CN109698277A - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种有机薄膜晶体管及其制备方法，属于有机电子和光电子技术领域。有机薄膜晶体管，包括基板、含有源极和漏极的源漏极层、有机半导体层、栅极绝缘层和栅极层。基板的一表面为源漏极层，源漏极层的背离基板的表面为有机半导体层，有机半导体层的背离源漏极层的表面为栅极绝缘层，栅极绝缘层的背离有机半导体层的表面为栅极层。其中，源漏极层由导电墨水制成。有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：在基板的一表面涂布导电墨水，固化导电墨水形成第一电极层，对第一电极层进行曝光、显影和热处理得到源漏极层。此制备方法制备得到的有机薄膜晶体管不需要设置平坦层，且不需要设置光阻层，可以直接进行图案化。

Description

一种有机薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机电子和光电子技术领域，具体而言，涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
现有技术中，有机薄膜晶体管的制备方法通常是在基板上形成有机平坦层，再在有机平坦层上沉积金属或金属合金，形成电极层，可以是栅极层，或者形成源极层与漏极层。
发明人发现，上述方法至少存在如下问题：平坦层通常需要高能量紫外固化以及高温、长时间热固化，才能得到高度交联的绝缘薄膜。制作工艺复杂，提高了生产成本，降低了器件基板制造效率。
在平坦层上沉积金属或金属合金时，通常需要磁控溅射工艺，然而高电压的等离子体轰击在一定程度上会损伤平坦层表面。
在电极层制作过程中，通常需要蚀刻工艺刻蚀金属或金属合金形成图案化的电极层，然而酸液蚀刻剂在刻蚀金属或金属合金的同时会一定程度上刻蚀平坦层。
在去除光刻胶工艺过程中，为尽可能地去除沟道中残留的光刻胶，实现高质量的电极层制作，通常需要多重工序曝光和显影工艺，然而过多的显影液冲洗也会一定程度上损伤平坦层表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有机薄膜晶体管及其制备方法，不需要设置平坦层，直接用导电墨水使平坦层和电极层合二为一，使有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
第一方面，本发明实施例提供一种有机薄膜晶体管，包括基板、含有源极和漏极的源漏极层、有机半导体层、栅极绝缘层和栅极层。基板的一表面为源漏极层，源漏极层的背离基板的表面为有机半导体层，有机半导体层的背离第一电极层的表面为栅极绝缘层，栅极绝缘层的背离有机半导体层的表面为栅极层。其中，源漏极层由导电墨水制成。
由于在基板的一表面为导电墨水制成的源漏极层，导电墨水具有很好的流动性，可以进行流平性和湿润性的调节，使源漏极层具有平坦层和电极层的功能，将两个功能合二为一，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
结合第一方面，在另一实施例中，导电墨水为碳系导电墨水。
使用碳系导电墨水形成源漏极层，将碳系导电墨水设置在基板上的时候，由于碳系导电墨水中含有碳材料，能够导电，且碳系导电墨水中的碳系材料为片状结构，碳系导电墨水的流平性和湿润性更强，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
结合第一方面，在另一实施例中，源漏极层的厚度为0.3－3000nm；可选地，源漏极层的厚度为0.5－2000nm；可选地，源漏极层的厚度为0.8－1000nm。
第二方面，本发明实施例提供一种有机薄膜晶体管，包括基板、栅极层、栅极绝缘层、有机半导体层以及含有源极和漏极的源漏极层。基板的一表面为栅极层，栅极层背离基板的表面为栅极绝缘层，栅极绝缘层的背离栅极层的表面为有机半导体层，有机半导体层的背离栅极绝缘层的表面为源漏极层。其中，栅极层由导电墨水制成。
由于在基板的一表面为导电墨水制成的栅极层，导电墨水具有很好的流动性，可以进行流平性和湿润性的调节，使栅极层具有平坦层和电极层的功能，将两个功能合二为一，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
结合第二方面，在另一实施例中，导电墨水为碳系导电墨水。
使用碳系导电墨水形成栅极层，将碳系导电墨水设置在基板上的时候，由于碳系导电墨水中含有碳材料，能够导电，且碳系导电墨水中的碳系材料为片状结构，碳系导电墨水的流平性和湿润性更强，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
结合第二方面，在另一实施例中，栅极层的厚度为0.3－3000nm；可选地，栅极层的厚度为0.5－2000nm；可选地，栅极层的厚度为0.8－1000nm。
