TWI228833B - Method for enhancing the electrical characteristics of organic electronic devices - Google Patents

Description

1228833 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種提昇有機元件電性之方法，尤指一種 利用半導體材料物理改質方式，來提升有機薄膜電晶體電 性之方法。 【先前技術】 有機半導體在1940年代末期開始被研究，其場效應最 早是在1970年被提出。直到1987年時，有機場效電晶體 (Organic Field-Effect Transistor，OFET )才被 Koezuka 等人 證實是一個具有潛力的電子元件。0FET採用的是薄膜電晶 體的結構，所以又稱為有機薄膜電晶體（0rganicThinFilm Transistor，OTFT)。因為有機元件成本較低，且使用低溫製 程，又可以製作於塑膠基板上，再加上有機薄膜電晶體的 電氣特性已經追上非晶矽薄膜電晶體，並且在元件的表現 上也已經有相當的成果，使得有機薄膜電晶體應用於低成 本、大面積電子產品的機會大大提升；例如：主動驅動顯 示器（Active-Matrix Displays)、智慧卡（Smart Card)、價 格標籤（Price Tags)、貨物標籤（Inventory Tags)，或者大 面積感應陣列（Large_Area Sensor Arrays )。 有機薄膜電晶體（OTFT)的操作原理，是電壓控制電 阻，利用控制閘極電壓，藉一層絕緣層之作用，使有機半 導體層與絕緣層接觸表面的載體產生累積層（accumulation layer)，來控制兩歐姆接點間之導通電流。有機薄膜電晶體 1228833 的製造過程，依結構可分為兩大類：一為上接觸式（t〇p contact)，另一為下接觸式（b〇tt〇m contact)。前者先上有 機半導體層’再上源極（source)與沒極（drain);後者為 先上源極（source)與没極（drain)，再上有機半導體層。 有機半導體層的材料可使用小分子、寡聚物或高分子，其 中高分子有機半導體層係將regi〇regular p; 3七exylthi〇Phene(rr-P3HT)溶在有機溶劑内，再用一些溶液 製私方式凡成半導體層的塗佈，而習知製作有機半導體層 大都停留在實驗的階段，故其電流的關比(_ff她)都 很差，且大多使用氣仿（Chl〇r〇f〇rm)作為有機溶劑，但氣 仿（Chloroform)卻是被工業界嚴格禁止使用的化學藥品。 綜觀以上所述，制之有機薄膜電晶體製作的方式，至 少存在以下缺點： 所製作7G成之有機細電晶體的電流的關比(_汗 ratio)都偏低’嚴重影響有機薄膜電晶體特性，使有機 薄膜電晶體實用性不大。 -其小分子及寡聚物之有機薄膜電晶體製造所需要的步 驟雖有別於無機薄膜電晶體繁瑣且速度緩慢的製程， ^必須配合真空設備柯實施，大大的提高了製造 ' 並不符合卫業界使用的標準， π入2保，辟將來投人量產的可能性，間接降低 投入研發的意願。 1228833 【發明内容】 有鑑於習知技術之缺失，本發明之主要目的在於提供一 種提昇有機元件電性之方法，可確實有效提升有機薄膜電 晶體的電流的開關比(〇n_〇ff rati〇)。 本發明之次要目的在於提供一種提昇有機元件電性之 方法，其製程不但快速容易，且不需真空設備，以節省製 造成本。 本發明之另一目的在於提供一種提昇有機元件電性之 方法，可符合目前工業界使用的標準，且又能兼顧綠色環 保的概念。 為達上述目的，本發明較佳實施例中係提供一種提昇有 機元件電性之方法，用以提升有機薄膜電晶體電性，其係 包括有：提供一元件基板，其中該元件基板上形成有一閘 極及一絕緣層；將一有機半導體高分子材料、一有機絕緣 體高分子材料、一導電粒子和一溶劑混合形成一有機溶 液；使用該有機溶液形成一有機半導體層於該絕緣層上。 