CN1841808A - 有机薄膜晶体管和包括有机薄膜晶体管的平板显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管提供了空穴在源极或漏极与p型有机半导体层之间的更平滑的移动，和包括所述有机薄膜晶体管的平板显示装置。所述有机薄膜晶体管包括基板、设置在所述基板上的栅极、与所述栅极绝缘的p型有机半导体层、彼此隔开且与所述栅极绝缘的源极和漏极、和插置在所述源极和所述漏极与所述p型有机半导体层之间的空穴注入层。

Description

有机薄膜晶体管和包括有机薄膜晶体管的平板显示装置
对相关申请的交叉参考
本申请要求于2005年3月8日在韩国知识产权局申请的序号为No.10-2005-0019057的韩国专利申请的权利，所述专利申请的披露内容在此作为参考被整体引用。
技术领域
本发明中的实施例涉及一种有机薄膜晶体管和一种包括有机薄膜晶体管的平板显示器。更具体而言，本发明中的实施例涉及一种提供了空穴在源极或漏极与p型有机半导体层之间的更平滑移动的有机薄膜晶体管，和包括所述有机薄膜晶体管的平板显示装置。
背景技术
在开发出表示半导体特征的共轭有机聚合物-聚乙炔之后，由于有机材料的特征并且由于有机材料可以多种方式合成且易于形成纤维或膜以及有机材料的其它优点包括弹性、传导性和低生产成本等原因，在多个领域如功能电子器件和光学器件中开展了对使用有机材料的晶体管的研究。
常规硅薄膜晶体管包括具有分别掺杂以高浓度杂质的源区和漏区以及在所述源区和所述漏区之间形成的通道区域的半导体层。常规硅薄膜晶体管进一步包括与半导体层绝缘且面向通道区域的栅极和分别与源区和漏区接触的源极和漏极。
然而，由于具有上述结构的常规硅薄膜晶体管是昂贵的、受到来自外力的突然撞击而易于破碎且在高温下例如在约300℃或更高的温度下进行生产，因此该晶体管不能被安放在塑料基板或类似装置上。
具体而言，平板显示装置如液晶显示装置(LCDs)或电致发光显示装置(ELDs)使用薄膜晶体管作为开关装置和像素驱动装置。此外，使用不是由玻璃而是由塑料形成的基板的努力在继续以便有利于最近朝向大、薄和柔性平板显示装置的趋势。然而，当使用塑料基板时，常规硅薄膜晶体管应该在低温而不是在高温下生产。因此，需要常规硅薄膜晶体管以外的其它可选方式。
该问题可通过使用有机膜作为薄膜晶体管的半导体层而得到解决。
然而，有机薄膜晶体管的缺点在于源极、漏极和有机半导体层之间的接触电阻较大。换句话说，与常规硅薄膜晶体管中包括的硅半导体层相比，不能以高浓度的杂质对有机薄膜晶体管中包括的有机半导体层进行掺杂。因此，源极、漏极和有机半导体层之间的接触电阻增大至欧姆接触不可能的程度。
发明内容
本发明中的实施例提供了一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管提供了空穴在源极或漏极与p型有机半导体层之间的更平滑的移动，和包括所述有机薄膜晶体管的平板显示装置。
根据本发明的一个方面，提供了一种有机薄膜晶体管，所述有机薄膜晶体管包括基板、设置在所述基板上的栅极、与所述栅极绝缘的p型有机半导体层、彼此隔开且与所述栅极绝缘的源极和漏极、和插置在所述源极和所述漏极与所述p型有机半导体层之间的空穴注入层。
所述p型有机半导体层可以是空穴传输层。
所述p型有机半导体层可被设置在所述源极和所述漏极上。所述栅极可被设置在所述p型有机半导体层上。栅绝缘膜可进一步被设置在所述p型有机半导体层与所述栅极之间。
所述空穴注入层可被设置在所述基板的整个表面上以覆盖所述源极和所述漏极。
所述p型有机半导体层可被设置在所述栅极上。所述源极和所述漏极可被设置在所述p型有机半导体层上。栅绝缘膜可进一步被设置在所述p型有机半导体层与所述栅极之间。
所述空穴注入层可被设置以覆盖所述p型有机半导体层。
所述空穴注入层的最高占据分子轨道(HOMO)能级可能存在于所述源极或所述漏极的费米能级与所述p型有机半导体层的最高占据分子轨道能级之间。
所述p型有机半导体层的空穴迁移率可大于所述空穴注入层的空穴迁移率。
所述空穴注入层的厚度可为约10nm至约100nm。
