CN1545153A - 含有修饰层的有机薄膜晶体管器件及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的有机薄膜晶体管器件及其制作方法。在源/漏电极和栅绝缘层之间引入修饰层。它既可以增大器件的开态电流又可以减小栅/源、栅/漏之间漏电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的有机薄膜晶体管器件及其加工方法。
背景技术
近年来，OTFT在柔性有源矩阵显示和柔性集成电路等方面显现出应用潜力。低功耗是OTFT实际应用的一个重要性质，C.D.Dimitrakopoulos等人提供了一种采用高介电常数材料为栅绝缘层(如钛酸钡，BZT)来实行低工作电压的方法(C.D.Dimitrakopoulos etal Science 283，822，1999)。遗憾的是，这种方法增大了器件的栅/源、栅/漏电极之间的漏电流。中国专利CN1409417公开了一种采用高介电常数材料为栅绝缘层，并在源和漏电极与栅绝缘层间含有低介电常数绝缘层结构的OTFT，该OTFT能够有效降低器件的栅/源、栅/漏电极之间的漏电流。当该绝缘层的厚度进一步降低后，采用自组织方法在栅绝缘层表面形成超薄修饰层的方法更方便。修饰层已经在OTFT器件中被采用，主要是改善有机半导体与源/漏电极的接触性质(Jackson工作，器件剖面示意图见附图1a)和改善有机半导体的薄膜形态结构(美国发明专利，US6433359，器件剖面示意图见附图1b)。
发明内容
本发明的目的是提供一种在源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的有机薄膜晶体管器件；
本发明的另一个目的是提供一种源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的有机薄膜晶体管器件的加工方法。
克服采用高介电绝缘栅的OTFT中栅/源、栅/漏的漏电流大的问题，采用高介电常数材料为栅绝缘层，在高介电栅绝缘层表面含有超薄的修饰层。
本发明采用具有高介电常数的绝缘材料作为栅绝缘层，在源/漏电极与栅绝缘层之间引入修饰层，有利于降低晶体管的关态电流和降低晶体管的开启电压。该结构还具有改善后序加工有机半导体薄膜的形态结构的作用，提高OTFT的性能。
本发明的制作步骤结合附图描述如下：
附图2是本发明源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的OTFT器件剖面示意图，图中(1)-衬底，(2)-栅极，(3)-栅绝缘层，(4)-修饰层，(5)-源极，(6)-漏极，(7)-有机半导体层；
第一步，在衬底(1)上溅射或蒸发一层金属Ta、Ti、W或MO，并光刻成栅电极(2)；
第二步，溅射或蒸发一层高介电性质的栅绝缘膜(3)，Ta2O5、Al2O3、TiO2或BZT；
第三步，在高介电性栅绝缘膜层表面上形成一层超薄的修饰层(4)；
第四步，真空热蒸发一层金属Au、Ag、Mo或Al，并光刻成源/漏电极(5)和(6)；
第五步，真空热蒸发有机半导体材料(7)作为有源层并光刻和刻蚀成型。
其中，修饰层(4)所用材料满足分子式X-Y-Zn分子形成，其中，X为下列端基：
(1)、-H，-CH3，...(非极性)；
(2)、-NH2，-CN，-Cl，...(极性)；
(3)、-NCO，-NH2，-CH＝CH2，...(有反应活性)。
Y为起连接作用的1-50个碳原子的直链或支链的烷基、卤代烷基或芳香环；
Z为反应活性端基，基团结构为：
(1)、-Si(OC2H5)3，-Si(OCH3)3，...(硅氧烷)；
(2)、-SiCl3，-Si(C2H5)2Cl，...(氯代硅烷)；
(3)、-PO3H2，-OPO3H2，...(磷酸脂)；
(4)、苯并三唑(-C6H4N3)及其衍生物；
(5)、-OH，-SH，-SeH，...(醇)；
(6)、-COOH，-SO3H，...(酸)；
(7)、-CONHOH，-COSH，-COSeH，...(羧酸衍生物)；
(8)、-C5H4N，-NC；
n等于1、2或3。
本发明的优点是在不增加光刻等常规复杂工艺的情况下，就可以改善OTFT器件的性能，而且还可以降低器件的寄生电容。这样，即可以采用高介电材料作为栅绝缘层，增大沟道电容，降低器件的开启电压，同时，又降低栅/源和栅/漏电极之间的漏电流对器件产生的不利影响。
附图说明
附图1a修饰电极的OTFT器件剖面示意图。
附图1b修饰绝缘栅的OTFT器件剖面示意图。
附图2本发明的在源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的OTFT器件剖面示意图。图中，(1)-衬底，(2)-栅极，(3)-栅绝缘层，(4)-修饰层，(5)-源极，(6)-漏极，(7)-有机半导体层。
附图3a底电极结构OTFT的转移特性曲线。
附图3b底电极结构OTFT的输出特性曲线。
附图4a根据本发明的OTFT器件的转移特性曲线。
附图4b根据本发明的OTFT器件的输出特性曲线。
具体实施方式
实施例1
在7059玻璃衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极(2)。溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；Ar气气压1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后，在栅极上面用直流磁控溅射反应溅射方法连续制备一层300纳米的SiO2作为栅绝缘层(3)。反应溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；O2气压0.9Pa；直流功率500W；衬底温度100℃度。接着，制备采用正光刻胶制备漏版，在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)后，再放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极(5)和漏电极(6)。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米。最后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到室温衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层(7)。器件剖面示意图见附图2。器件性质见表1。其中，空穴载流子迁移率为6.5×10-4cm2/Vs，开关电流比为1.0×103，阈值电压为-18V。
