TWI388077B - 有機薄膜電晶體及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法，且特別是有關於一種有機半導體元件及其製造方法。
由於有機半導體元件(organic semiconductor device)可以製作在軟性塑膠或薄金屬基板上，因此其具有重量輕、成本低、可撓性(flexibility)等優點與特性。其中，有機薄膜電晶體(organic thin-film transistor,OTFT)已受到許多先進國家之學界及工業研究上的重視。
在有機薄膜電晶體製作技術中，為了有效防止自然界中水氣、氧氣等對有機薄膜電晶體元件造成損害，通常於電晶體之電極以及有機半導體層製作完成後會藉由一保護層覆蓋於有機半導體層上，藉由此保護層來增加電晶體元件在長時間使用下的壽命(life time)以及電氣特性的再現性(reliability)。
一般而言，為了使得有機薄膜電晶體之保護層被圖案化，以暴露出電極而與外接電源電性連接，有數種方法被提出。例如使用微影蝕刻製程來進行圖案化就是其中的一種方法，其主要先於有機薄膜電晶體上形成保護層，接著於保護層上塗佈光阻。之後，再利用微影製程將光阻圖案化。接著，利用乾式蝕刻的方式去除被圖案化光阻層所暴露出的保護層。最後，於圖案化保護層形成之後，再將剩餘的光阻層移除。然而，以上述微影蝕刻製程來圖案化保護層的步驟繁瑣，並且在蝕刻的步驟中容易發生蝕刻不完全的缺點，造成元件的穩定度不佳。
另一方法是於保護層的樹脂材質中直接添加重鉻酸鹽的感光劑，藉由光線經由一具有圖案的光罩而使得保護層中被光線照射區域的感光劑與樹脂產生交聯(cross linking)反應，利用交聯反應後的產物不易溶於顯影液的特性，而達成圖案化保護層的目的。然而，在保護層中所添加作為感光劑的重鉻酸鹽容易溶解於水中並隨水迅速擴散，且具有致癌性，因此在製作此種有機薄膜電晶體之保護層時，必須針對廢液作回收以及特殊處理。近來由於綠色環保概念的興起，製程程序簡化、材料利用率高及低污染製程儼然成為未來的主流，因此目前有機薄膜電晶體之保護層如何簡化製作程序以及兼顧綠色環保概念實為有機薄膜電晶體在產業化之前亟待解決的課題。
本發明提供一種有機薄膜電晶體，其保護層可依據底層的表面特性而圖案化，而簡化製程。
本發明提供一種有機薄膜電晶體的製造方法，其保護層可以利用簡易的製程而圖案化，以降低製造成本。
本發明提出一種有機薄膜電晶體，其是由基材、閘極、閘絕緣層、源極與汲極、有機半導體層、疏水層以及液滴狀保護層所構成。其中，閘極位於基材上。閘絕緣層覆蓋閘極。源極與汲極分別位於閘極兩側上方的閘絕緣層上，且源極以及汲極與閘極電性絕緣。有機半導體層位於源極與汲極之間。疏水層位於源極與汲極上方並暴露出有機半導體層，疏水層所覆蓋的區域為一疏水性區域，且疏水層所暴露出的區域為一親水性區域。另外，液滴狀保護層覆蓋有機半導體層。
本發明另提出一種有機薄膜電晶體之製造方法，此有機薄膜電晶體之製造方法包括下列步驟。首先，於一基材上形成一閘極以及一覆蓋該閘極的閘絕緣層。接著，於該閘極兩側上方的該閘絕緣層上分別形成一源極與一汲極。於該源極以及該汲極上方形成一疏水層，該疏水層所覆蓋的區域為一親水性區域，且該疏水層所暴露出的區域為該疏水性區域。於該源極與該汲極之間形成一有機半導體層，其中該疏水層暴露出該有機半導體。於該疏水層以及該有機半導體層上形成一液態保護材料，以在該親水性區域上凝聚出一液滴狀保護層。
基於上述，本發明之有機薄膜電晶體及其製造方法，是利用疏水層改變底下膜層的表面性質，以於有機半導體層上形成親水性區域，並於源極、汲極上形成疏水性區域。然後，利用液態保護層材料在表面張力的作用下凝聚在屬於親水性區域的有機半導體層上，以形成液滴狀保護層。因此，本發明能夠快速且大量地製造，以降低有機薄膜電晶體的製造成本。
為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A至圖1E為依照本發明一實施例所述之有機薄膜電晶體的製造方法的流程剖面示意圖。
請參照圖1A，提供一基材110，其中基材110例如是一玻璃基材、石英基材、矽晶圓等硬質基材或是類似塑膠基材或金屬薄膜等可撓式基材。然後，於基材110上形成一閘極120，其中閘極120的材質例如是氧化銀、銀合金、金合金、銅合金、鋁合金或其他適合之金屬或金屬合金，而閘極120的形成方法例如是化學氣相沈積法(CVD)或物理氣相沈積法(PVD)。