所述空穴注入层可由选自包括三芳基胺基化合物、二芳基胺基化合物、芳基胺基化合物和包含金属离子的酞菁基化合物的组群中的至少一种化合物形成。
所述p型有机半导体层可由选自包括并五苯、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚-3-己基噻吩、α-六亚噻吩基、并四苯、蒽、萘、α-6-噻吩、α-4-噻吩、二萘嵌苯、红荧烯、六苯并苯、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚对苯撑、聚芴、聚噻吩亚乙烯基、聚噻吩-杂环芳香共聚物和这些材料的衍生物的组群中的至少一种材料形成。
在所述p型有机半导体层中形成的通道区域的厚度可从约50nm至约200nm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括所述有机薄膜晶体管的平板显示装置。
根据另一个方面，提供了一种包括一个或多个有机薄膜晶体管的平板显示装置，每个所述晶体管包括基板；设置在所述基板上的栅极；与所述栅极绝缘的p型有机半导体层；彼此隔开且与所述栅极绝缘的源极和漏极；和插置在所述源极和所述漏极与所述p型有机半导体层之间的空穴注入层。
附图说明
通过结合附图对本发明的典型实施例进行详细描述将更易于理解本实施例的上述和其它特征和优点，其中：
图1是根据一个典型实施例的有机薄膜晶体管的示意剖视图；
图2是图1所示有机薄膜晶体管的一种变型的示意剖视图；
图3是根据另一个典型实施例的有机薄膜晶体管的示意剖视图；
图4是根据另一个典型实施例的有机薄膜晶体管的示意剖视图；和
图5是根据一个典型实施例的电致发光显示装置的示意剖视图。
具体实施方式
现在将结合附图对本发明的实施例进行更全面地描述，在所述附图中示出了典型实施例。
参见图1，根据一个典型实施例的有机薄膜晶体管包括栅极124、与栅极124绝缘的p型有机半导体层122、在基板102上彼此隔开且与栅极124绝缘的源极126和漏极127、和插置在源极126和漏极127对与p型有机半导体层122之间的空穴注入层122a。
具体而言，由于图1所示的有机薄膜晶体管是交错型晶体管，如图1所示，因此p型有机半导体层122被设置在源极126和漏极127上，且栅极124被设置在p型有机半导体层122上。图1所示的有机薄膜晶体管进一步包括设置在p型有机半导体层122和栅极124之间的栅绝缘膜123。
在图1所示的有机薄膜晶体管中，p型有机半导体层122中的载流子是空穴。空穴应该易于从源极126和漏极127之一被传递至p型有机半导体层122。在源极126或漏极127中，空穴沿能带图中的费米能级移动。在p型有机半导体层122中，空穴沿能带图中的最高占据分子轨道(HOMO)能级移动。费米能级与最高占据分子轨道能级之间的差异越大，则能量差即势垒越大。因此，空穴不能容易地进行移动。换句话说，随着势垒变得更大，源极和漏极对与有机半导体层之间的接触电阻增加。
为了解决该问题，图1所示的有机薄膜晶体管包括空穴注入层122a，所述空穴注入层被插置在源极126和漏极127对与p型有机半导体层122之间。空穴注入层122a有利于空穴从源极126或漏极127向p型有机半导体层122移动。当空穴注入层122a被插置在源极126和漏极127对与p型有机半导体层122之间时，与当源极126或漏极127直接接触p型有机半导体层122时的情况相比，接触电阻可急剧减小。
为了急剧减小接触电阻，空穴注入层122a的最高占据分子轨道能级优选存在于源极126或漏极127的费米能级与p型有机半导体层122的最高占据分子轨道能级之间。换句话说，在源极126或漏极127的费米能级与p型有机半导体层122的最高占据分子轨道能级之间的差异没有变化的情况下，具有存在于源极126或漏极127的费米能级与p型有机半导体层122的最高占据分子轨道能级之间的最高占据分子轨道能级的空穴注入层122a被插置在源极126和漏极127对与p型有机半导体层122之间。因此，空穴通过空穴注入层122a从源极126或漏极127向p型有机半导体层122移动的可能性增加了。这是因为空穴沿电极的费米能级和空穴注入层或有机半导体层的最高占据分子轨道能级移动。空穴注入层122a可由选自包括三芳基胺基化合物、二芳基胺基化合物、芳基胺基化合物和包含金属离子的酞菁基化合物的组群中的至少一种化合物形成。这些化合物的实例包括酞菁铜(CuPc)、星放射状胺族材料(例如4，4′，4″-三(N-咔唑)三苯胺(TCTA)、4，4′，4″-三(3-甲基苯基-苯基氨基)-三苯胺)(m-MTDATA)等)和类似物。可通过沉积形成空穴注入层122a。
