CN109817722B - 基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，包括提供一绝缘基板；在所述绝缘基板上制作形成源电极、漏电极和碳纳米管有源层；在所述碳纳米管有源层上制作形成第一介电层，且所述第一介电层覆盖所述碳纳米管有源层；在所述第一介电层上制作形成栅电极，且所述栅电极覆盖所述碳纳米管有源层；将光电二极管的与所述栅电极电连接。本发明实施例公开了一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其工艺简单、成本低廉，另外通过该方法制得驱动器件只需提供较低工作电压便可输出的电流，且驱动器件对外界光照的具有较高的灵敏度。

Description

基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管制作领域，尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件及其制备方法。

背景技术

印刷电子器件是通过新兴的印刷电子技术而获得的，虽然其在性能上不如硅基半导体微电子器件，但由于其简单的印刷制作工艺和对基底材料的无选择性，使其在大面积、柔性化、低成本电子器件应用领域有硅基半导体微电子电子器件无法比拟的优势。最近几年随着碳纳米管制备技术、分离纯化技术的发展以及器件构建工艺不断优化，碳纳米管薄膜晶体管的性能，尤其是器件的开关比、迁移率等都有大幅度提升。在理论上，由于碳纳米管的空穴和电子的迁移率都非常高，用碳纳米管能够构建出性能优越的n型和p型碳纳米管薄膜晶体管。

到2036年，可印刷电子产品的市场价值将达到3000亿美元。其中包括液晶显示器(LCD)，发光二极管(LED)，有机发光二极管(LED)，量子LED(QLED)和电子纸将达到1350亿美元。众所周知，显示器最大的成本因素是背板驱动电路。薄膜晶体管(TFT)是驱动电路的基本元件。为了实现这些功能，TFT需要彼此集成或其他器件，如电容器，电阻器，光电传感器和压力传感器等。众所周知，1T(晶体管)-1C(电容器)和2T-1C电路通常用于构建无源矩阵和有源矩阵背板来驱动LCD，LED，OLED，QLED和电子纸。近来，还研究了新型1T-1S(传感器)柔性驱动电路，不仅可用于柔性显示器，还可用于其他领域，如柔性触觉传感器，光开关，大尺寸医疗成像，健康监护仪和可穿戴电子产品。其中，调节TFT的栅极电压是实现高开关电流比和高导通电流的高性能驱动电路的最有效方法之一。目前存在驱动电路都需要较高的栅极电压，一方面外部提供的调节电压要求较高，另一方面当栅极电压较高时，比较难精确控制驱动电路的输出电流大小。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种工艺简单且成本较低的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，包括：

提供一绝缘基板；

在所述绝缘基板上制作形成源电极、漏电极和碳纳米管有源层；

在所述碳纳米管有源层上制作形成第一介电层，且所述第一介电层覆盖所述碳纳米管有源层；

在所述第一介电层上制作形成栅电极，且所述栅电极覆盖所述碳纳米管有源层；

将光电二极管的与所述栅电极电连接。

优选地，在所述绝缘基板上制作形成源电极、漏电极和碳纳米管有源层之前，所述基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法还包括：在所述绝缘基板制作形成第二介电层。

优选地，在所述绝缘基板上制作形成源电极、漏电极和碳纳米管有源层的方法具体包括：在所述绝缘基板上制作形成所述源电极和所述漏电极，所述源电极和所述漏电极之间形成沟道，在所述沟道内制作形成所述碳纳米管有源层。

或者，在所述绝缘基板上制作形成源电极、漏电极和碳纳米管有源层具体包括：在所述绝缘基板上制作形成所述碳纳米管有源层，在所述碳纳米管有源层的两侧分别制作所述源电极和所述漏电极。

优选地，所述碳纳米管有源层为经过气相沉积得到的半导体碳纳米管。

或者，所述碳纳米管有源层为经过化学分离得到的半导体碳纳米管。

或者，所述碳纳米管有源层为经过物理分离得到的半导体碳纳米管。

优选地，采用气溶胶打印工艺、喷墨打印工艺、浸涂工艺和滴涂工艺中的任意一种在所述绝缘基板上制作形成所述碳纳米管有源层。

优选地，将光电二极管与所述栅电极电连接的方法具体包括利用导线连接所述光电二极管的负极和所述栅电极。

优选地，所述绝缘基板为玻璃、硅片、石英、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯中的任意一种制作形成。

优选地，所述源电极、所述漏电极和所述栅电极为金、银、钼、镍和氧化铟锡中的任意一种制作形成。

优选地，所述第一介电层和所述第二介电层为氧化铪、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、离子胶、固态电解质、聚乙烯吡咯烷酮和聚酰亚胺中的任意一种。

