CN1588668A - 有机场效应管的取向层及其形成方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于有机场效应管(OFET)的取向层，一种用来形成该种取向层的方法，一种使用该种取向层作为绝缘层，从而提高有机场效应管载流子迁移率的新型器件。该取向层(绝缘层)可进行离子束轰击取向处理。在该取向层上可形成具有良好分子取向的有机半导体层。根据本发明，通过对该取向层作取向处理，改善了有机半导体层的分子取向性，使采用该取向层的OFET的载流子迁移率特性得到了改善。

Description

有机场效应管的取向层及其形成方法和应用

技术领域

本发明属于有机场效应管(OFET)技术领域，具体涉及一种具有优良取向特性的取向层及其非接触式制备方法和应用。

技术背景

所谓场效应管(FET)，就是利用栅极电压的大小来调节源漏电极间的载流子密度，从而控制沟道电流的通断，形成场效应管所特有的开关特性。有机场效应管(OFET)是用有机材料充当绝缘层和传输层的半导体器件，原理与无机场效应管基本一致。但相比无机半导体器件而言，却具有工艺简单、成本低廉、可制成柔性器件等优点，通过不断的研究，有机场效应管器件的性能正在不断提高[1，2]。场效应管器件性能的主要衡量参数是载流子迁移率。目前有机器件与无机非晶硅器件相比较，其迁移率性能已经非常相近，但是要达到取代无机器件，并实现产业化，还必须进一步提高性能，自从第一个有机场效应管诞生[3]以来，其性能的提高多依赖于材料的选择和器件的结构，到最近几年已有迁移率达到1cm²/V·s左右的水平，也有文献报道可以从成膜角度提高器件迁移率，1999年发表在Nature上的一篇文章[4]，从P3HT分子排列角度分析了分子排列方式对载流子迁移和器件性能的影响，从中我们可以发现分子取向对于器件性能有很大程度的影响。这也是目前研究的热门领域。

众所周知，目前在液晶显示器(LCD)领域，液晶分子取向技术已经非常成熟，对液晶分子的取向可以通过多种方式，其中较成熟的摩擦取向法[5]和光取向法[6]，也有关于使用离子束取向的方法[7]。摩擦取向法可能会对器件表面产生损伤和污染，同时摩擦产生的静电荷存在将导致器件击穿而造成器件物理失效，会严重影响OFET的电学性能。并且，接触式操作所带来的灰尘和断片的污染，必须通过清洗去除，这不仅使操作繁琐，更提高了成本。与摩擦取向法相比，光取向法属于非接触式取向技术，不会对器件造成以上影响，但与摩擦取向法相比，取向强度较弱、取向效果不明显[8]。

参考文献

[1]A.Tsumura，H.Koezuka，and T.Ando，Appl.Phys.Lett.49，1210(1986).

[2]Y.Y.Lin，D.J.Gundlach，S.F. Nelson，and T.N.Jackson，IEEE Electron Device Lett.18，606(1997).

[3]H.Koezuka，A.Tsumura and T.Ando.Synth.Met.18，699(1987).

[4]H.Sirringhaus，P.J.Brown，R.H.Friend，M.M.Nielsen，Nature，401，685(1999).

[5]Kim Young-Ho，US2001017682.

[6]N.Kazuto，O.Shinji，EP1004923.

[7]H.-C.Lai，US20030150382.

[8]D.S.Seo，C.H.Lee，Mol.Cryst.and Liq.Cryst.329 867(1999).

[9]J.P.Doyle，P.Chaudhari，J.L.Lacey，Nucl.Instr.And Meth.In Phys.Res.B206，467(2003).

发明内容

本发明目的在于：

(a)提供一种用于有机场效应管的具有优良取向特性的取向层；

(b)提供一种形成该种取向层的方法；

(c)提供一种以该种取向层作为绝缘层的在有机场效应管(OFET)中的应用。

本发明提供的用于有机场效应管的具有优良取向特性的取向层，其材料包括聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等有机聚合物，以及类金刚石等无机物，其表面经由离子束轰击取向处理，并用真空蒸镀、旋涂、喷墨等各种方式形成有具有良好取向特性的有机半导体传输层。