由于从源极126和漏极127之一引入p型有机半导体层122内的空穴应该被传输至另一个电极，因此p型有机半导体层122优选，但不必需，被制造为空穴传输层。p型有机半导体层122由并五苯、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚-3-己基噻吩、α-六亚噻吩基、并四苯、蒽、萘、α-6-噻吩、α-4-噻吩、二萘嵌苯、红荧烯、六苯并苯、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚对苯撑、聚芴、聚噻吩亚乙烯基、聚噻吩-杂环芳香共聚物和这些材料的衍生物中的至少一种形成。
由于源极126与漏极127之间的空穴移动通道在p型有机半导体层122中形成，因此p型有机半导体层122的空穴迁移率优选大于空穴注入层122a的空穴迁移率。
空穴注入层122a和p型有机半导体层122的上述特征同样适用于下面要描述的变型或实施例。
图2是图1所示有机薄膜晶体管的一种变型的示意剖视图。尽管图1所示有机薄膜晶体管中的空穴注入层122a仅覆盖源极126和漏极127，但图2所示的有机薄膜晶体管中的空穴注入层122a不仅覆盖源极126和漏极127，而且还覆盖基板102上的暴露区域。
可通过使用掩模以仅覆盖源极126和漏极127而沉积有机材料、通过在基板102的整个表面上形成空穴注入层和对空穴注入层进行制模处理(patterning)、通过例如实施喷墨印刷或通过使用其它技术而形成图1所示的有机薄膜晶体管中的空穴注入层122a。然而，这些形成空穴注入层122a的方法是复杂的。因此，在图2所示的有机薄膜晶体管中，在基板102的整个表面上形成空穴注入层122a以覆盖源极126和漏极127，由此简化空穴注入层122a的形成过程。图2所示的空穴注入层122a可通过涂覆沉积或旋涂而形成。
由于源极126与漏极127之间的空穴移动通道在p型有机半导体层122中形成，因此空穴注入层122a的厚度优选，但不必需，在约10nm与约100nm之间。当空穴注入层122a的厚度超过100nm时，p型有机半导体层122中形成的空穴移动通道可能不连接至源极126或漏极127。当空穴注入层122a的厚度小于10nm时，p型有机半导体层122中形成的空穴移动通道可能不能适当地起到空穴注入层的作用。当空穴注入层122a的厚度在约10nm与约100nm之间时，p型有机半导体层122中形成的通道的厚度优选，但不必需，在约50nm与约200nm之间。
尽管图1和图2所示的有机薄膜晶体管是交错型晶体管，但本实施例不限于交错型晶体管。
换句话说，本发明的实施例例如可适用于图3所示的倒置共面型有机薄膜晶体管，其中源极126和漏极127被设置在栅极124上，p型有机半导体层122被设置在源极126和漏极127上，且栅绝缘膜123被进一步包括在一对源极126和漏极127与栅极124之间。在这种情况下，空穴注入层122a仅在源极126和漏极127上形成，而不在栅绝缘膜123上的暴露区域上形成。栅绝缘膜123和栅极124在基板102上形成。
本发明的实施例还可适用于图4所示的倒置交错型有机薄膜晶体管，其中p型有机半导体层122被设置在栅极124上，源极126和漏极127被设置在p型有机半导体层122上，且栅绝缘膜123被进一步包括在p型有机半导体层122与栅极124之间。栅绝缘膜123和栅极124在基板102上形成。在这种情况下，空穴注入层122a在p型有机半导体层122的整个表面上形成。当然，可做出空穴注入层122a的多种改变。例如，空穴注入层122a可仅在源极126与p型有机半导体层122之间的空间和在漏极127与p型有机半导体层122之间的空间中形成。