本发明还提供了一种可实现对栅电极电压精确控制的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件，其采用上述任一种的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法制成。

本发明实施例公开了一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其工艺简单、成本低廉，另外通过该方法制得驱动器件只需提供较低工作电压便可输出的电流，且驱动器件对外界光照的具有较高的灵敏度。

附图说明

图1A至图1F为本发明的实施例的驱动器件的制备方法的工艺流程图；

图2为本发明的实施例的驱动器件的工作原理图。

图3为本发明的实施例的碳纳米管薄膜晶体管的电性能测试图。

图4为本发明的实施例的驱动器件的灵敏度测试图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1A至图1F示出了本发明实施例的一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法流程图，其包括如下步骤：

步骤一：参照图1A，提供一绝缘基板10；

具体地，绝缘基板10可采用刚性基板或者柔性基板，其中刚性基板可采用玻璃、硅片、石英等材质的基板，柔性基板可采用PI(聚酰亚胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)等材质的基板，绝缘基板10的尺寸根据实际需要自行设计，在本实施例中不做限定。

步骤二：参照图1B，在绝缘基板10上制作形成第二介电层90；

作为优选实施例，绝缘基板10选为PET基板，第二介电层90选为二氧化铪，具体是将PET基板放进原子层沉积系统中，设置系统温度为120摄氏度，在PET基板上生长二氧化铪材料形成第二介电层90，第二介电层90的厚度优选为5nm，这里第二介电层90用于保护后续步骤中制作的源电极20和漏电极30。其中第二介电层90的制作材料还可选为氧化铝、氧化锆、二氧化硅、离子胶、固态电解质、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和PI(聚酰亚胺)等其他材料，另外在其他实施方式中，还可采用印刷工艺或者旋涂工艺在绝缘基板10上制作第二介电层90。当然在其他实施方式中可不需要制作第二介电层90，省略该步骤二即可。

步骤二：参照图1C，在绝缘基板10上制作形成源电极20、漏电极30和碳纳米管有源层40；

作为优选实施方式，首先在绝缘基板10或者第二介电层90上制作形成源电极20和漏电极30，源电极20和漏电极30间隔形成沟道，在沟道内制作形成碳纳米管有源层40。具体地，源电极20和漏电极30优选采用金电极，优选采用电子束蒸发工艺在绝缘基板10或者第二介电层90上沉积一定厚度的纳米金，用作源电极20和漏电极30，其中纳米金的厚度优选为50nm。在其他实施方式中，还可采用光刻工艺来制作形成源电极20和漏电极30，且源电极20和漏电极30的制作材料还可采用银、钼、镍和氧化铟锡等其他导电材料。进一步地，优选采用气溶胶打印工艺在沟道内制作形成碳纳米管有源层40，为了获得一定厚度的碳纳米管有源层40，可以重复打印多次，例如打印3至4次，使得源电极20和漏电极30之间的电流大小达到10^-5-10^-4A。当然在其他实施方式中，还可以采用喷墨打印工艺、浸涂工艺和滴涂工艺等来制作碳纳米管有源层40。

在其他实施方式中，还可先在绝缘基板10或者第二介电层90上制作形成碳纳米管有源层40，然后在碳纳米管有源层40两侧制作形成源电极20和漏电极30。这里碳纳米管有源层40、源电极20和漏电极30的制作工艺在上述实施方式中已描述，在此不再赘述。

本实施例中的碳纳米管有源层40为半导体碳纳米管，其可通过气相沉积工艺或者化学分离方法或者物理分离方法得到。

进一步地，将上述制成的样品浸泡在PF8-DPP-P2的甲苯溶液中，浸泡6-12小时后，取出电极，用甲苯冲洗两次，测量电性能。

步骤四：参照图1D，在碳纳米管有源层40上制作形成第一介电层60，且第一介电层60覆盖碳纳米管有源层40；

作为优选实施例，第一介电层60的材料选为PI(聚酰亚胺)，具体是将步骤三制成的样品放进氮气手套箱内，在碳纳米管有源层40的表面旋涂一定厚度的PI，接着对样品进行加热退火处理，固化形成第一介电层60，这里加热退火处理的温度设置为150摄氏度，退火的时间设置为60分钟。当然在其他实施方式中，还可采用印刷工艺在碳纳米管有源层40上制作形成第一介电层60，另外第一介电层60的制作材料还可选为氧化铝、氧化锆、二氧化硅、离子胶、固态电解质和PVP(聚乙烯吡咯烷酮)等其他材料。