然後，請繼續參照圖1A，形成閘絕緣層130，以覆蓋住閘極120。承上述，閘絕緣層130的材質為一含矽化合物，其可例如是氧化矽、氮化矽或其他合適之含矽介電層。閘絕緣層130的形成方法例如是化學氣相沈積法。如圖1A所示，於閘極120兩側上方的閘絕緣層130上分別形成一源極140S與一汲極140D，其中源極140S與汲極140D的材質例如是氧化銀、銀合金、金合金、銅合金、鋁合金或其他適合之金屬或金屬合金，而源極140S與汲極140D的形成方法可以是化學氣相沈積法(CVD)或者是物理氣相沈積法(PVD)。
接著，請同時參照圖1B與圖1C，在形成源極140S以及汲極140D的步驟之後，於基材110的表面上形成具有區域選擇性的疏水層150，其形成的方法可以如圖1B所示。疏水層150的形成的方法例如先製備一疏水性溶液156，再將已形成閘極120、閘絕緣層130、源極140S以及汲極140D的基材110以浸泡的方式置於疏水性溶液156中。之後，如圖1C所示，由於疏水性溶液156與源極140S之間以及疏水性溶液156與與汲極140D之間能夠產生化學吸附的自發性反應，以改變源極140S表面與汲極140D表面的物理性質，例如親疏水性與液體接觸角的改變等等，因此在源極140S表面以及汲極140D表面上形成疏水層150。另一方面，在本實施例中，由於疏水性溶液156不會與閘絕緣層130產生化學吸附反應，因此，在閘絕緣層130上並不會形成疏水層150。如此，疏水層150便能依據底下膜層的不同而自發地定義出親水性區域160a與疏水性區域160b。如圖1C所示，由於疏水層150之表面性質為疏水性，因此當疏水層150配置於源極140S以及汲極140D上時，疏水層150所覆蓋的區域為疏水性區域160b，且疏水層150所暴露出的區域便是親水性區域160a。此外，有關於疏水性溶液156以及疏水層150的成分與調配方法將詳述如後。
疏水層150的成分通常是烷基硫醇、雙烷基硫醇或酸類硫醇等長鏈硫醇有機物，而此疏水性溶液156的製備方法可以在溶劑(例如：水)中加入烷基硫醇、雙烷基硫醇或酸類硫醇等長鏈硫醇有機物，以體積比或是莫耳濃度比與溶劑混合加以稀釋，經過充分攪拌後即可使用，其中溶劑例如是水或有機溶劑，且疏水性溶液156的莫耳濃度比約為10-3
M。
更詳細而言，組成疏水層150的分子材料中例如具有一疏水性的長鏈基團152以及一親水性的硫醇基團154，其中硫醇基團154適於與源極140S以及汲極140D產生化學性吸附，而長鏈基團152適於改變基材110之表面特性。
詳言之，上述之長鏈基團152是由碳氫化合物(hydrocarbon)所組成，呈現長鏈狀結構，也可以像是芳香族(aromatic)、五氟芳香族(pentafluoroaromatic)、4-硝基芳香族(4-nitroaromatic)等官能基。疏水層150藉由分子間凡得瓦力使得分子中的長鏈基團152自組式地彼此排列整齊，而成為一單層的分子薄膜，巨觀而言，此單層分子薄膜會構成一疏水表面，且為了讓分子有規則排列，長鏈基團152較佳為無側鏈存在。另一方面，在本實施例中，源極140S與汲極140D的材質例如是氧化銀，或者是其他銀合金、金合金、銅合金或鋁合金。疏水層150分子中的硫醇基團154會自發性地與源極140S以及與汲極140D形成化學性的吸附現象。因此，疏水層150便於連接源極140S以及連接汲極140D的接觸面上形成一化學性吸附表面150a，並於相對於化學性吸附表面150a以長鏈基團152構成一疏水表面150b。
之後，請參照圖1D，於源極140S與汲極140D之間形成一有機半導體層170，並暴露出該疏水層150。有機半導體層170的材質可以是有機小分子、有機高分子或是有機無機混合層，其可例如像是五環素。有機半導體層170的形成方法例如是採用真空蒸鍍法。如圖1D所示，於源極140S以及汲極140D之間形成一圖案化的有機半導體層170，而此有機半導體層170會暴露出疏水層150。值得一提的是，在本實施例中，形成有機半導體層170的步驟是在形成疏水層150的步驟之後。當然，在其他實施例中，形成有機半導體層170的步驟也可以是在形成疏水層150的步驟之前，此時即使將已形成閘極120、閘絕緣層130、源極140S、汲極140D以及有機半導體的基材110以上述浸泡的方式置於疏水性溶液156中，疏水層150也僅會形成於源極140S與汲極140D上，而暴露出有機半導體層170。換言之，本發明並不限定有機半導體層170以及疏水層150的形成順序。