第三方面，本发明实施例提供一种有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：在基板的一表面涂布导电墨水，固化导电墨水形成电极层，对电极层进行曝光、显影和热处理得到源漏极层。在源漏极层的背离基板表面形成有机半导体层。在有机半导体层的背离源漏极层的表面形成栅极绝缘层。在栅极绝缘层背离有机半导体层的表面形成栅极层。
在基板的一表面涂布导电墨水，由于导电墨水的流平性与润湿性，导电墨水在基板上流动，使固化后的电极层具有平坦层和电极层的功能，将两个功能合二为一，且在电极层图案化得到源漏极层的过程中，不需要使用光刻胶或刻蚀媒介，避免其对有机薄膜晶体管的性能产生影响，可以直接进行图案化，工艺简单，提高制造效率，降低生产成本。使得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流开关比和良率增大，提高了有机薄膜晶体管的电学性能。
结合第三方面，在另一实施例中，固化是在100－200℃的条件下保持5－60min。可选地，固化在120－180℃的条件下保持10－40min，形成电极层。
曝光的条件为：真空度＞500mmHg；曝光时间为5s－10min；紫外灯辐照能量为20－2000mJ/cm2。进一步地，曝光时间为10s－8min，进一步地，曝光时间为20s－5min。可选地，真空度＞550mmHg，进一步地，真空度＞600mmHg。可选地，紫外灯辐照能量为50－1800mJ/cm2，可选地，紫外灯辐照能量为100－1500mJ/cm2。
结合第三方面，在另一实施例中，显影的时间为5s－10min。可选地，显影的时间为10s－8min，可选地，显影的时间为30s－6min。
显影使用的显影液包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、碳酸乙烯酯和丙二醇甲醚醋酸酯的一种或多种。以便对第一电极层进行显影、图案化。
结合第三方面，在另一实施例中，显影包括：先使用第一显影液进行第一次显影，再使用第二显影液进行第二次显影。经过两次显影，图案化的效果更好，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
结合第三方面，在另一实施例中，热处理在温度为80－180℃的条件下处理10s－60min。可选地，热处理在温度为90－160℃的条件下处理20s－45min，进一步地，热处理在温度为100－150℃的条件下处理30s－30min，形成图案化的第一电极层。
第四方面，本发明实施例提供一种有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：在基板的一表面涂布导电墨水，固化所述导电墨水形成电极层，对所述电极层进行曝光、显影和热处理得到栅极层。在所述栅极层的背离所述基板表面形成栅极绝缘层。在所述栅极绝缘层的背离所述栅极层的表面形成有机半导体层。在所述有机半导体层背离所述栅极绝缘层的表面形成源漏极层。
在基板的一表面涂布导电墨水，由于导电墨水的流平性与润湿性，导电墨水在基板上流动，使固化后的电极层具有平坦层和电极层的功能，将两个功能合二为一，且在电极层图案化得到栅极层的过程中，不需要使用光刻胶或刻蚀媒介，避免其对有机薄膜晶体管的性能产生影响，可以直接进行图案化，工艺简单，提高制造效率，降低生产成本。使得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流开关比和良率增大，提高了有机薄膜晶体管的电学性能。
结合第四方面，在另一实施例中，固化是在100－200℃的条件下保持5－60min。可选地，固化在120－180℃的条件下保持10－40min，形成电极层。
曝光的条件为：真空度＞500mmHg；曝光时间为5s－10min；紫外灯辐照能量为20－2000mJ/cm2。进一步地，曝光时间为10s－8min，进一步地，曝光时间为20s－5min。可选地，真空度＞550mmHg，进一步地，真空度＞600mmHg。可选地，紫外灯辐照能量为50－1800mJ/cm2，可选地，紫外灯辐照能量为100－1500mJ/cm2。
结合第四方面，在另一实施例中，显影的时间为5s－10min。可选地，显影的时间为10s－8min，可选地，显影的时间为30s－6min。
显影使用的显影液包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、碳酸乙烯酯和丙二醇甲醚醋酸酯的一种或多种。以便对第一电极层进行显影、图案化。
结合第四方面，在另一实施例中，显影包括：先使用第一显影液进行第一次显影，再使用第二显影液进行第二次显影。经过两次显影，图案化的效果更好，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
