CN110707216B - 石墨烯薄膜晶体管、其制备方法及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种石墨烯薄膜晶体管、其制备方法及显示装置，属于电子和光电子显示技术领域。石墨烯薄膜晶体管，包括：基板、源漏极层、第一有源层、第二有源层、栅极绝缘层和栅极层。源漏极层包括源极层和漏极层，源极层和漏极层均位于基板的一表面上。第一有源层为石墨烯层，第一有源层位于基板的未被源极层和漏极层覆盖的表面上。第二有源层为有机半导体层，第二有源层位于石墨烯层、源极层和漏极层上。石墨烯薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：在第一有源层、源极层和漏极层的表面设置固态有机半导体材料，加热基板使固态有机半导体材料熔化，冷却基板形成第二有源层。此制备方法得到的石墨烯薄膜晶体管具有两层有源层，电学性能更佳。
Description
技术领域
本申请涉及电子和光电子显示技术领域，具体而言，涉及一种石墨烯薄膜晶体管、其制备方法及显示装置。
背景技术
现有技术中，通过化学气相沉积法(CVD法)在金属基底的表面生长大面积、高质量的石墨烯薄膜，使用刻蚀液将金属基底腐蚀掉，将石墨烯层转移至基板上进行石墨烯薄膜晶体管的制造。但是，在转移的过程中，石墨烯层会遭到破坏，从而影响器件的性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种石墨烯薄膜晶体管、其制备方法及显示装置，设置两层有源层，使石墨烯薄膜晶体管的电学性能更佳。
第一方面，本申请实施例提供一种石墨烯薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
将石墨烯层转移至基板的上表面，图案化石墨烯层得到第一有源层。在基板的上表面的未被第一有源层覆盖的区域形成源极层和漏极层。在第一有源层、源极层和漏极层的表面设置固态有机半导体，加热基板使固态有机半导体熔化，冷却基板形成第二有源层。在第二有源层的表面形成栅极绝缘层。在栅极绝缘层的表面形成栅极层。
图案化石墨烯层得到第一有源层，使其中一部分基板未被第一有源层覆盖，在基板上未被第一有源层覆盖的区域形成源极层和漏极层，第一有源层能够连通源极层和漏极层。加热固态有机半导体材料后，有机半导体材料熔化，由固态变为液态，液态的有机半导体材料具有一定的流动性，能够填补石墨烯层的缺陷，对第一有源层进行修复，并形成了第二有源层，且在第二有源层的表面形成栅极绝缘层，避免形成栅极绝缘层的过程中破坏石墨烯层，对石墨烯层形成保护，使得到的石墨烯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，固态有机半导体材料为液晶相有机半导体材料。有机半导体材料为液晶相有机半导体材料，在有机半导体材料熔化以后，由固态变成液态，由于固态的有机半导体材料位于第一有源层的上方，液态的有机半导体材料会向下流向石墨烯层，自动填补石墨烯薄膜的缺陷。基板冷却后，有机半导体材料会形成晶态，渗入或者嵌入石墨烯薄膜中的晶态有机半导体材料能够提高石墨烯层内的电子传输能力，且石墨烯层上的晶态有机半导体层作为第二有源层，也能够提高有源层载流子的传输，从而提高石墨烯薄膜晶体管的电学性能。
结合第一方面，在另一实施例中，液晶相有机半导体材料包括噻吩-苯撑、噻吩-萘、噻吩-芴、苯撑-联噻吩、苯撑-三噻吩、噻吩乙炔-三噻吩、四噻吩、苯并噻吩、萘酰亚胺、蒽酰亚胺和苝酰亚胺类中的至少一种。
结合第一方面，在另一实施例中，基板加热至160-180℃，基板加热至160-180℃以后，能够使液晶相的有机半导体材料熔化，从固态变成液态。
结合第一方面，在另一实施例中，液晶相有机半导体材料为粉末状。粉末状的液晶相有机半导体材料能够均匀设置在第一有源层的表面，对石墨烯层的修复效果更好。
结合第一方面，在另一实施例中，将粉末状的液晶相有机半导体材料喷洒至第一有源层、源极层和漏极层的表面。通过喷洒的方式将粉末状的液晶相有机半导体材料设置在第一有源层的上方，使有机半导体的设置更加均匀，以便石墨烯层的修复和第二有源层的形成。
结合第一方面，在另一实施例中，液晶相有机半导体材料的粒径为0.1nm-2000μm，可选地，液晶相有机半导体材料的粒径为0.5nm-1000μm，可选地，液晶相有机半导体材料的粒径为1nm-500μm。达到有机半导体材料的熔点以后，粉末状能够快速熔化成液态，使制备更加方便。
结合第一方面，在另一实施例中，第二有源层的厚度为5-300nm；可选地，第二有源层的厚度为10-200nm；可选地，第二有源层的厚度为15-100nm。得到的石墨烯薄膜晶体管的电学性能较佳。