当然，本发明的实施例可适用于与根据上述实施例的有机薄膜晶体管不同的多个实施例。
图5是根据一个典型实施例的电致发光显示装置(ELD)的示意剖视图。由于上述有机薄膜晶体管是柔性的，因此它们可用于包括薄膜晶体管的多种柔性平板显示装置中。由于多种显示装置如液晶显示器、有机电致发光显示装置等作为这种平板显示装置存在，因此现在将简要地对包括上述有机薄膜晶体管的有机电致发光显示装置进行描述。图5使用图4所示的薄膜晶体管(TFT)。如所指地，223是栅绝缘膜、224是栅极、222是p型有机半导体层、222a是空穴注入层、226是源极、227是漏极且202是基板。
在包括根据其中一个上述实施例所述的有机薄膜晶体管的电致发光显示装置中，电致发光元件和有机薄膜晶体管被安装在基板202上，所述基板可由透明玻璃形成。基板202还可由例如丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酯、聚酯薄膜(mylar)或其它塑性材料形成。
尽管可使用多种类型的电致发光显示装置，但图5所示的电致发光显示装置是包括有机薄膜晶体管的有源矩阵(AM)型电致发光显示装置。
有源矩阵型电致发光显示装置中的每个子像素包括至少一个如图5所示的薄膜晶体管(TFT)。参见图5，例如可在基板202上形成由SiO2制成的缓冲层(未示出)，且如上所述的有机薄膜晶体管被安装在缓冲层上。尽管图5示出了根据上述实施例的有机薄膜晶体管及其变型中的一个，但本发明的实施例不限于所示出的有机薄膜晶体管。
例如在有机薄膜晶体管上形成由SiO2制成的钝化膜228。在钝化膜228上形成由丙烯基化合物、聚酰亚胺或类似物制成的像素限定膜229。钝化膜228可用作保护薄膜晶体管的保护膜或使晶体管的上表面平面化的平面化膜。
尽管图5中未示出，但至少一个电容器可被连接至薄膜晶体管。当然，包括薄膜晶体管的电路不限于图5所示的实例而是可改变成多种形式。
电致发光元件即子像素被连接至漏极227。电致发光元件中包括的第一电极231在钝化膜228上形成，在所述钝化膜上进一步形成绝缘的像素限定膜229。包括至少一个发光层的中间层233在像素限定膜229中形成的孔中形成。第二电极234在所得像素限定膜229上形成。可对第二电极234作出多种改变，例如，第二电极234可在多个像素上共用地形成。尽管图5所示的中间层233被形成以仅对应于子像素，但这样做是为了便于说明每个子像素的结构。当然，子像素的中间层233可与相邻子像素的中间层结合成单个本体。中间层233可变成多种形式，例如，一些中间层233可独立地形成以对应于相应的子像素，且其它中间层形成单个本体以共用地对应于子像素。
在一个实施例中，第一电极231用作阳极，且第二电极234用作阴极。当然，第一电极231和第二电极的极性可反转。
第一电极231可以是透明电极或反射电极。为了将第一电极231用作透明电极，第一电极231可由氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、ZnO或In2O3形成。为了将第一电极231用作反射电极，反射膜可由Ag、Mg、Al、Pt、Pd、Au、Ni、Nd、Ir、Cr或这些材料的化合物形成并随后涂覆氧化铟锡、氧化铟锌、ZnO或In2O3。
第二电极234也可以是透明电极或反射电极。为了将第二电极234用作透明电极，Li、Ca、LiF/Ca、LiF/Al、Al、Mg或这些材料的化合物可首先沉积用于中间层233，且随后可在沉积结果上由透明电极形成材料如氧化铟锡、氧化铟锌、ZnO或In2O3形成辅助电极或汇流电极。为了将第二电极234用作反射电极，Li、Ca、LiF/Ca、LiF/Al、Al、Mg或这些材料的化合物可进行涂覆沉积。