其中，該有機半導體高分子材料係選自poly 3-alkylthiophene (P3AT)，依側鏈長的不同，烧基數可為2、 4、6、8、10、12及18，其中？3町即為烷基數=6之卩3八丁； 該有機絕緣體高分子材料係選自聚甲基丙烯酸甲酯（p〇ly Methylmethaciylate，PMMA )、聚對本二甲酸二丁醋樹脂 (Polybutylene Terephthalate，PBT)等等相類似的材料；該導 電粒子係選自奈米碳管（CNT)、碳60及奈米銀粒子等等 相類似的導電材料；該溶劑係選自二甲苯(Xylene)、甲苯 1228833 (Toluene)及THF等等相類似的溶劑。 【實施方式】 為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有 更進-步的認知與瞭解’脑合圖式詳細說明如後。 如圖-所示，其係為本發明提昇有機元件電性之方法 較佳實施例之有機薄膜電晶體示意圖，於元件基板刚上 形成閘極（Gate) 101後，使用有機絕緣材料或無機絕緣材 料來形成一絕緣層102，並在絕緣層1〇2上形成源極 (Source) 103、汲極（Drain) 104及有機半導體層1〇5， 以完成有機薄膜電晶體1 (Organic Thh>FUm Transist〇r)。 其中，可以用矽晶圓、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板等 等的材料來作為元件基板100的材料，且通常閘極]〇卜源 極103和汲極104係使用金屬材料、有機導電分子材料或 透明導電膜（ITO)等材料。上述有機薄膜電晶體1的製程 中’有機半導體層105可以藉由旋轉塗佈法(Spin_coating)、 噴墨法(inkjet-printing)、滴印法(drop-printing)、滴鑄法 (casting)、微觸法(micro-contact)或微印法(micro-stamp)等 等’將已經調配好成分的有機溶液，塗佈形成有機半導體 層105，其中，該有機溶液的調配方式，係將一有機半導體 尚分子材料，例如：poly 3-alkylthiophene (P3AT)，依側鏈 長的不同，烷基數可為2、4、6、8、10、12及18，其中P3HT 即為烷基數=6之P3AT，於本較佳實施例中，可以使用 regioregular poly 3-hexylthiophene (rr-P3HT)溶於二甲苯 1228833 (Xylene)、甲苯(Toluene)或THF的溶劑中，並摻雜聚甲基丙 烯酸甲酯（Poly Methylmethacrylate, PMMA )或聚對本二甲 酸二丁 酯樹脂(Polybutylene Terephthalate，PBT)等等的絕緣 高分子材料與少量的導電粒子，例如··奈米碳管（CNT)、 碳60或奈米銀粒子等。於本發明之較佳實施例中，用二甲 苯(Xylene)作為溶劑，將rr_P3HT溶入其中，並依比例混合 PMMA與摻雜少量奈米碳管（CNT)以形成一有機溶液， 該有機溶液比例約為Xylene/PMMA/rr-P3HT7CNT = 94·6%/5 ·2%/0· 17%/0·03%。利用玻璃基板上濺鍵導電玻璃當 閘極101 (〜lkA)，使用電漿辅助化學氣相沉積（pEcvD) 沉積一層二氧化矽（Si02)作為絕緣層1〇2 (〜lkA)，再濺 鑛導電玻璃當源極103和沒極104 (〜lkA)，再將混合之 ΓΓ-Ρ3ΗΤ有機溶液利用滴印法製作成有機半導體層1〇5。 本發明不採用最適合ΙΓ-Ρ3ΗΤ的良溶劑-氣仿 (Chloroform)，而採用較次級的溶劑·二曱苯(Xylene)，實 乃因為氯仿已全面被工業界禁止使用，但經由摻雜聚曱基 丙烯酸甲酯（PMMA)與少量的奈米碳管（CNT)後，不 僅可以將有機薄膜電晶體1電性大幅提昇，讓有機薄膜電 曰曰體1之電流開關比(on-off ratio)達到104以上，更可同時 符合工業界使用的標準，以及達到綠色環保的概念。 