当然在其他实施方式中，第一介电层60还可覆盖源电极20和漏电极30，形成对源电极20和漏电极30的保护，且可防止后续步骤中制作的栅电极70与源电极20和漏电极30发生接触。

步骤五：参照图1E，在第一介电层60上制作形成栅电极70，且栅电极70覆盖碳纳米管有源层40；

作为优选实施例，采用银电极当作栅电极70，利用印刷打印工艺在第一介电层60上制作形成银电极，接着对银电极进行加热退火处理，其中加热退火的温度为80摄氏度，时间为40分钟。当然在其他实施方式中，可采用蒸镀工艺在第一介电层60表面制作形成栅电极70，栅电极70的制作材料可选为金、钼、镍和ITO等其他导电材料。

如图3所示，当对栅电极70外加-1V的电压，碳纳米管薄膜晶体管的输出电流达到10^-4A，其输出电流达到驱动电路的工作要求，因此通过外加低电压即可实现对碳纳米管薄膜晶体管的导通。

步骤六：参照图1F，将光电二极管80与栅电极70电连接；

作为优选实施例，采用银浆作为导线100，导线100的两端分别连接光电二极管80的负极和栅电极70，其中光电二极管80可选为用于感受红光或者的二极管。通过控制光电二极管80的光照强度，可获得不同的控制电压，从而控制栅电极电压的大小，从而控制源电极20和漏电极30之间的电流大小。进一步地，如图2所示，将源电极20和漏电极30电连接至外部发光器件200中，例如QLED，可实现对发光器件200的驱动。可通过精确控制外界光照强度，以便精确控制栅电极的电压，从而实现地发光器件的精确驱动。如光电二极管100在白光照射下，晶体管呈关闭状态，外接发光器件呈关闭状态；白光关闭状态时，晶体管处于打开状态，输出的电流能够驱动发光器件，发光器件处在开启状态。进一步地，如图4所示，通过控制外界光照的开闭状态，测量驱动器件的输出电流和输出电压，其中实线表示光照强度由弱变强来测试测量驱动器件的反应时间，虚线表示光照强度由弱变强来测试测量驱动器件的反应时间，从图中可看出该驱动器件的响应灵敏度较高，导电性能良好。

本发明实施例公开了一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其工艺简单、成本低廉，另外通过该方法制得驱动器件只需提供较低工作电压便可输出的电流，且驱动器件对外界光照的具有较高的灵敏度。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其特征在于，包括：

提供一绝缘基板(10)；

在所述绝缘基板(10)上制作形成源电极(20)、漏电极(30)和碳纳米管有源层(40)；

在所述碳纳米管有源层(40)上制作形成第一介电层(60)，且所述第一介电层(60)覆盖所述碳纳米管有源层(40)；

在所述第一介电层(60)上制作形成栅电极(70)，且所述栅电极(70)覆盖所述碳纳米管有源层(40)；

将光电二极管(80)的负极与所述栅电极(70)电连接；

将光电二极管(80)与所述栅电极(70)电连接的方法具体包括：利用导线(100)连接所述光电二极管(80)的负极和所述栅电极(70)；

所述碳纳米管有源层(40)为采用气溶胶打印工艺打印3至4次得到，通过源电极(20)和漏电极(30)之间的电流大小范围为10^-5-10^-4A。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其特征在于，在所述绝缘基板(10)上制作形成源电极(20)、漏电极(30)和碳纳米管有源层(40)之前，所述制备方法还包括：在所述绝缘基板(10)制作形成第二介电层(90)。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其特征在于，在所述绝缘基板(10)上制作形成源电极(20)、漏电极(30)和碳纳米管有源层(40)的方法具体包括：

在所述绝缘基板(10)上制作形成所述源电极(20)和所述漏电极(30)，所述源电极(20)和所述漏电极(30)之间形成沟道，在所述沟道内制作形成所述碳纳米管有源层(40)；

或者在所述绝缘基板(10)上制作形成所述碳纳米管有源层(40)，在所述碳纳米管有源层(40)的两侧分别制作所述源电极(20)和所述漏电极(30)。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其特征在于，所述绝缘基板(10)由玻璃、硅片、石英、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯中的任意一种制作形成。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其特征在于，所述源电极(20)、所述漏电极(30)和所述栅电极(70)由金、银、钼、镍和氧化铟锡中的任意一种制作形成。

6.根据权利要求2所述的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法，其特征在于，所述第一介电层(60)和所述第二介电层(90)由氧化铪、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、离子胶、固态电解质、聚乙烯吡咯烷酮和聚酰亚胺中的任意一种制作形成。

7.一种基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的基于碳纳米管薄膜晶体管的驱动器件的制备方法制成。

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