第二方面，本申请实施例提供一种石墨烯薄膜晶体管，由上述石墨烯薄膜晶体管的制备方法制备得到。得到的石墨烯薄膜晶体管的载流子迁移率增加、阈值电压减小，电流开关比增大，电学性能更佳。
第三方面，本申请实施例提供一种石墨烯薄膜晶体管，包括基板、源漏极层、第一有源层、第二有源层、栅极绝缘层和栅极层。源漏极层包括源极层和漏极层，源极层和漏极层均位于基板的一表面上。第一有源层为石墨烯层，第一有源层位于基板的未被源极层和漏极层覆盖的表面上。第二有源层为有机半导体层，第二有源层位于石墨烯层、源极层和漏极层上。栅极绝缘层位于第二有源层上。栅极层位于栅极绝缘层上。
源极层和漏极层之间为第一有源层，第一有源层为石墨烯层，第一有源层上为第二有源层，第二有源层为有机半导体层，设置两层有源层，使源极层和漏极层之间的连通性好，载流子传输效果更好，且第二有源层能够对石墨烯层形成保护，提高石墨烯薄膜晶体管的电学性能。
结合第三方面，在另一实施例中，第二有源层渗透进入第一有源层内。有机半导体层渗透进入石墨烯层内，能够对石墨烯层进行修复，提高石墨烯层的电子传输能力，从而提高电学性能。
结合第三方面，在另一实施例中，有机半导体层由液晶相有机半导体材料制成。能够形成连通性好、高度有序的大面积结晶的有机半导体层，提高石墨烯薄膜晶体管的电学性能。
结合第三方面，在另一实施例中，液晶相有机半导体材料包括噻吩-苯撑、噻吩-萘、噻吩-芴、苯撑-联噻吩、苯撑-三噻吩、噻吩乙炔-三噻吩、四噻吩、苯并噻吩、萘酰亚胺、蒽酰亚胺和苝酰亚胺类中的至少一种。
结合第三方面，在另一实施例中，有机半导体层的厚度为5-300nm。可选地，有机半导体层的厚度为10-200nm。可选地，有机半导体层的厚度为15-100nm。
第四方面，本申请实施例提供一种显示装置，包括上述石墨烯薄膜晶体管。显示装置可以是手机、电视、平板、电脑显示器、数码相机等任何具有显示功能的产品或者部件。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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申请的保护范围。
图1为本申请实施例提供的石墨烯薄膜晶体管经过步骤S106后实现的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的石墨烯薄膜晶体管经过步骤S108后实现的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的石墨烯薄膜晶体管经过步骤S110后实现的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的石墨烯薄膜晶体管经过步骤S112后实现的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的石墨烯薄膜晶体管经过步骤S114后实现的结构示意图。
图标：110-基板；120-第一有源层；130-源漏极层；140-第二有源层；150-栅极绝缘层；160-栅极层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请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。
石墨烯薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：
请参阅图1-图5，本实施例中，
S102：选择一基板。其中，基板可以是玻璃基板、硅基板或者柔性基板。其中，基板能够承受高温，在后续对半导体材料进行加热使半导体材料熔化的过程中，不会损坏基板。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、PES(聚醚砜)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)基板等。
S104：形成石墨烯层，也就是形成石墨烯薄膜。本实施例中，通过CVD法在金属基底的表面生长大面积、高质量的石墨烯薄膜，使用刻蚀液将金属基底腐蚀掉，得到石墨烯薄膜。
S106：形成第一有源层，将石墨烯层转移至基板的上表面，图案化石墨烯层得到第一有源层。可选地，在石墨烯层的表面涂布光阻层，曝光、显影处理后进行干刻处理得到图案化的石墨烯层作为晶体管的第一有源层。
也就是说，将石墨烯层的一部分干刻掉，使基板的一部分露出，用于后续形成源极层和漏极层。