插置在第一电极231与第二电极234之间的中间层233可由有机材料或无机材料形成。有机材料的实例包括单体有机材料和聚合物有机材料。当中间层233由单体有机材料形成时，其可包括单个空穴注入层(HIL)、单个空穴传输层(HTL)、单个发射层(EML)、单个电子传输层(ETL)或单个电子注入层(EIL)，所述这些层叠置在一起。另一种可选方式是，中间层233可以是实施空穴注入层、空穴传输层、发射层、电子传输层和电子注入层的所有功能的单个层。可得单体有机材料的实例包括：酞菁铜(CuPc)；N，N′-二(萘-1-基)-N，N′-二苯基-联苯胺(NPB)；三-8-羟基喹啉铝(Alq3)等。这些单体有机材料例如可通过使用掩模进行真空沉积的方法形成。
当中间层233由聚合物有机材料形成时，其通常可包括空穴传输层和发射层。在这种情况下，空穴传输层由聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT)形成，且发射层由聚合物有机材料如聚苯撑乙烯撑(PPV基)材料或聚芴基材料形成。
在基板202上形成的电致发光元件通过面对元件(未示出)进行密封。面对元件与基板202相似地可由玻璃或塑料形成。另一种可选方式是，面对元件可以是金属盖或类似物。
图5所示的电致发光显示装置包括根据其中一个上述实施例的有机薄膜晶体管，由此根据输入图像信号显示准确图像。
尽管已经示出电致发光显示装置以描述本发明的实施例，但本发明的实施例可适用于任何显示装置，只要其包括有机薄膜晶体管。
在根据本发明的实施例的有机薄膜晶体管中，空穴注入层被插置在一对源极和漏极与p型有机半导体层之间，以使得源极和漏极对与p型有机半导体层之间的接触电阻可急剧降低。因此，包括有机薄膜晶体管的平板显示装置可显示清晰精确的图像。
尽管已经结合本发明的典型实施例对本实施例进行了具体图示和描述，但本领域的技术人员应该理解可在不偏离下列技术方案限定出的本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上作出多种改变。

Claims (24)

1、一种有机薄膜晶体管，包括：
基板；
设置在所述基板上的栅极；
与所述栅极绝缘的p型有机半导体层；
彼此隔开且与所述栅极绝缘的源极和漏极；和
插置在所述源极和所述漏极与所述p型有机半导体层之间的空穴注入层。
2、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述p型有机半导体层是空穴传输层。
3、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述p型有机半导体层被设置在所述源极和所述漏极上，所述栅极被设置在所述p型有机半导体层上，且栅绝缘膜进一步被设置在所述p型有机半导体层与所述栅极之间。
4、根据权利要求3所述的有机薄膜晶体管，其中所述空穴注入层被设置在所述基板的整个表面上以覆盖所述源极和所述漏极。
5、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述p型有机半导体层被设置在所述栅极上，所述源极和所述漏极被设置在所述p型有机半导体层上，且栅绝缘膜进一步被设置在所述p型有机半导体层与所述栅极之间。
6、根据权利要求5所述的有机薄膜晶体管，其中所述空穴注入层被设置以覆盖所述p型有机半导体层。
7、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述空穴注入层的最高占据分子轨道能级存在于所述源极或所述漏极的费米能级与所述p型有机半导体层的最高占据分子轨道能级之间。
8、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述p型有机半导体层的空穴迁移率大于所述空穴注入层的空穴迁移率。
9、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述空穴注入层的厚度为约10nm至约100nm。
10、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述空穴注入层由选自包括三芳基胺基化合物、二芳基胺基化合物、芳基胺基化合物和包含金属的酞菁基化合物的组群中的至少一种化合物形成。
