CN110112293A - 一种高分子聚合物薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分子聚合物薄膜晶体管及其制备方法，该薄膜晶体管为顶栅底接触结构，晶体管由上至下依次是栅极、介电层、半导体有源层，源漏电极以及衬底；在高分子聚合物薄膜晶体管底电极制作完毕后，通过掩膜版对准，在电极上表面形成额外的铜过渡层，然后对铜过渡层进行紫外臭氧清洗，使铜过渡层充分被氧化成氧化铜中间层，通过氧化铜中间层提高源漏电极的表面功函数，使半导体有源层与源漏电极间肖特基势垒降低，接触电阻减小，从而提高了该薄膜晶体管的电学性能。本发明所述的制备方法，可以解决高分子聚合物半导体以及源漏底电极间的接触电阻较大的问题，抑制此类半导体与金属电极的非欧姆接触，使高分子聚合物薄膜晶体管性能大幅度提升。
Description
技术领域
本发明属于电子材料及器件与微细加工技术领域，特别涉及一种高分子聚合物薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
高分子聚合物薄膜晶体管由于其性能优秀、柔性、制备成本低、可喷墨打印和大面积生产等特点，在有源矩阵显示阵列以及大面积的消费类电子市场展现了广泛的应用前景。然而与传统的硅基晶体管相比，其电极与半导体接触处的非欧姆接触一直是严重阻碍高分子聚合物薄膜晶体管性能的主要问题，这大大限制了高分子聚合物薄膜晶体管的大规模商业化应用。
为实现高分子聚合物半导体与金属电极的欧姆接触，需尽量减小高分子聚合物半导体的电子最高已占轨道的能级(HOMO)与金属电极材料的功函数差。然而对于常见的P型聚合物半导体而言，其HOMO能级通常要远大于5.1电子伏特，与最常用的高功函数材料金(5.1电子伏特)相比仍然相差甚远。因此，即使人们使用昂贵的金材料去制备晶体管源漏电极，也无法获得理想的晶体管电学性能。
因此，迫切需要提出一种高效调节高分子聚合物薄膜晶体管源漏电极与半导体接触的方法。
发明内容
本发明的目的是提供了一种高分子聚合物薄膜晶体管及其制备方法。本发明能够解决高分子聚合物半导体以及源漏底电极间的接触电阻较大的问题，抑制高分子聚合物半导体与金属电极的非欧姆接触，使高分子聚合物薄膜晶体管性能大幅度提升。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种高分子聚合物薄膜晶体管的制备方法，该高分子聚合物薄晶体管为顶栅底接触结构，晶体管由上至下依次是栅极、介电层、半导体有源层，源漏电极以及衬底；在高分子聚合物薄膜晶体管底电极制作完毕后，通过掩膜版对准，在源漏电极上表面形成一层铜过渡层，然后对铜过渡层进行紫外臭氧清洗，使铜过渡层充分被氧化成氧化铜中间层(CuOx)，通过氧化铜中间层提高源漏电极的表面功函数，使半导体有源层与源漏电极间肖特基势垒降低，接触电阻减小，提高高分子聚合物薄膜晶体管的迁移率，降低高分子聚合物薄膜晶体管的接触电阻，亚阈值摆幅以及阈值电压的绝对值。
所述由上至下依次是栅极、介电层、半导体有源层，源漏电极及衬底，具体包括：
a)采用真空热蒸镀法或磁控溅射法在衬底上形成源漏电极；所述衬底为绝缘材料；
b)采用真空热蒸镀法或磁控溅射法在底电极即源漏电极上表面沉积铜过渡层；所述铜过渡层厚度为2～6纳米；
c)采用紫外臭氧清洗进行氧化，时间为20～120分钟，其功率为100～200 W，处理时环境温度为30～80℃，将铜过渡层氧化成氧化铜中间层；所述氧化铜中间层厚度为3～8纳米；
d)采用溶胶凝胶法将高分子聚合物半导体溶液置于氧化铜中间层上表面形成半导体有源层；所述溶胶凝胶法为溶液旋涂法。
e)采用溶胶凝胶法将介电材料溶液置于半导体有源层上表面形成介电层；所述溶胶凝胶法为溶液旋涂法。
f)采用真空热蒸镀法或磁控溅射法在介电层上表面形成栅电极；所述栅电极材料为金、银、铜或铝。
所述绝缘材料为玻璃、二氧化硅或聚对苯二甲酸类塑料。
一种上述所述方法制得的高分子聚合物薄膜晶体管。
本发明的有益效果：
1)通过本发明方法制备所得的薄膜晶体管可以获得更高的迁移率，是传统方法制备所得的无中间层的薄膜晶体管的迁移率2-3倍。
2)通过本发明方法制备所得的薄膜晶体管可以获得更高的开关比，是传统方法制备所得的无中间层的薄膜晶体管的开关比5-100倍。