S108：形成源漏极层，源漏极层包括源极层和漏极层，在基板的上表面的未被第一有源层覆盖的区域形成源极层和漏极层。石墨烯层干刻以后，基板的上表面露出的区域形成源极层和漏极层，源极层和漏极层均位于基板的一表面上，第一有源层位于基板的未被源极层和漏极层覆盖的表面上。
先在基板的未被石墨烯层覆盖的表面和石墨烯层的表面沉积源漏极薄膜层，再在源漏极薄膜层的表面涂布光阻层，曝光、显影以后进行蚀刻处理得到源极层和漏极层。源极层和漏极层位于基板上未被石墨烯层覆盖的区域，蚀刻以后第一有源层露出。
源极层和漏极层的材料可以是金属，例如：金(Au)、钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钕(Nd)、金浆、银浆、铜浆一种或几种；也可以是导电聚合物、金属氧化物、碳纳米管掺杂或复合材料、纳米银线或纳米铜线等。
源漏极层薄膜形成的方法包括磁控溅射、真空蒸镀、喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、化学气相沉积、卷对卷印刷、微接触印刷、纳米压印中的一种。
可选地，源极层和漏极层的厚度为0.3-500nm。进一步地，源极层和漏极层的厚度为10-300nm。进一步地，源极层和漏极层的厚度为20-100nm。
S110：形成第二有源层，在第一有源层、源极层和漏极层的表面设置固态有机半导体材料，加热基板使固态有机半导体材料熔化，冷却基板形成第二有源层，第二有源层位于石墨烯层、源极层和漏极层上。
在石墨烯层转移或者石墨烯层干刻以及源漏极层蚀刻的过程中，均有可能损坏石墨烯层，使石墨烯薄膜存在缺陷。加热基板使有机半导体材料熔化后，会由固态变成液态，具有一定的流动性，会向第一有源层流动。第二有源层渗透进入第一有源层内，能够填补石墨烯层的缺陷，对石墨烯层进行修复，提高第一有源层的电子传输能力。液态的有机半导体冷却以后，变成固态，形成第二有源层，使源极层和漏极层的传输效果更好。
可选地，固态有机半导体材料为液晶相有机半导体材料，有机半导体层由液晶相有机半导体材料制成，基板加热至160-180℃能够使液晶相的有机半导体材料熔化。有机半导体材料熔化以后，由固态变成液态，由于固态的有机半导体材料位于第一有源层的上方，液态的有机半导体材料会向下流向石墨烯层，自动填补石墨烯薄膜的缺陷。基板冷却后，有机半导体材料会形成晶态，渗入或者嵌入石墨烯薄膜中的晶态有机半导体材料能够提高石墨烯层内的电子传输能力，且石墨烯层上的晶态有机半导体层作为第二有源层，形成连通性好、高度有序的大面积结晶的有机半导体层，能够提高有源层载流子的传输，从而提高石墨烯薄膜晶体管的电学性能。
可选地，液晶相有机半导体材料包括噻吩-苯撑、噻吩-萘、噻吩-芴、苯撑-联噻吩、苯撑-三噻吩、噻吩乙炔-三噻吩、四噻吩、苯并噻吩、萘酰亚胺、蒽酰亚胺和苝酰亚胺类中的至少一种。
可选地，液晶相有机半导体材料为粉末状。液晶相有机半导体材料的粒径为0.1nm-2000μm，进一步地，粒径为0.5nm-1000μm，进一步地，粒径为1nm-500μm。将粉末状的液晶相有机半导体材料喷洒至第一有源层、源极层和漏极层的表面，使粉末状的液晶相有机半导体材料在第一有源层、源极层和漏极层的表面喷洒的更加均匀，使液晶相有机半导体材料对石墨烯层的修复效果更好，且使第二有源层的形成更加均匀。
现有技术中使用有机半导体溶液形成有机半导体层。由于有机半导体溶液内含有有机溶剂，如甲苯、二甲苯、溴苯等有机物易燃且具有毒性，污染环境，不适合大规模显示器件的生产应用。且有机半导体溶液通过旋涂、喷涂、浸涂、刮刀涂布、接触式涂布或狭缝式涂布等方式形成有机半导体层，会对石墨烯层造成破坏。
而本申请中，直接使用粉末状的有机半导体材料形成第二有源层，不需要使用溶剂，避免污染环境。且将粉末状的有机半导体材料喷洒至第一有源层、源极层和漏极层的表面，在喷洒的过程中，对石墨烯层施加的力非常小，不会对石墨烯层造成二次破坏，并且有机半导体材料熔化以后，渗透进入石墨烯层，还能够对石墨烯层进行修复。
可选地，第二有源层的厚度为5-300nm，也就是有机半导体层的厚度为5-300nm。进一步地，第二有源层的厚度为10-200nm，也就是有机半导体层的厚度为10-200nm。进一步地，第二有源层的厚度为15-100nm，也就是有机半导体层的厚度为15-100nm。