实施例2
在7059玻璃衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极(2)。溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；Ar气气压1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后，在栅极上面用直流磁控溅射反应溅射方法连续制备一层300纳米的SiO2作为栅绝缘层(3)。反应溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；O2气压0.9Pa；直流功率500W；衬底温度100℃度。接着，制备采用正光刻胶制备漏版，在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)后，再放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极(5)和漏电极(6)。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米。最后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到150℃衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层(7)。器件性质见表1。其中，空穴载流子迁移率为4.2×10-3cm2/Vs，开关电流比为5.0×103，阈值电压为-18V。
实施例3
在7059玻璃衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极(2)。溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；Ar气气压1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后，在栅极上面用直流磁控溅射反应溅射方法连续制备一层300纳米的Ta2O5作为栅绝缘层(3)。反应溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；O2气压0.9Pa；直流功率500W；衬底温度100℃度。接着，制备采用正光刻胶制备漏版，在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)后，再放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极(5)和漏电极(6)。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米。最后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到室温衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层(7)。器件性质见表1。其中，空穴载流子迁移率为7.3×10-4cm2/Vs，开关电流比为5.0×103，阈值电压为-16V。
实施例4
在7059玻璃衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极(2)。溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；Ar气气压1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后，在栅极上面用直流磁控溅射反应溅射方法连续制备一层300纳米的Ta2O5作为栅绝缘层(3)。反应溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；O2气压0.9Pa；直流功率500W；衬底温度100℃度。接着，制备采用正光刻胶制备漏版，在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)后，再放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极(5)和漏电极(6)。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米。最后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到150℃衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层(7)。器件性质见表1。源/漏电压为-50V时的转移特性见图3a，输出特性见图3b。其中，空穴载流子迁移率为1.3×10-2cm2/Vs，开关电流比为1.2×104，阈值电压为-15V。
实施例5
在7059玻璃衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极(2)。溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；Ar气气压1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后，在栅极上面用直流磁控溅射反应溅射方法连续制备一层300纳米的Ta2O5作为栅绝缘层(3)。反应溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；O2气压0.9Pa；直流功率500W；衬底温度100℃度。接着放入含重量百分比为2％的十八烷基硅烷的溶液中，其溶剂为体积比3比7为三氯甲烷与正己烷的混合液。4个小时后取出，用二甲苯洗去溶剂。用氮气吹干，放入80℃烘箱烘3分钟。形成修饰层(4)。其中，十八烷基硅烷从Aldrich购得，直接使用。接着，制备采用正光刻胶制备漏版，然后以光刻胶为漏板在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)，把样品放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极(5)和漏电极(6)。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米。最后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到室温衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层(7)。器件性质见表1。其中，空穴载流子迁移率为8.2×10-3cm2/Vs，开关电流比为2.4×104，阈值电压为-15V。
