点：有机半导体材料对温度、光照等制程环境十分敏感，顶栅结构中栅极制备方法会影响有源层的电学性能。
发明内容
为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种有机薄膜晶体管及其制备方法，以降低顶栅结构中栅极制程中对有源层的损伤。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有由基板、源极、漏极、有源层、有机绝缘层、栅极构成的顶栅结构，所述有源层为有机半导体材料，其特征在于，所述栅极采用复合结构，所述复合结构的制备方法为：（1）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层；（2）通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层；（3）通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层。
进一步地，所述第一金属层的材料为金属铝，所述第二金属层的材料为金属铝，所述氧化阻隔层的材料为氧化铟锡或金属钼。
进一步地，所述第一金属层的厚度为900-1100埃，所述第二金属层的厚度为900-1100埃，所述氧化阻隔层的厚度为400-600埃。
进一步地，所述有机半导体材料为有机小分子和有机聚合物的混合物。
进一步地，所述有源层的制备方法为：
（1）在有机溶剂中溶解有机小分子和有机聚合物，形成混合溶液，其中，有机小分子的质量百分浓度为55-65%，有机聚合物的质量百分浓度为25-35%；本发明合理调控有机小分子和有机聚合物的质量比，使得形成的膜层的性能好。
（2）将上述混合溶液通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式涂布于所述基板上。
进一步地，所述有机小分子为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT），所述有机聚合物为多并苯和三芳胺的聚合物，所述有机溶剂是丙二醇甲醚醋酸酯。
进一步地，所述有机绝缘层的材料为正癸烷，所述有机绝缘层的厚度为2800-3200埃。
进一步地，所述有源层的厚度为150-250埃，所述源极和漏极厚度为400-600埃。
一种有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
（1）提供一基板，在所述基板上通过磁控溅射技术形成第三金属层，对所述第三金属层进行图案化处理，以形成源极和漏极；
（2）在所述源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分上依次形成有源层、有机绝缘层；
（3）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层；通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层；通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层，形成栅极的复合结构；
（4）在所述氧化阻隔层上沉积光阻层，采用一道光罩制程对所述光阻层进行曝光、显影处理；
（5）通过干刻蚀制程对上述有源层、有机绝缘层和栅极进行图案化处理，形成有机薄膜晶体管器件。
进一步地，通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式制备所述有机绝缘层。
本发明具有如下有益效果：本发明所制备的有机薄膜晶体管器件在性能上得到提高：迁移率达到5cm2/Vs， 器件开关比Ion/Ioff 达到109，大大降低了栅极制程中对有机绝缘层的损伤，提高了有机薄膜晶体管的相关电学性能，具有工艺简单，成本低廉，易于产业化等诸多优点。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图中：1、基板，2、源极/漏极，3、有源层，4、有机绝缘层，5、第一金属层，6、第二金属层，7、氧化阻隔层。
具体实施方式
一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有顶栅结构，从下至上依次为基板、源极/漏极、有源层、有机绝缘层、栅极，所述源极和所述漏极同层设置于所述有源层两端、所述源极和漏极直接与有源层接触。
所述有源层为有机半导体材料，所述有源层的厚度为150-250埃，更优选地，厚度为200埃。
本发明中，所述有源层的制备方法为：
（1）在有机溶剂中溶解有机小分子和有机聚合物，形成混合溶液，其中，有机小分子的质量百分浓度为55-65%，有机聚合物的质量百分浓度为25-35%；其中，所述有机溶剂是丙二醇甲醚醋酸酯；
（2）将上述混合溶液通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式涂布于所述基板上。
有源层是影响有机薄膜晶体管性能的关键因素。本发明中，所述有机半导体材料为有机小分子和有机聚合物的混合物。本发明中，所述有机聚合物为多并苯和三芳胺的聚合物，该聚合物具有良好的溶解性和加工性能，但是其迁移率较低、稳定性较差，本发明的有机小分子为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT），2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT）具有结晶度高，稳定性好、场效应迁移率高等优点，然而，2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT）的溶解性比较差，本发明人经过大量研究发现，采用2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT）、多并苯和三芳胺的聚合物配伍作为制备有源层的有机半导体材料，各组分之间互为补充，发挥协同作用，克服了单纯的2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT）溶解性差的问题，单纯的多并苯和三芳胺的聚合物迁移率较低的问题，实现了提高有源层电导率的目的。
所述栅极采用复合结构，所述复合结构的制备方法为：（1）通过真空蒸镀技术在所述绝缘层上沉积第一金属层，优选地，所述第一金属层的材料为金属铝，所述第一金属层的厚度为900-1100埃，更优选为1000埃；（2）通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层，优选地，所述第二金属层的材料为金属铝，所述第二金属层的厚度为900-1100埃，更优选为1000埃；（3）通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层，优选地，所述氧化阻隔层的材料为氧化铟锡或金属钼，所述氧化阻隔层的厚度400-600埃，更优选为500埃。