结合第四方面，在另一实施例中，热处理在温度为80－180℃的条件下处理10s－60min。可选地，热处理在温度为90－160℃的条件下处理20s－45min，进一步地，热处理在温度为100－150℃的条件下处理30s－30min，形成栅极层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的有机薄膜晶体管的第一结构示意图；
图2为本发明实施例提供的有机薄膜晶体管的第二结构示意图。
图标：10－基板；20－源漏极层；30－有机半导体层；40－栅极绝缘层；50－栅极层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
有机薄膜晶体管(其中，靠近基板10的电极层为源漏极层20，请参阅图1)的制备方法，包括如下步骤：
(1)、选择基板10，例如：玻璃基板、硅基板或柔性基板。其中，柔性基板可以是：PI(聚酰亚胺)基板、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基板、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)基板、PES(聚醚砜)基板、PC(聚碳酸酯)基板、PVA(聚乙烯醇)基板、PP(聚丙烯)基板、MYLAR薄膜基板、PEEK(聚醚醚酮)基板、PPA(聚对苯二酰对苯二胺)基板、PTFE(聚四氟乙烯)基板、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)基板、PDMS(聚二甲基硅氧烷)基板等。
本实施例中，基板10的形状与厚度均不受限制，只要能够进行有机薄膜晶体管的制备即可。进一步地，如果基板10选择为柔性基板，在现有技术中，在柔性基板上设置平坦层制备薄膜晶体管的制备方法更加复杂，且得到的薄膜晶体管的电学性能受到影响。本发明实施例提供的方法在柔性基板上形成的源漏极层20能够使平坦层与电极层合二为一，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
(2)、在基板10的一表面形成源漏极层20。在基板10的一表面涂布导电墨水，固化导电墨水形成电极层，对电极层进行曝光、显影和热处理得到图案化的源漏极层20。
在基板10的一表面涂布导电墨水，由于导电墨水的流平性与润湿性，导电墨水在基板10上流动，使固化后的电极层具有平坦层和电极层的功能，将两个功能合二为一，且在电极层图案化的时候，不需要使用光刻胶或刻蚀媒介，避免其对有机薄膜晶体管的性能产生影响，可以直接进行图案化，工艺简单，提高制造效率，降低生产成本。使得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流开关比和良率增大，提高了有机薄膜晶体管的电学性能。
导电墨水可以是碳系导电墨水、金属导电墨水或高分子导电墨水。可选地，碳系导电墨水中的碳系材料包括石墨烯、石墨烯量子点、氧化石墨烯、碳纳米管、富勒烯、导电石墨、炭黑等一种或多种掺杂的碳系导电材料。金属导电墨水中的金属材料包括金、银、铜一种或几种金属导电材料。高分子导电墨水中导电高分子材料包括聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺一种或多种导电高分子聚合物。
导电墨水选择碳系导电墨水，使用碳系导电墨水形成电极层，将碳系导电墨水设置在基板10上的时候，由于碳系导电墨水中含有碳材料，能够导电，且碳系导电墨水中的碳系材料为片状结构，碳系导电墨水的流平性和湿润性更强，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
在基板10的一表面涂布上述导电墨水的方法可以是：旋涂法、喷墨印刷法、喷涂法、丝网印刷法、刮涂法、凹版印刷法、滚涂法、狭缝式涂布、接触式涂布中的一种。
在基板10的一表面涂布导电墨水以后，需要进行固化形成电极层。可选地，固化是在100－200℃的条件下保持5－60min，形成电极层，并且导电墨水在涂布至基板10上的时候，由于导电墨水的流动性，会在基板10的表面流动，当对导电墨水进行固化的时候，形成的电极层具有平坦层和电极层的功能，将两个功能合二为一。
现有技术中，通过光阻层的设置，进行曝光、显影、刻蚀，从而对电极层进行图案化，制作过程复杂，不仅降低了薄膜晶体管的制造效率，提高了生产成本，而且光刻胶溶剂和刻蚀媒介也会对现有的平坦层产生不良影响，从而降低器件的性能。
而本实施例中，固化后的导电墨水进行曝光、显影和热处理得到图案化的源漏极层20。由于电极层由导电墨水形成，所以，在进行图案化的过程中，不需要设置光阻层而直接进行图案化，不需要使用光刻胶和刻蚀媒介，工艺简单，提高制造效率，降低生产成本。