实施例6
在7059玻璃衬底(1)上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜并光刻成栅电极(2)。溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；Ar气气压1Pa；射频功率500W；衬底温度为100℃。然后，在栅极上面用直流磁控溅射反应溅射方法连续制备一层300纳米的Ta2O5作为栅绝缘层(3)。反应溅射的条件为：本底真空2×10-3Pa；O2气压0.9Pa；直流功率500W；衬底温度100℃度。接着放入含重量百分比为2％的十八烷基硅烷的溶液中，其溶剂为体积比3比7为三氯甲烷与正己烷的混合液。4个小时后取出，用二甲苯洗去溶剂。用氮气吹干，放入80℃烘箱烘3分钟。形成修饰层(4)。其中，十八烷基硅烷从Aldrich购得，直接使用。接着，制备采用正光刻胶制备漏版，然后以光刻胶为漏板在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)，把样品放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极(5)和漏电极(6)。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米。最后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到150℃衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层(7)。源/漏电压为-50V时的转移特性见图3a，输出特性见图3b。其中，空穴载流子迁移率为7.5×10-2cm2/Vs，开关电流比为1.2×105，阈值电压为-13V。
附表1
| Substrate | Mobility(cm2/v.s) | Currentmodulation | ThresholdVoltage(V) | |
| SiO2 | RT | 6.5×10-4 | 1×103 | -18 |
| 150℃ | 4.2×10-3 | 5×103 | -18 | |
| Ta2O5 | RT | 7.3×10-4 | 5×103 | -16 |
| 150℃ | 1.3×10-2 | 1.2×104 | -15 | |
| Ta2O5+OTS | RT | 8.2×10-3 | 2.4×104 | -15 |
| 150℃ | 7.5×10-2 | 1.2×105 | -13 |
本发明不限于各个实施例。一般来说，本发明所公开有机晶体管可以加工形成二维和三维的集成器件中的元件。这些集成器件可能应用在柔性集成电路、有源矩阵显示和传感器等方面。使用基于本发明的薄膜晶体管元件可以低温加工。加工本发明的薄膜晶体管不限于传统的光刻工艺，也可以采用打印、印刷等加工方法。
Claims (10)
1、一种源/漏电极与栅绝缘层间含有修饰层的有机薄膜晶体管器件，由(1)-衬底，(2)-栅极，(3)-栅绝缘层，(4)-修饰层，(5)-源极，(6)-漏极，(7)-有机半导体层组成。
2、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述修饰层为有机材料和高分子材料。
3、根据权利要求1、2所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述修饰层(4)所用材料满足分子式X-Y-Zn分子形成，其中X为下列端基：
1)、-H，-CH3，...；
2)、-NH2，-CN，-Cl，...；
3)、-NCO，-NH2，-CH＝CH2，...；
Y为起连接作用的1-50个碳原子的直链或支链的烷基、卤代烷基或芳香环；
Z为反应活性端基，基团结构为：
1)、-Si(OC2H5)3，-Si(OCH3)3，...；
2)、-SiCl3，-Si(C2H5)2Cl，...；
3)、-PO3H2，-OPO3H2，...；
4)、苯并三唑(-C6H4N3)及其衍生物；
5)、-OH，-SH，-SeH，...；
6)、-COOH，-SO3H，...；
7)、-CONHOH，-COSH，-COSeH，...；
8)、-C5H4N，-NC；
n等于1、2或3。
4、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述修饰层的加工方法是浸泡、旋涂、热蒸发、印刷或浇铸。
5、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述的修饰层厚度在1纳米至100纳米之间。
6、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述的有机半导体层位于源漏电极之上。
7、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所采用的有机半导体层可以是N型，也可以是P型。
8、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管器件，其特征在于所述有机半导体层可以是高分子聚合物，也可以是小分子。
9、根据权利要求8所述的有机半导体，其特征在于所述有机半导体层是由两种或两种以上有机半导体共混、共晶或层状复合构成。
10、一种有机薄膜晶体管的制备方法，主要包括以下步骤：
第一步，在衬底(1)上形成栅电极(2)；
第二步，在衬底(1)和栅电极(2)上形成绝缘栅层(3)；
第三步，在绝缘栅层(3)上形成修饰层(4)；
第四步，在修饰层(4)上形成源电极(5)和漏电极(6)；
第五步，在修饰层(4)、源电极(5)和漏电极(6)上形成有机半导体层(7)。
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