S112：在第二有源层的表面形成栅极绝缘层，栅极绝缘层位于第二有源层上。栅极绝缘层通过旋涂、喷涂、浸涂、刮刀涂布、接触式涂布或狭缝式涂布的方式将绝缘材料涂布于第二有源层的表面。绝缘材料包括：全氟环状聚合物(CYTOP)、全氟环丁烷(PFCB)、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、苯并环丁烯(BCB)、聚乙烯醇肉桂酸酯(PVC)、光刻胶(SU-8)等。可选地，栅极绝缘层的厚度为10-1000nm。进一步地，栅极绝缘层的厚度为50-800nm。进一步地，栅极绝缘层的厚度为100-500nm。
通过涂布的方式形成栅极绝缘层的过程中，由于石墨烯层上形成有第二有源层，能够对石墨烯层形成保护，避免形成栅极绝缘层的过程中损坏石墨烯层，避免在石墨烯薄膜晶体管构建的过程中损伤石墨烯层，提高石墨烯薄膜晶体管的电学性能。
S114：在栅极绝缘层的表面形成栅极层，栅极层位于栅极绝缘层上。栅极层的材料包括金(Au)、钛(Ti)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、铬(Cr)、钕(Nd)、氧化铟锡(ITO)一种或几种。
本实施例中，通过磁控溅射或真空蒸镀方式在栅极绝缘层的表面沉积金属层，在金属层的表面涂布光阻层，进行曝光、显影工艺之后进行蚀刻处理得到栅极层。
其中，栅极层的厚度为5-1000nm。进一步地，栅极层的厚度为10-500nm。进一步地，栅极层的厚度为20-200nm。
通过上述石墨烯薄膜晶体管的制备方法制备得到的石墨烯薄膜晶体管，其载流子迁移率增加、阈值电压减小，电流开关比增大，电学性能更佳。
一种显示装置，包括石墨烯薄膜晶体管。石墨烯薄膜晶体管可以用来制备显示装置，可以是手机、电视、平板、电脑显示器、数码相机等任何具有显示功能的器件。
实施例
使用上述具体实施方式提供的石墨烯薄膜晶体管的制备方法制备石墨烯薄膜晶体管。其中，石墨烯薄膜晶体管的制备条件如表1，
表1石墨烯薄膜晶体管的制备条件
对比例1提供的石墨烯薄膜晶体管的制备方法为：(1)、将石墨烯层转移至PI基板的上表面，图案化石墨烯层得到第一有源层。(2)、在基板的上表面的未被第一有源层覆盖的区域形成源极层和漏极层。(3)、通过旋涂的方式将四硫富瓦烯和有机溶剂的混合溶液涂布至第一有源层、源极层和漏极层的表面形成第二有源层。(4)、在第二有源层的表面形成栅极绝缘层。(5)、在栅极绝缘层的表面形成栅极层。
对比例2提供的石墨烯薄膜晶体管的制备方法与对比例1提供的方法一致，只是对比例2提供的混合溶液为噻吩-苯撑和有机溶剂的混合溶液。
检测实施例1-实施例12以及对比例1和对比例2得到的石墨烯薄膜晶体管的载流子迁移率、阈值电压和电流开关比得到表2。
表2石墨烯薄膜晶体管的电学性能
| 组别 | 载流子迁移率(cm2/Vs) | 阈值电压(V) | 电流开关比 |
| 实施例1 | 192 | 2.8 | 6.5×107 |
| 实施例2 | 105 | 10.2 | 7.5×106 |
| 实施例3 | 189 | 3.2 | 6.0×107 |
| 实施例4 | 195 | 2.4 | 6.8×107 |
| 实施例5 | 196 | 2.2 | 6.9×107 |
| 实施例6 | 188 | 3.4 | 5.7×107 |
| 实施例7 | 145 | 8.4 | 2.1×107 |
| 实施例8 | 190 | 3.0 | 6.2×107 |
| 实施例9 | 191 | 2.9 | 6.5×107 |
| 实施例10 | 135 | 8.8 | 1.2×107 |
| 实施例11 | 189 | 3.2 | 6.2×107 |
| 实施例12 | 192 | 2.7 | 6.7×107 |
| 对比例1 | 72 | 14.7 | 2.2×106 |
| 对比例2 | 78 | 11.8 | 2.7×106 |
从表1和表2可以看出，与对比例1和对比例2相比，实施例1-实施例12得到的石墨烯薄膜晶体管的载流子迁移率增加、阈值电压减小，电流开关比增大。
其中，实施例2中，有机半导体材料为四硫富瓦烯，其不是液晶相有机半导体材料，得到的石墨烯薄膜晶体管的电学性能稍差。实施例7中，有机半导体材料的粒径过大，得到的石墨烯薄膜晶体管的电学性能稍差。实施例10中，基板加热的温度过高，得到的石墨烯薄膜晶体管的电学性能稍差。
实施例1、实施例3-实施例6、实施例8、实施例9、实施例11和实施例12得到的石墨烯薄膜晶体管，其电学性能较佳。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
Claims (19)
1.一种石墨烯薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将石墨烯层转移至基板的上表面，图案化所述石墨烯层得到第一有源层；