本发明中，通过磁控溅射技术形成铝层，铝层厚度可控性更好，铝层更致密，均匀性更好，可提高有机薄膜晶体管的相关电学性能，但是磁控溅射制备铝层过程中产生的离子会损伤有源层及绝缘层。发明人经过潜心研究发现，通过真空蒸镀技术先将铝加热蒸发至绝缘层上凝结形成铝层，再通过磁控溅射技术再沉积铝层，可有效减小制备过程中离子对有机有源层及有机绝缘层的损伤；最后的溅射氧化阻挡层可以有效保护铝层，使铝层不会被氧化。
需要说明的是，本发明中，沉积第一金属层的真空蒸镀技术，沉积第二金属层和氧化阻隔层的磁控溅射技术，可采用现有技术实现，容易根据实际需要进行选择，关于真空蒸镀技术和磁控溅射技术的具体工艺参数，只要是可得到本发明的效果的参数即可，没有特别限定。
本发明中，有机绝缘层作为封装和保护所述有源层、所述源极、以及所述漏极的同时，还起到将所述栅极与所述有源层、所述源极、以及所述漏极相绝缘的作用。有机薄膜晶体管的绝缘层材料目前主要是无机材料，例如：SiO2、SiNX、Al2O3、TiOX、ZrO2等，它们有耐高温、化学性质稳定、不易被击穿等优点，然而这些绝缘层材料的固相高温和非柔性加工与OTFT的优点没有很好匹配。本发明中，有机绝缘层的材料为正癸烷，与有机半导体有很好的相容性、与柔性基底有很好的相容性、能应用于低成本的低温、溶液加工技术，这些与OTFT柔性概念有很好的相容性。所述有机绝缘层的厚度为2800-3200埃，更优选地，所述有机绝缘层的厚度优选为3000埃。
本发明中，有机薄膜晶体管的基底可以用玻璃、硅、塑料和/或其他合适材料制成。
本发明中，所述源极、所述漏极的材料可以是金属和本领域通用的导电聚合物。这些电极的具体实例包括但不局限于掺杂硅(Si)和金属(例如，金 (Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)和/或铟锡氧化物(ITO))。所述源极和漏极厚度为400-600埃；所述源极、所述漏极的厚度优选为500埃。
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有顶栅结构，从下至上依次为基板、源极/漏极、有源层、有机绝缘层、栅极，所述源极和所述漏极同层设置于所述有源层两端、所述源极和漏极直接与有源层接触。
该有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
（1）提供一基板，所述基板用塑料制成；在所述基板上通过磁控溅射技术形成第三金属层，对所述第三金属层进行图案化处理，以形成源极和漏极；所述源极、所述漏极的材料是金属铜；所述源极、所述漏极的厚度优选为500埃；
（2）在所述源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分上依次形成有源层、有机绝缘层，所述有源层的厚度为200埃，所述有机绝缘层的厚度为3000埃；
其中，所述有源层的制备方法为：在有机溶剂中溶解有机小分子和有机聚合物，形成混合溶液，其中，混合溶液中有机小分子的质量百分浓度为60%，有机聚合物的质量百分浓度为30%；其中，所述有机小分子为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT），所述有机聚合物为多并苯和三芳胺的聚合物，所述有机溶剂是丙二醇甲醚醋酸酯；将上述混合溶液通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式涂布于源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分；
所述有机绝缘层的材料为正癸烷，通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式制备所述有机绝缘层；
（3）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层，所述第一金属层的材料为金属铝，所述第一金属层的厚度为1000埃；通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层，所述第二金属层的材料为金属铝，所述第二金属层的厚度为1000埃；通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层，所述氧化阻隔层的材料为氧化铟锡或金属钼，所述氧化阻隔层的厚度为500埃，形成栅极的复合结构；
（4）在所述氧化阻隔层上沉积光阻层，采用一道光罩制程对所述光阻层进行曝光、显影处理；
（5）通过干刻蚀制程对上述有源层、有机绝缘层和栅极进行图案化处理，形成有机薄膜晶体管器件。
实施例2
一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有顶栅结构，从下至上依次为基板、源极/漏极、有源层、有机绝缘层、栅极，所述源极和所述漏极同层设置于所述有源层两端、所述源极和漏极直接与有源层接触。
该有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
（1）提供一基板，所述基板用玻璃制成；在所述基板上通过磁控溅射技术形成第三金属层，对所述第三金属层进行图案化处理，以形成源极和漏极；所述源极、所述漏极的材料是金属银；所述源极、所述漏极的厚度优选为400埃；
（2）在所述源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分上依次形成有源层、有机绝缘层，所述有源层的厚度为150埃，所述有机绝缘层的厚度为2800埃；
其中，所述有源层的制备方法为：在有机溶剂中溶解有机小分子和有机聚合物，形成混合溶液，其中，混合溶液中有机小分子的质量百分浓度为55%，有机聚合物的质量百分浓度为35%；其中，所述有机小分子为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT），所述有机聚合物为多并苯和三芳胺的聚合物，所述有机溶剂是丙二醇甲醚醋酸酯；将上述混合溶液通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式涂布于源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分；
所述有机绝缘层的材料为正癸烷，通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式制备所述有机绝缘层；
（3）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层，所述第一金属层的材料为金属铝，所述第一金属层的厚度为900埃；通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层，所述第二金属层的材料为金属铝，所述第二金属层的厚度为900埃；通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层，所述氧化阻隔层的材料为氧化铟锡或金属钼，所述氧化阻隔层的厚度为400埃，形成栅极的复合结构；
（4）在所述氧化阻隔层上沉积光阻层，采用一道光罩制程对所述光阻层进行曝光、显影处理；
（5）通过干刻蚀制程对上述有源层、有机绝缘层和栅极进行图案化处理，形成有机薄膜晶体管器件。