如圖二A所示，其係為純的ΓΓ-Ρ3ΗΤ有機薄膜電晶體 輸出特性曲線示意圖，由於本身是常態導通 Formal-On)的狀態，故在Vg=0時以ν〇來驅動，其電 流已達1〇-7A，而在大氣中的氧分子與水分子對rr-P3HT有 1228833 重大的影響，造成載子遷移率與導電度的提升，所以隨著 vG的增加，必須先克顧水、氧摻雜造賴反向電流，故 、、、屯的η·_Ρ3ΗΤ有機薄膜電晶體所測得之開電流（〇1^麗扯） 與關電流（Offcun^t)係分別為-2·17χ1〇-6Α 及 |22χ1〇-7Α， 所以其電流開關比（Gn_GffratiG)僅只有2·64，故在圖二A 中了以看出有機薄膜電晶體之輸出特性曲線只有線性區， 亦即表示純的ΓΓ-Ρ3ΗΤ有機薄膜電晶體的電特性極差。 如圖二B所示，其係為π^ϊ^ητ/ρμμα有機薄膜電晶 體輸出特性曲線示意圖，在π^Ρ3ΗΤ依比例混合pmma 後’因稀釋與包覆作用，使得ΙΓ-Ρ3ΗΤ分子鏈的間距拉大， 並且由於PMMA有隔絕水、氧的功用，故可以避免水、氧 影響ΙΓ-Ρ3ΗΤ的作用，使有機薄膜電晶體的關電流（〇ff current)降至_4·60χ10·12Α，但開電流（0ncurrent)只略降 至-2·19χ1(Τ8 A，故很明顯地，r^psHT/PMMA有機薄膜電 晶體的電流開關比（0n-0ffrati〇)可提升為4.76x103，故在 圖二B中可以看出ΓΓ-Ρ3ΗΤ/ΡΜΜΑ有機薄膜電晶體輸出特 性曲線係由線性區及明顯的飽和區所組成，亦即表示 γγ·Ρ3ΗΤ/ΡΜΜΑ有機薄膜電晶體的電特性被大幅提昇。 如圖三Α所示，其係為CNT/rr_P3HT/PMMA有機薄膜 電晶體輸出特性曲線示意圖，為了改善ΓΤ-Ρ3ΗΤ/ΡΜΜΑ有 機薄膜電晶體的開電流（Oncurrent)，故加入了少量的奈米 碳管（CNT)，利用奈米碳管的導電特性將有機薄膜電晶體 的開電流（On current)提昇至-1·35χ1(Τ6Α，而有機薄膜電 晶體的關電流（Offcurrent)卻只有略提昇至-2·61χ1〇-11 A， 1228833 故CNT/rr-P3HT/PMMA有機薄膜電晶體的電流開關比 (on-offratio)大幅提昇至5·17χ104，故在圖三c中亦可以 看出CNT/rr-P3HT/PMMA有機薄膜電晶體輸出特性曲線亦 由線性區及明顯的飽和區所組成，亦即表示πΡ^Ητ/ρΜΜΑ 有機薄膜電晶體的電特性更進一步提昇。 如圖三Β所示，其係為〇1^171^31117?]\4]^有機薄膜 電晶體轉換特性曲線示意圖，其係在vDs=-i⑻v的狀態下 進行，圖二B中的A曲線係對應左邊的刻度座標，由圖三 B中的A曲線可以看出vG=〇時的-ID電流為多少安培，亦 即CNT/rr-P3HT/PMMA有機薄膜電晶體關閉（tum_〇ff)時 的關電流（Off current)是多少，以及，看出⑽v時 的-ID電流為多少安培，亦即CNT/rr-P3HT/PMMA有機薄膜 電晶體開啟（turn-on)時的開電流（〇ncurrent)是多少， ία計Cm7rr_P；3HT/PMMA有麟難晶_電流開 關1 (〇n-0ffrati〇)。圖三B中的B曲線係對應右邊的刻度 座標’由圖三B中的B曲線我們可以讀出斜率，再將讀出 的斜率經φ公式推導，轉出CNT/rr_p3HT/pMMA有機薄 膜電晶體的載子遷料，姉導過程熟知此項技藝者皆可 為之，在此便不多作贅述。 、、不上所述，本發明之提昇有機元件電性之方法，可確實 ^放提升有機4膜電晶體的電流的開關比，且其製程快速 谷易’不需真空設備，製造成本低廉，並可符合目前工業 界使用的標準，以及兼躺色聰雜念；惟社所述者， 僅為本發明之較佳實施例，當不能以之關本發明的範 12 1228833 圍’容易聯想得到，諸如：添加不 ，用:同之溶劑，或是添加先後順序對 領域技藝者於領悟本發明之精神後，討想到變化、= 之即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾 仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範 圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。 