3)通过本发明方法制备所得的薄膜晶体管可以获得更低的亚阈值摆幅，是传统方法制备所得的无中间层的薄膜晶体管的亚阈值摆幅0.5-0.1倍。
4)通过本发明方法制备所得的薄膜晶体管可以获得更低的接触电阻，是传统方法制备所得的无中间层的薄膜晶体管的接触电阻0.5-0.05倍。
附图说明
图1为无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的截面结构示意图；
图2为本发明所述方法制备的高分子聚合物薄膜晶体管的截面结构示意图；
图3为本发明高分子聚合物薄膜晶体管与无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的饱和区转移特性曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。以下所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
本发明采用传统电极制备工艺，在掩膜版的自对准下可以在源漏电极的上表面制备出一层厚度可控，且致密的铜过渡层。利用铜的易氧化性质，通过紫外臭氧清洗，可在源漏电极表面制备出一层氧化铜中间层(CuOx)。通过制备氧化铜中间层提高源漏电极的表面功函数，使半导体有源层与源漏电极间肖特基势垒降低，接触电阻减小，从而提高高分子聚合物薄膜晶体管的迁移率，降低高分子聚合物薄膜晶体管的接触电阻，亚阈值摆幅以及阈值电压的绝对值。
对比例1
无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管制备
1)在1.5厘米乘以1.5厘米的玻璃片衬底上，采用真空热蒸发法通过掩膜版沉积35纳米厚的金作为源漏电极。
2)以2000转每分钟的转速，通过旋涂仪将1,4-二氧并二吡咯和噻吩聚合物溶液(DPPT-TT)旋涂在源漏电极表面，得到40纳米厚的半导体有源层。
3)以2000转每分钟的转速，通过旋涂仪将聚苯乙烯溶液旋涂在半导体有源层上表面，得到1微米厚的介电层。
4)通过掩膜版，采用热蒸发技术沉积60纳米厚的金作为栅极。
如图1所示，为依照对比例1制备的无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的截面结构示意图。
实施例1
本发明所述的具有中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的制备
1)在1.5厘米乘以1.5厘米的玻璃片衬底上，采用真空热蒸发法通过掩膜版沉积35纳米厚的金作为源漏电极。
2)通过光学显微镜进行掩膜版和源漏电极对准，保持步骤1)所使用的掩膜版位置不变，采用热蒸发技术在金电极上沉积5纳米厚的铜过渡层。
3)将形成铜过渡层后的样品放入紫外臭氧清洗机进行铜层的氧化处理，以形成氧化铜中间层，其处理时所设置的功率为150瓦，处理时间为5分钟，处理时腔体温度为50摄氏度。
4)以2000转每分钟的转速，通过旋涂仪将1,4-二氧并二吡咯和噻吩聚合物溶液(DPPT-TT)旋涂在电极处理后源漏电极表面，得到40纳米厚的半导体有源层。
5)以2000转每分钟的转速，通过旋涂仪将聚苯乙烯溶液旋涂在有源层上表面，得到1微米厚的介电层。
6)通过掩膜版，采用热蒸发方法沉积60纳米厚的金作为栅极。
如图2所示，图2为本发明实施例1制备的具有中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的截面结构示意图。
图3为对比例1与实施例1制备所得高分子聚合物薄膜晶体管的饱和区转移特性曲线对比图。参阅图3可知，施例1所得的高分子聚合物薄膜晶体管其饱和区转移特性有非常大的改善。为详细统计其具体电学参数的改变，表1列出了根据转移特性曲线计算出的两种高分子聚合物薄膜晶体管的迁移率、阈值电压、亚阈值摆幅以及开关比等电学参数。对于无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管，其迁移率为0.226平方厘米/(伏特·秒)、亚阈值摆幅为23.2伏特/单位数量级、开关比为254.9、接触电阻为2×105欧姆。本发明所述的具有中间层的高分子聚合物薄膜晶体管迁移率为0.775平方厘米/(伏特·秒)、亚阈值摆幅为5.5伏特/单位数量级、开关比为2.3×104、接触电阻为2×104欧姆。因此，本发明有中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的迁移率和开关比分别提升至无中间层的晶体管的3.4倍和90倍，其亚阈值摆幅和接触电阻分别降低至无中间层的晶体管的0.24倍和0.1倍。以上述四个不同的电学性能作为衡量指标，做到了对该聚合物薄膜晶体管的优化。