进一步地，曝光的条件为：真空度＞500mmHg；曝光时间为5s－10min；紫外灯辐照能量为20－2000mJ/cm2。显影的时间为5s－10min。显影使用的显影液包括四甲基氢氧化铵、碳酸乙烯酯、四乙基氢氧化铵、丙二醇甲醚醋酸酯、四丙基氢氧化铵和四丁基氢氧化铵的一种或多种。热处理在温度为80－180℃的条件下处理10s－60min。
详细地，将导电墨水在温度为100－200℃的条件下加热固化，可选地，温度为120－180℃。曝光在真空度＞500mmHg、紫外灯辐照能量为20－2000mJ/cm2的条件下紫外照射5s－10min以后，用显影液在导电墨水层上静置5s－10min进行显影，在温度为80－180℃的条件下处理10s－60min，得到图案化的第一电极层。
可选地，显影包括：先使用第一显影液进行第一次显影，再使用第二显影液进行第二次显影。第一显影液和第二显影液可以是上述显影液的其中一种。进一步地，第一显影液和第二显影液的种类不同，其显影效果更好，得到图案化的源漏极层20，最后得到的有机薄膜晶体管的电学性能更好。
源漏极层20的厚度为0.3－3000nm；可选地，源漏极层20的厚度为0.5－2000nm；可选地，源漏极层20的厚度为0.8－1000nm。使电极层的图案化效果更好，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
(3)、在源漏极层20的背离基板10的表面形成有机半导体层30。在源极层上、漏极层上以及基板10的未被漏极层和源极层覆盖的部分上形成有机半导体层30。
(4)、在有机半导体层30的背离源漏极层20的表面形成栅极绝缘层40。
(5)、在栅极绝缘层40的背离有机半导体层30的表面形成栅极层50。通过磁控溅射或真空蒸镀技术在栅极绝缘层40的表面形成栅极层50。
通过上述制备方法得到的有机薄膜晶体管，如图1，有机薄膜晶体管包括基板10、源漏极层20、有机半导体层30、栅极绝缘层40、栅极层50。基板10的一表面为源漏极层20，源漏极层20的背离基板10的表面为有机半导体层30，有机半导体层30的背离源漏极层20的表面为栅极绝缘层40，栅极绝缘层40的背离有机半导体层30的表面为栅极层50；其中，源漏极层20由导电墨水制成。
可选地，源漏极层20包括源极层和漏极层，源极层和漏极层间隔形成于基板10的一表面。最后得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流开关比和良率增大，大大提高了有机薄膜晶体管的电学性能。
本实施例中，有机薄膜晶体管(其中，靠近基板10的电极层为栅极层50，请参阅图2)的制备方法，包括如下步骤：
①、选择基板10，与上述步骤(1)一致，本实施例不再赘述。
②、在基板10的一表面形成栅极层50。在基板10的一表面涂布导电墨水，固化导电墨水形成电极层，对电极层进行曝光、显影和热处理得到图案化的栅极层50。
制备栅极层50的方法与上述步骤(2)中制备源漏极层20的方法一致，本实施例不再赘述。
③、在栅极层50的背离基板10的表面形成栅极绝缘层40。制备栅极绝缘层40的方法与上述步骤(4)中制备栅极绝缘层40的方法一致，本实施例不再赘述。本实施例中，在栅极层50的表面以及基板10的未被栅极层50覆盖的部分上形成栅极绝缘层40。
④、在栅极绝缘层40的远离栅极层50的表面形成有机半导体层30。制备有机半导体层30的方法与上述步骤(3)中制备有机半导体层30的方法一致，本实施例不再赘述。
⑤、在有机半导体层30的远离栅极绝缘层40的表面形成源漏极层20。源漏极层20包括源极层和漏极层，源极层和漏极层间隔设置在有机半导体层30的表面。
具体地，源漏极层20的制备方法包括：在有机半导体层30的背离栅极绝缘层40的表面形成金属层，对金属层进行图案化处理得到源漏极层20。通过磁控溅射或真空蒸镀在有机半导体层30的表面沉积金属层，在金属层表面涂布光阻层，进行曝光、显影工艺之后进行蚀刻处理得到源漏极层20。
通过上述制备方法得到的有机薄膜晶体管，如图2，有机薄膜晶体管包括基板10、栅极层50、栅极绝缘层40、有机半导体层30以及含有源极和漏极的源漏极层20。基板10的一表面为栅极层50，栅极层50背离基板10的表面为栅极绝缘层40，栅极绝缘层40的背离栅极层50的表面为有机半导体层30，有机半导体层30的背离栅极绝缘层40的表面为源漏极层20。其中，栅极层50由导电墨水制成。最后得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流开关比和良率增大，大大提高了有机薄膜晶体管的电学性能。
实施例
有机薄膜晶体管(以图1的有机薄膜晶体管为例，其中，图2的有机薄膜晶体管的电学性能也较佳，此处不再赘述)的制备条件如表1，
表1有机薄膜晶体管的制备条件
再设置对比例1，其中，对比例1的有机薄膜晶体管的制备方法：(1)、在玻璃基板的表面沉积有机平坦层、热处理、高能量紫外固化，高温长时间热固化；(2)、在有机平坦层上沉积金属，作为电极层，应用现有技术的半导体光刻和蚀刻工艺，得到图案化的源漏极层；(3)、形成有机半导体层；(4)、形成栅极绝缘层；(5)、形成图案化的栅极层。对比例2将玻璃基板更换成PEN柔性基板，其他条件与对比例1相同。