上述取向层中的有机半导体传输层的材料可采用并五苯、寡聚噻吩等有机半导体材料。

本发明提供的用来形成上述取向层的方法，包括以下步骤：

(a)在一个基板上形成一个由所述材料组成、可进行离子束轰击的薄膜，该基板由衬底和ITO(氧化铟锡)镀膜组成；

(b)在该薄膜的表面上用离子束轰击，进行取向处理(如图2)；

(c)在该取向层表面形成有机半导体传输层，以改善有机传输层的分子取向(如图3)，该有机半导体层可采用蒸镀、旋涂或喷墨等多种方式形成。

上述方法中，采用离子束轰击进行取向处理时，离子束能量范围控制在50-500eV之间；离子束轰击的入射角度为15-80°，以保证器件表面能受到离子束均匀轰击；真空腔的真空度为10^-3-10^-8Pa，离子束注入的计量范围为10¹⁴-10^-15ions/cm²。

离子束源和基板均置于真空腔内。

本发明提供的以上述取向层可作为绝缘层在有机场效应管中得以应用，该器件结构由以下各部分组成：

(a)基板，通常由玻璃基板或PET等柔性衬底和ITO(氧化铟锡)透明导电薄膜组成；

(b)在基板的ITO膜上通过光刻等手段形成的栅极图形；

(c)在栅极之上为由上述材料组成的绝缘层，通过离子束轰击在绝缘层上产生表面各向异性；

(d)在该绝缘层上有机半导体传输层。该传输层可通过各种方式成膜，然后经过加热促进其分子配向而形成。此有机半导体聚合物有较宽的液晶相温度，即较高的T_NI温度；

(e)在此之上形成有源极和漏极，封装之后，即成有机场效应管器件。其中源、漏极均由金属制成，例如用金、银、铝等制成。

结合图2和图3，可以直观地说明离子束轰击取向法。如图2所示，1表示ITO栅极图形，2表示沉积在此衬底上的聚酰亚胺(PI等)的取向层，5表示某种衬底结构，6表示离子束束源，7表示照射的Ar+离子束，8表示真空氛围。Ar+离子束轰击取向层表面之前，很明显取向层(例如PI层)的分子长轴在各个方向的分布是均匀的，也就是在与离子束照射方向垂直和平行的方向内具有同等程度的分布。不同能量的离子束轰击可以在取向层上形成三种现象，即：离子在基板表面的堆积现象；离子切削基板表面的溅射现象；以及离子进入到基板内部的注入现象。在离子束能量低于300eV以下时，可以观察到离子的堆积现象；而当能量提高到100eV-1MeV范围内时则会出现溅射现象。离子束能量进一步提高至10KeV以上则离子注入现象占支配地位。在离子束能量交叠处两种现象共存。(参见日本专利特开2004-205586)。我们主要使用产生离子溅射现象能量的离子束。前面提到在离子束轰击取向层表面之前，取向层(例如PI层)的分子长轴在各个方向的分布是均匀的，而在利用离子溅射现象进行斜向离子束轰击基板表面进行取向处理后，由于离子既不是堆积在取向层表面，又不是深入到取向层内部，而是倾斜着将基板表面的原子从表面打飞，所以离子束轰击可以选择性地破坏取向层表面分子，可以认为沿轰击方向上的分子受到影响最小，在此方向的分子长轴有序排列，而其它方向的分子则被程度不同地破坏，取向层表面的各向异性由此形成，因而达到取向层取向处理目的。

附图说明

图1是一个有机场效应管(OFET)的一个结构图示。

图2是一个离子束轰击取向处理图示。

图3是一个经过离子束轰击处理的取向层结构剖面图示。

图中标号：1为ITO栅极图形，2为绝缘层(取向层)，3为有机半导体传输层，4为源漏电极，5为基板(玻璃，PET等柔性基板)，6为离子束源，7为轰击离子束，8为离子束轰击的真空氛围，9为取向层取向方向，10为有机半导体分子排布。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明的取向层以及该取向层的形成方法，但本发明并不只限于实施例范围。

实施例

1.首先，将经过光刻成型，具有栅极结构的ITO玻璃基板清洗干净，清洗过程如下：分别使用专用清洗剂(10min)、去离子水(3×10min)、50∶8的异丙醇与浓氨水混合溶液(10min)、氯仿(10min)、丙酮(10min)、乙醇(10min)进行超声处理(括号中为处理时间)，再使用乙醇蒸气熏蒸3min，最后进行紫外臭氧处理，时间为5分钟；

2.其次，使用有机聚合物材料聚甲基烯酸甲酯或聚酰亚胺制备取向层。例如可使用日产化学工业公司(Nissan Chemical Industry)提供的RN-1333型产品聚酰亚胺(PI)，浓度为5wt％，使用前需将其稀释到2wt％使用。所用有机聚合物溶液经超声波分散20-30分钟后，控制旋涂速度与时间，旋涂于ITO玻璃基板上，厚度约为50-150nm。然后将涂膜的基板置于100℃的热台上干燥5分钟，进行预焙处理，再置于250℃的洁净烘箱中1小时，进行坚膜固化处理。之后，自然冷却至室温。