在本发明中，氧化铜中间层对晶体管接触的调节作用是促使晶体管性能优化的主要原因。无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管中半导体和金属电极间的接触通常为肖特基接触，这种非欧姆接触产生了较大的接触电阻(如表1所示，为无中间层的高分子聚合物薄膜晶体管与本发明有中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的电学参数对比)，从而使薄膜晶体管的电学性能下降。而本发明的高分子聚合物薄膜晶体管的源漏电极，其电极表面功函数经氧化铜中间层调节，使其更接近P型高分子聚合物半导体的HOMO能级，从而降低了源漏电极与半导体间的肖特基势垒，使得接触电阻减小，薄膜晶体管的载流子注入相应增强，其各项电学参数都得到优化。参阅表1可得，本发明的具有中间层的高分子聚合物薄膜晶体管的接触电阻能较无中间层的的高分子聚合物薄膜晶体管减小10倍，这正是本发明能优化高分子聚合物薄膜晶体管的核心因素。
因此，通过本发明的制备方法，可以解决高分子聚合物薄膜晶体管中高分子聚合物半导体和源漏金属电极的接触电阻较大的问题，大幅度提升其各项电学性能，对实现高分子聚合物薄膜晶体管的大规模商业应用，有非常深刻的意义。
表1
Claims (4)
1.一种高分子聚合物薄膜晶体管的制备方法，该高分子聚合物薄晶体管为顶栅底接触结构，晶体管由上至下依次是栅极、介电层、半导体有源层，源漏电极及衬底，其特征在于，在高分子聚合物薄膜晶体管源漏电极制作完成后，通过掩膜版对准，在源漏电极上表面形成一层铜过渡层，然后对铜过渡层进行紫外臭氧清洗，使铜过渡层充分被氧化成氧化铜中间层(CuOx)，通过氧化铜中间层提高源漏电极的表面功函数，使半导体有源层与源漏电极间肖特基势垒降低，接触电阻减小，提高高分子聚合物薄膜晶体管的迁移率，降低高分子聚合物薄膜晶体管的接触电阻，亚阈值摆幅以及阈值电压的绝对值。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述由上至下依次是栅极、介电层、半导体有源层，源漏电极及衬底，具体包括：
a）采用真空热蒸镀法或磁控溅射法在衬底上形成源漏电极；所述衬底为绝缘材料；
b）采用真空热蒸镀法或磁控溅射法在底电极即源漏电极上表面沉积铜过渡层；所述铜过渡层厚度为2～6纳米；
c）采用紫外臭氧清洗进行氧化，时间为20～120分钟，其功率为100～200 W，处理时环境温度为30～80℃，将铜过渡层氧化成氧化铜中间层；所述氧化铜中间层厚度为3～8纳米；
d）采用溶胶凝胶法将高分子聚合物半导体溶液置于氧化铜中间层上表面形成半导体有源层；所述溶胶凝胶法为溶液旋涂法；
e）采用溶胶凝胶法将介电材料溶液置于半导体有源层上表面形成介电层；所述溶胶凝胶法为溶液旋涂法；
f）采用真空热蒸镀法或磁控溅射法在介电层上表面形成栅电极；所述栅电极材料为金、银、铜或铝。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘材料为玻璃、二氧化硅或聚对苯二甲酸类塑料。
4.一种权利要求1、2或3所述方法制得的高分子聚合物薄膜晶体管。
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| CN102222767A (zh) * | 2011-06-23 | 2011-10-19 | 康佳集团股份有限公司 | 有机薄膜晶体管 |
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2019
- 2019-04-03 CN CN201910264205.3A patent/CN110112293B/zh active Active
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