检测实施例1－6以及对比例1－2得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率、阈值电压、电流开关比和良率。得到表2：
表2有机薄膜晶体管的性能
从表2可以看出，与对比例1和对比例2相比，实施例1－6得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压减小，电流开关比和良率增大，说明实施例1－6提供的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
实施例1与实施例4相比说明，与玻璃基板相比，在PEN柔性基板上涂布石墨烯导电墨水，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
实施例2、实施例3和实施例4相比说明，与银金属导电墨水和聚噻吩高分子导电墨水相比，在PEN柔性基板上涂布石墨烯导电墨水，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
实施例4与实施例5相比说明，使用本实施例的方法制备有机薄膜晶体管，可以不需要设置光阻层，避免其对有机薄膜晶体管的性能产生影响。
实施例4与实施例6相比说明，经过二次显影，得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种有机薄膜晶体管，其特征在于，包括基板、含有源极和漏极的源漏极层、有机半导体层、栅极绝缘层和栅极层；
所述基板的一表面为所述源漏极层，所述源漏极层的背离所述基板的表面为有机半导体层，所述有机半导体层的背离所述源漏极层的表面为栅极绝缘层，所述栅极绝缘层的背离所述有机半导体层的表面为所述栅极层；
其中，所述源漏极层由导电墨水制成。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述导电墨水为碳系导电墨水。
3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述源漏极层的厚度为0.3－3000nm；可选地，所述源漏极层的厚度为0.5－2000nm；可选地，所述源漏极层的厚度为0.8－1000nm。
4.一种有机薄膜晶体管，其特征在于，包括基板、栅极层、栅极绝缘层、有机半导体层以及含有源极和漏极的源漏极层；
所述基板的一表面为所述栅极层，所述栅极层背离所述基板的表面为所述栅极绝缘层，所述栅极绝缘层的背离所述栅极层的表面为所述有机半导体层，所述有机半导体层的背离所述栅极绝缘层的表面为所述源漏极层；
其中，所述栅极层由导电墨水制成。
5.一种有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基板的一表面涂布导电墨水，固化所述导电墨水形成电极层，对所述电极层进行曝光、显影和热处理得到源漏极层；
在所述源漏极层的背离所述基板表面形成有机半导体层；
在所述有机半导体层的背离所述源漏极层的表面形成栅极绝缘层；
在所述栅极绝缘层背离所述有机半导体层的表面形成栅极层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述固化是在100－200℃的条件下保持5－60min；所述曝光的条件为：真空度＞500mmHg；曝光时间为5s－10min；紫外灯辐照能量为20－2000mJ/cm2。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述显影的时间为5s－10min；可选地，所述显影使用的显影液包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、碳酸乙烯酯和丙二醇甲醚醋酸酯的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述显影包括：先使用第一显影液进行第一次显影，再使用第二显影液进行第二次显影。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热处理在温度为80－180℃的条件下处理10s－60min。
10.一种有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基板的一表面涂布导电墨水，固化所述导电墨水形成电极层，对所述电极层进行曝光、显影和热处理得到栅极层；
在所述栅极层的背离所述基板表面形成栅极绝缘层；
在所述栅极绝缘层的背离所述栅极层的表面形成有机半导体层；
在所述有机半导体层背离所述栅极绝缘层的表面形成源漏极层。
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