接著，如圖1E所示，於在基材110上形成一液態保護材料，以在親水性區域160a上凝聚出一液滴狀保護層180。詳細而言，由於有機半導體層170與疏水層150的表面能不同，在基材110的表面上可區分為疏水性區域160b與親水性區域160a，因此當基材110上形成有液態保護材料時，在表面張力的作用下，此液態保護材料將在屬於親水性區域160a的有機半導體層170上凝聚出液滴狀保護層180。因此，有機半導體層170與疏水層150的表面能差攸關液態保護材料的凝聚速度以及凝聚高度，設計者可依據液滴狀保護層180所欲形成的厚度或者製程產能考量而適時調整疏水層150以及有機半導體層170的材質，本發明並不以此為限。
更詳細而言，由於液體狀的液態保護材料具有自由流動的特性，因此當此液態保護材料遇到表面能較小的疏水性區域160b時，液態材料會受到排斥而往表面能較大的親水性區域160a流動。此外，在表面張力的作用下，液態材料具有內聚力而匯聚成半球狀，在溶劑揮發後，形成液滴狀保護層180，而液滴狀保護層180不同於一般經由薄膜沈積方式所得之膜層，液滴狀保護層180的中央厚度會大於其周圍的厚度。此外，有關於液態保護材料的成分與調配方法將詳述如後。
液態保護材料的成分通常是聚乙烯醇等親水性材料，以重量百分比或是莫耳濃度比與溶劑混合加以稀釋，經過充分攪拌後即可使用，其中溶劑可以是水或有機溶劑，在本實施例中，液態保護材料的重量百分比約為2wt%。之後，再藉由一旋轉塗佈法將上述液態保護材料塗佈於疏水層150以及有機半導體層170上。
並在塗佈液態保護材料之後，進行一固化程序，以形成液滴狀保護層180，其中固化的方式可以是利用照光或加熱的方式。至此，有機薄膜電晶體100大致完成。在上述的製造方法中，疏水層150與液滴狀保護層180的圖案化製程並無使用光罩製程，而是利用材料之間的化學吸附反應以及具有不同表面張力的表面特性來直接圖案化液滴狀保護層180，因此，本發明之有機薄膜電晶體100材料具有製程簡易等優點。此外，不同於習知，上述之液滴狀保護層180所使用的材質中並無添加重鉻酸鹽，因此對於環境較為溫和，且液滴狀保護層180具有機械強度高、化學安定性與製程簡易等特性，可以保護有機薄膜電晶體100，提昇元件特性。
接下來，以上述實施例之圖1E來說明本發明之有機薄膜電晶體100的結構。
請參照圖1E，有機薄膜電晶體100是由基材110、閘極120、閘絕緣層130、源極140S與汲極140D、有機半導體層170、疏水層150以及液滴狀保護層180所構成。其中，閘極120位於基材110上。基材110的材質例如是硬質基材110或可撓式基材110，而閘極120的材質例如是氧化銀、銀合金、金合金、銅合金、鋁合金或其他適合之金屬或金屬合金。另外，閘絕緣層130覆蓋閘極120，閘絕緣層130為含矽化合物，其材質可例如是氧化矽、氮化矽或其他合適之含矽介電層。源極140S與汲極140D分別位於閘極120兩側上方的閘絕緣層130上，且源極140S以及汲極140D與閘極120電性絕緣，而源極140S以及汲極140D的材質可列舉氧化銀、銀合金、金合金、銅合金、鋁合金或其他適合之金屬或金屬合金。有機半導體層170位於源極140S與汲極140D之間，其中有機半導體層170之材質例如是有機小分子、有機高分子或是有機無機混合層。
請繼續參照圖1E，在本發明中，有機薄膜電晶體100的疏水層150位於源極140S與汲極140D上方並暴露出有機半導體層170，疏水層150所覆蓋的區域為一疏水性區域160b，且疏水層150所暴露出的區域為一親水性區域160a，其中疏水層150的材質例如是烷基硫醇、雙烷基硫醇或酸類硫醇等長鏈硫醇有機物。在本實施例中，疏水層150與連接源極140S以及連接汲極140D的接觸面上形成一化學性吸附表面150a，並於相對於化學性吸附表面150a以長鏈基團152構成一疏水表面150b，換言之，有機半導體層170的表面為一親水性區域160a，而源極140S以及汲極140D上方披覆疏水層150的區域為一疏水性區域160b。
如圖1E所示，本發明之有機薄膜電晶體100具有液滴狀保護層180，以覆蓋有機半導體層170。液滴狀保護層180的材質例如是聚乙烯醇等親水性材料，利用底下膜層之表面能不同，而在屬於親水性區域160a的有機半導體層170上凝聚出液滴狀保護層180。
圖2為圖1E之的俯視示意圖。請參照圖2，液滴狀保護層180例如是以半球狀的方式覆蓋有機半導體層170，並且有機半導體層170位於液滴狀保護層180的涵蓋範圍內，以保護有機薄膜電晶體100的元件特性。並且，由於液滴狀保護層180是利用表面張力而自發性地凝聚在有機半導體層170上方，因此由圖中可知，液滴狀保護層180的邊緣形成一環狀界面。另一方面，液滴狀保護層180僅形成於有機半導體層170上而暴露出源極140S以及汲極140D，以利後續製程之外接導線的進行。