本發明於習知技術領域上無相關之技術揭露，已具新 穎性；本發明之技術内容可確實解決該領域之問題，且方 法原理屬非根據習知技藝而易於完成者，其功效性業已經 詳述，實具進步性，誠已符合專利法中所規定之發明專利 要件，謹請貴審查委員惠予審視，並賜准專利為禱。 【圖式簡單說明】 圖一係為本發明提昇有機元件電性之方法較佳實施 例之有機薄膜電晶體示意圖。 圖二A係為純的ΓΓ-Ρ3ΗΤ有機薄膜電晶體輸出特性曲 線示意圖。 圖二B係為rr-P3HT/PMMA有機薄膜電晶體輪出特性 曲線示意圖。 圖三A係為CNT/rr-P3HT/PMMA有機薄膜電晶體輸出 特性曲線示意圖。 圖三B係為CNT/rr-P3HT/PMMA有機薄膜電晶體轉換 特性曲線示意圖。 1228833 圖號說明： 100元件基板 101閘極 102絕緣層 103源極 104汲極 105有機半導體層 1有機薄膜電晶體

Claims (1)

1228833 拾、申請專利範圍： 1· 一種提昇有機元件電性之方法，用以提升有機薄膜電晶 體電性，其係包括有： 提供一元件基板，其中該元件基板上形成有一閘極及一 絕緣層； 將一有機半導體高分子材料、一有機絕緣高分子材料、 一導電粒子和一溶劑混合形成一有機溶液； 使用該有機溶液形成一有機半導體層於該絕緣層上。 φ 2·如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 法’其中該絕緣層上更形成有一源極及一;及極。 3.如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 法’其中該有機半導體高分子材料係選自p〇ly 3-alkylthiophene (P3AT)。 4·如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 法，其中該有機絕緣高分子材料係選自聚曱基丙烯酸甲 醋（Poly Methylmethacrylate，ΡΜΜΑ )及聚對本二曱酸 馨 二丁酯樹脂(Polybutylene Terephthalate，PBT)。 5·如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 法，其中該導電粒子係選自奈米碳管（CNT)、碳60及 · 奈米銀粒子。 6·如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 法’其中該溶劑係選自二曱苯(Xylene)、甲苯(T〇luene) 及 THF。 7·如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 15 1228833 法，其中所述之使用該有機溶液形成一有機半導體層所 用之方法係選自旋轉塗佈法(sPin_coating)、喷墨法 (inkjet_printing)、滴印法（drop_printing)、滴鑄法 (casting)、微觸法(micro-contact)及微印法(microstamp)。 8·如申請專利範圍第1項所述之提昇有機元件電性之方 法，其中該元件基板係選自矽晶圓、玻璃基板、金屬基 板及塑膠基板。 9·如申請專利範圍第2項所述之提昇有機元件電性之方 法’其中該閘極、該源極及該汲極係選自金屬材料、有 機導電分子材料及透明導電膜(ITO)。 ϊ〇·如申請專利範_丨項所述之提昇有機元件電性之方 法，其中該絕緣層係選自有機絕緣材料及無機絕緣材 料。 η·如申4專利㈣$ 1項所述之提昇有機元件電性之方 、中口亥有機，專骐電晶體之電流的帛關比(如任如⑹ 至少104以上。