11、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述p型有机半导体层由选自包括并五苯、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚-3-己基噻吩、α-六亚噻吩基、并四苯、蒽、萘、α-6-噻吩、α-4-噻吩、二萘嵌苯、红荧烯、六苯并苯、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚对苯撑、聚芴、聚噻吩亚乙烯基、聚噻吩-杂环芳香共聚物和这些材料的衍生物的组群中的至少一种材料形成。
12、根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，进一步包括通道区域，其中要在所述p型有机半导体层中形成的所述通道区域的厚度为从约50nm至约200nm。
13、一种包括一个或多个有机薄膜晶体管的平板显示装置，每个所述晶体管包括：
基板；
设置在所述基板上的栅极；
与所述栅极绝缘的p型有机半导体层；
彼此隔开且与所述栅极绝缘的源极和漏极；和
插置在所述源极和所述漏极与所述p型有机半导体层之间的空穴注入层。
14、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述p型有机半导体层是空穴传输层。
15、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述p型有机半导体层被设置在所述源极和所述漏极上，所述栅极被设置在所述p型有机半导体层上，且栅绝缘膜进一步被设置在所述p型有机半导体层与所述栅极之间。
16、根据权利要求15所述的平板显示装置，其中所述空穴注入层被设置在所述基板的整个表面上以覆盖所述源极和所述漏极。
17、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述p型有机半导体层被设置在所述栅极上，所述源极和所述漏极被设置在所述p型有机半导体层上，且栅绝缘膜进一步被设置在所述p型有机半导体层与所述栅极之间。
18、根据权利要求17所述的平板显示装置，其中所述空穴注入层被设置以覆盖所述p型有机半导体层。
19、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述空穴注入层的最高占据分子轨道能级存在于所述源极或所述漏极的费米能级与所述p型有机半导体层的最高占据分子轨道能级之间。
20、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述p型有机半导体层的空穴迁移率大于所述空穴注入层的空穴迁移率。
21、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述空穴注入层的厚度为约10nm至约100nm。
22、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述空穴注入层由选自包括三芳基胺基化合物、二芳基胺基化合物、芳基胺基化合物和包含金属的酞菁基化合物的组群中的至少一种化合物形成。
23、根据权利要求13所述的平板显示装置，其中所述p型有机半导体层由选自包括并五苯、聚亚噻吩基亚乙烯基、聚-3-己基噻吩、α-六亚噻吩基、并四苯、蒽、萘、α-6-噻吩、α-4-噻吩、二萘嵌苯、红荧烯、六苯并苯、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚对苯撑、聚芴、聚噻吩亚乙烯基、聚噻吩-杂环芳香共聚物和这些材料的衍生物的组群中的至少一种材料形成。
24、根据权利要求13所述的平板显示装置，进一步包括通道区域，其中要在所述p型有机半导体层中形成的所述通道区域的厚度为从约50nm至约200nm。
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