綜上所述，本發明之有機薄膜電晶體及其製造方法至少具有下列之特點：
1.本發明是以形成疏水層來使得基材表面具有區域選擇性，以形成親水性區域與疏水性區域，並在屬於親水性區域的有機半導體層上利用表面張力而自發性地形成液滴狀保護層。
2.本發明之液滴狀保護層並未使用對於環境深具破壞力的重鉻酸鹽，相較於習知，能以對環境較為溫和的方式來提高元件效能。
3.本發明之方法在保護層的製作上不用薄膜沈積法以及微影蝕刻製程來進行，因此可較習知的方法更為節省成本。因本發明能夠快速且大量地製造，以降低有機薄膜電晶體的製造成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
110．．．基材
120．．．閘極
130．．．閘絕緣層
140S．．．源極
140D．．．汲極
150．．．疏水層
150a．．．化學性吸附表面
150b．．．疏水表面
152．．．長鏈基團
154．．．硫醇基團
156．．．疏水性溶液
160a．．．親水性區域
160b．．．疏水性區域
170．．．有機半導體層
180．．．液滴狀保護層
圖1A至圖1E為依照本發明一實施例所述之有機薄膜電晶體的製造方法的流程剖面示意圖。
圖2為圖1E之的俯視示意圖。
110．．．基材
120．．．閘極
130．．．閘絕緣層
140S．．．源極
140D．．．汲極
150．．．疏水層
150a．．．化學性吸附表面
150b．．．疏水表面
152．．．長鏈基團
154．．．硫醇基團
160a．．．親水性區域
160b．．．疏水性區域
170．．．有機半導體層
180．．．液滴狀保護層
Claims (8)
- 一種有機薄膜電晶體之製造方法，該製造方法包括：於一基材上形成一閘極以及一覆蓋該閘極的閘絕緣層；於該閘極兩側上方的該閘絕緣層上分別形成一源極與一汲極；於該源極以及該汲極上方形成一疏水層，該疏水層所覆蓋的區域為一疏水性區域，且該疏水層所暴露出的區域為一親水性區域，其中於該源極以及該汲極上方形成該疏水層的方法包括：製備一疏水性溶液；將已形成該閘極、該閘絕緣層、該源極以及該汲極的該基材以浸泡的方式置於該疏水性溶液中；以及該疏水性溶液中的分子與該源極以及與該汲極產生化學性吸附而構成該疏水層的一化學性吸附表面，且該疏水性溶液中的分子之間藉由凡得瓦力而形成該疏水層的一疏水表面；於該源極與該汲極之間形成一有機半導體層，並暴露出該疏水層；以及於該疏水層以及該有機半導體層上形成一液態保護材料，以在該親水性區域上凝聚出一液滴狀保護層。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體之製造方法，其中該疏水性溶液的分子具有一長鏈基團以及 一硫醇基團，該疏水性溶液中的分子以該長鏈基團排列成該疏水表面，且該疏水層以該硫醇基團而分別與該源極以及與該汲極形成該化學性吸附表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體，其中該疏水層為一自組式單層分子薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體之製造方法，其中該疏水層之組成包括烷基硫醇、雙烷基硫醇、酸類硫醇或長鏈硫醇有機物。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體之製造方法，其中形成該有機半導體層的方法包括進行一真空蒸鍍法。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體之製造方法，其中形成該液滴狀保護層的方法包括：以聚乙烯醇製備該液態保護材料，其中該聚乙烯醇的含量實質上為2重量百分比；以及藉由一旋轉塗佈法將該液態保護材料塗佈於該疏水層以及該有機半導體層上，該液態保護材料於該有機半導體層上匯聚成半球狀，而形成該液滴狀保護層。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體之製造方法，其中形成該有機半導體層的步驟是在形成該疏水層的步驟之後。
- 如申請專利範圍第1項所述之有機薄膜電晶體之製造方法，其中形成該有機半導體層的步驟是在形成該疏水層的步驟之前，而該疏水層僅形成於該源極與該汲極上。
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2012
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