实施例3
一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有顶栅结构，从下至上依次为基板、源极/漏极、有源层、有机绝缘层、栅极，所述源极和所述漏极同层设置于所述有源层两端、所述源极和漏极直接与有源层接触。
该有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
（1）提供一基板，所述基板用硅材料制成；在所述基板上通过磁控溅射技术形成第三金属层，对所述第三金属层进行图案化处理，以形成源极和漏极；所述源极、所述漏极的材料是铟锡氧化物（ITO）。所述源极、所述漏极的厚度优选为600埃；
（2）在所述源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分上依次形成有源层、有机绝缘层，所述有源层的厚度为250埃，所述有机绝缘层的厚度为3200埃；
其中，所述有源层的制备方法为：在有机溶剂中溶解有机小分子和有机聚合物，形成混合溶液，其中，混合溶液中有机小分子的质量百分浓度为65%，有机聚合物的质量百分浓度为25%；其中，所述有机小分子为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（C8-BTBT），所述有机聚合物为多并苯和三芳胺的聚合物，所述有机溶剂是丙二醇甲醚醋酸酯；将上述混合溶液通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式涂布于源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分；
所述有机绝缘层的材料为正癸烷，通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式制备所述有机绝缘层；
（3）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层，所述第一金属层的材料为金属铝，所述第一金属层的厚度为1100埃；通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层，所述第二金属层的材料为金属铝，所述第二金属层的厚度为1100埃；通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层，所述氧化阻隔层的材料为氧化铟锡或金属钼，所述氧化阻隔层的厚度为600埃，形成栅极的复合结构；
（4）在所述氧化阻隔层上沉积光阻层，采用一道光罩制程对所述光阻层进行曝光、显影处理；
（5）通过干刻蚀制程对上述有源层、有机绝缘层和栅极进行图案化处理，形成有机薄膜晶体管器件。
对比例1
基于实施例1，不同之处仅在于：本对比例中，未通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层。
对实施例1和对比例1的有机薄膜晶体管进行性能测试，结果表明：实施例1和对比例1中的有机薄膜晶体管的迁移率分别为5cm2/Vs、0.1cm2/Vs，器件开关比Ion/Ioff 分别为109、107，可见，采用本发明制备方法得到的有机薄膜晶体管大大降低了栅极制程中对有机绝缘层的损伤，提高了有机薄膜晶体管的相关电学性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管具有由基板、源极、漏极、有源层、有机绝缘层、栅极构成的顶栅结构，所述有源层为有机半导体材料，其特征在于，所述栅极采用复合结构，所述复合结构的制备方法为：（1）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层；（2）通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层；（3）通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层。
2.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述第一金属层的材料为金属铝，所述第二金属层的材料为金属铝，所述氧化阻隔层的材料为氧化铟锡或金属钼。
3.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述第一金属层的厚度为900-1100埃，所述第二金属层的厚度为900-1100埃，所述氧化阻隔层的厚度为400-600埃。
4.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体材料为有机小分子和有机聚合物的混合物。
5.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有源层的制备方法为：
（1）在有机溶剂中溶解有机小分子和有机聚合物，形成混合溶液，其中，有机小分子的质量百分浓度为55-65%，有机聚合物的质量百分浓度为25-35%；
（2）将上述混合溶液通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式涂布于所述基板上。
6.如权利要求5所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机小分子为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩，所述有机聚合物为多并苯和三芳胺的聚合物，所述有机溶剂是丙二醇甲醚醋酸酯。
7.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机绝缘层的材料为正癸烷，所述有机绝缘层的厚度为2800-3200埃。
8.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有源层的厚度为150-250埃，所述源极和漏极厚度为400-600埃。
9.如权利要求1-8任一项所述有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
（1）提供一基板，在所述基板上通过磁控溅射技术形成第三金属层，对所述第三金属层进行图案化处理，以形成源极和漏极；
（2）在所述源极上、所述漏极上以及所述基板未被所述源极和所述漏极覆盖的部分上依次形成有源层、有机绝缘层；
（3）通过真空蒸镀技术在所述有机绝缘层上沉积第一金属层；通过磁控溅射技术在所述第一金属层上沉积第二金属层；通过磁控溅射技术在所述第二金属层上沉积氧化阻隔层，形成栅极的复合结构；
（4）在所述氧化阻隔层上沉积光阻层，采用一道光罩制程对所述光阻层进行曝光、显影处理；
（5）通过干刻蚀制程对上述有源层、有机绝缘层和栅极进行图案化处理，形成有机薄膜晶体管器件。
10.如权利要求9所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，通过旋涂、刮涂或喷涂打印的方式制备所述有机绝缘层。
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