3.再次，真空腔体的真空度保持在5×10^-4Pa，采用500eV的Ar+离子束轰击玻璃基板表面的有机聚合物薄膜，要求基板表面离子束轰击处理均匀，根据计算表面接受离子的剂量在10¹⁴-10¹⁵ions/cm²左右，随后在其表面蒸镀并五苯或寡聚噻吩作为半导体材料，最后蒸镀金或银作为源漏电极，厚度分别为40nm和100nm。最后，对器件进行封装处理，由此制成有机场效应晶体管(0FET)。

4.如果使用类金刚石等无机材料充当绝缘层，那么则可以使用磁控溅射等工艺成膜，对应地可使用PET作为基板，还需要提供低于80℃的冷台对基板进行保护。

对比例1

仍按如附图1所示结构制备一个有机场效应晶体管(OFET)，ITO玻璃衬底，栅极，绝缘层，有机半导体传输层，以及源极，漏极，封装等均采用与实施例相同的工艺。但与实施例不同，所使用的绝缘层(取向层)材料为类金刚石，类金刚石薄膜通过磁控溅射方式成膜，其厚度约为100nm。其它制备方法和参数相同。

对比例2

制作与实施例进行对比的器件，但与实施例不同，不使用离子束轰击取向层进行取向处理，而采取摩擦取向方式。即PI固化后，用传统的摩擦法处理该取向层。其中所用的摩擦材料为YA-18-R型人造丝质绒布，由Yoshikawa Chemical Co.公司提供，该绒布的人造丝纤维平均长度为600μm，平均直径为15μm，纤维密度为3200 threads/cm²。处理完毕，用去离子水清洗干净，然后，蒸镀并五苯有机半导体材料，形成有机半导体传输层，再在低于10^-3Pa气压下蒸镀金属金(Au)充当源极和漏极，最后封装，制成有机场效应晶体管(OFET)。

对比例3

制作与实施例进行对比的器件，但是该器件没有进行任何取向处理，由此观察离子束轰击对器件性能的影响。

实验结果的观察：

在实验操作过程中和实验结束，我们使用了以下观测手段对器件性能和成膜特性进行了观察：1.使用偏光显微镜观察取向层的取向特性；2.使用原子力显微镜(AFM)观察所成薄膜表面特性；3.使用KEITHLEY4200半导体特性测试系统评价场效应管的迁移率特性等指标。如上所述，由本发明所形成的用于提高有机场效应管载流子迁移率的离子束轰击取向技术可以形成优良的取向特性，该种非接触式Ar+离子束轰击取向技术可以对OFET的有机半导体传输层的取向产生有利影响。因而可以改善有机场效应管载流子迁移率特性。

Claims (6)

1、一个用于有机场效应管的取向层，其特征在于所用材料为有机聚合物聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酸，或无机材料类金刚石，其表面经由离子束轰击取向处理，并形成有有机半导体传输层。

2、根据权利要求1所述的取向层，其特征在于所述有机半导体传输层材料为并五苯、寡聚噻吩。

3、一种如权利要求1所述取向层的形成方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)在一个基板上形成由所述材料组成、可进行离子束轰击的薄膜，基板由衬底和ITO镀膜组成；

(b)在该薄膜的表面上用离子束轰击，进行取向处理；

(c)在该薄膜表面形成有机半导体传输层，以改善有机传输层的分子取向，该有机半导体层采用蒸镀、旋涂或喷墨方式形成。

4、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于离子束能量控制在50-500eV之间，离子束轰击的入射角度为15-80°，真空腔的真空度为10^-3-10^-8Pa，离子束注入的计量范围为10¹⁴-10^-15ions/cm²。

5、如权利要求1所述取向层在有机场效应管中的应用。

6、根据权利要求5所述的有机场效应管，其特征在于由下述部分组成：

(a)基板，由玻璃基板或PET柔性衬底和ITO透明导电薄膜组成；

(b)在基板的ITO膜上通过光刻手段形成的栅极图形；

(c)在栅极之上为由上述材料组成的绝缘层，通过离子束轰击，在绝缘层上产生表面各向异性；

(d)在该绝缘层上为有机半导体传输层；

(e)在此之上形成有源极和漏极，封装之后，即成有机场效应管器件。

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