在所述基板的所述上表面的未被所述第一有源层覆盖的部位形成源极层和漏极层；
在所述第一有源层、所述源极层和所述漏极层的表面设置固态有机半导体材料，加热所述基板使所述固态有机半导体材料熔化，以填补所述石墨烯层的缺陷，对所述第一有源层进行修复，冷却所述基板形成第二有源层；
所述基板加热至160-180℃；
在所述第二有源层的表面形成栅极绝缘层；
在所述栅极绝缘层的表面形成栅极层；
所述第二有源层的厚度为5-300nm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固态有机半导体材料为液晶相有机半导体材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述液晶相有机半导体材料包括噻吩-苯撑、噻吩-萘、噻吩-芴、苯撑-联噻吩、苯撑-三噻吩、噻吩乙炔-三噻吩、四噻吩、苯并噻吩、萘酰亚胺、蒽酰亚胺和苝酰亚胺类中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述液晶相有机半导体材料为粉末状。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将粉末状的所述液晶相有机半导体材料喷洒至所述第一有源层、所述源极层和所述漏极层的表面。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述液晶相有机半导体材料的粒径为0.1nm-2000μm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述液晶相有机半导体材料的粒径为0.5nm-1000μm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述液晶相有机半导体材料的粒径为1nm-500μm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二有源层的厚度为10-200nm。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第二有源层的厚度为15-100nm。
11.一种石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，由权利要求1-10任一项所述的石墨烯薄膜晶体管的制备方法制备得到。
12.根据权利要求11所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，包括：
基板；
源漏极层，所述源漏极层包括源极层和漏极层，所述源极层和所述漏极层均位于所述基板的一表面上；
第一有源层，所述第一有源层为石墨烯层，所述第一有源层位于所述基板的未被所述源极层和所述漏极层覆盖的表面上；
第二有源层，所述第二有源层为有机半导体层，所述第二有源层位于所述石墨烯层、所述源极层和所述漏极层上；
栅极绝缘层，所述栅极绝缘层位于所述第二有源层上；
栅极层，所述栅极层位于所述栅极绝缘层上。
13.根据权利要求12所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，所述第二有源层渗透进入所述第一有源层内。
14.根据权利要求13所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层由液晶相有机半导体材料制成。
15.根据权利要求14所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，所述液晶相有机半导体材料包括噻吩-苯撑、噻吩-萘、噻吩-芴、苯撑-联噻吩、苯撑-三噻吩、噻吩乙炔-三噻吩、四噻吩、苯并噻吩、萘酰亚胺、蒽酰亚胺和苝酰亚胺类中的至少一种。
16.根据权利要求13或14所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层的厚度为5-300nm。
17.根据权利要求16所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体层的厚度为10-200nm。
18.根据权利要求17所述的石墨烯薄膜晶体管，其特征在于，可选地，所述有机半导体层的厚度为15-100nm。
19.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求11-18任一项所述的石墨烯薄膜晶体管。
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