TWI408840B - 有機薄膜電晶體之製備方法及修復方法 - Google Patents

有機薄膜電晶體之製備方法及修復方法 Download PDF

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Description

有機薄膜電晶體之製備方法及修復方法
本發明係關於一種有機薄膜電晶體之製備方法及修復方法，尤指一種適用於改善裝置效能之有機薄膜電晶體製備方法及修復方法。
有機薄膜電晶體具有低溫製作及製作成本低之優點，據此，有機薄膜電晶體已成為近年來發展軟性電子的研究重點。就有機薄膜電晶體中主動層材料而言，由於五苯環相較於其他有機材料具有較高之場效遷移率，故目前主要係使用五苯環作為有機薄膜電晶體之主動層材料。另一方面，目前有機薄膜電晶體主要可分為上接觸式及下接觸式兩種結構。
請參見圖1A，其係為習知上接觸式有機薄膜電晶體剖視圖。如圖1A所示，習知上接觸式有機薄膜電晶體主要包括：閘極11；閘極絕緣層12，係位於該閘極11上；有機主動層13，係位於該閘極絕緣層12上；以及源極14與汲極15，係位於該有機主動層13上，且該源極13與該汲極14間具有一通道區C。另請參見圖1B，其係為習知下接觸式有機薄膜電晶體剖視圖。如圖1B所示，習知下接觸式有機薄膜電晶體主要包括：閘極11；閘極絕緣層12，係位於該閘極層11上；源極14與汲極15，係位於該閘極絕緣層12上，且該源極14與該汲極15間具有一通道區C；以及有機主動層13，係位於該通道區C中、及該源極14與該汲極15上。
據文獻指出，有機薄膜電晶體之場效遷移率與五苯環之晶體取向及分子次序極為相關，而五苯環之微結構又決定於沉積溫度。一般而言，五苯環膜(尤其是室溫沉積形成之五苯環膜)通常包含多晶體、未取向(mis-oriented)分子、晶界及缺陷。據此，為提昇有機薄膜電晶體效能，習知製程形成五苯環膜後，會於超高真空下進行約60℃至90℃的熱退火步驟，遂使未取向分子結晶，並消除缺陷，以改善五苯環分子之排列次序。
然而，習知熱退火步驟卻有無法均勻作用之缺點，尤其，溫度調控不當可能反而導致裝置效能劣化，此外，該習知熱退火步驟由於須於超高真空條件下進行，故有製程條件嚴苛之缺點。
本發明之主要目的係在提供一種有機薄膜電晶體之製備方法，其係以簡單且快速之加工步驟，改善有機主動層之結晶度，進而大幅提高有機薄膜電晶體之效能。
為達成上述目的，本發明提供一種有機薄膜電晶體之製備方法，包括：(A)提供一閘極；(B)形成一閘極絕緣層於該閘極上；以及(C)形成一有機主動層、一源極及一汲極於該閘極絕緣層上，並藉由照光處理該有機主動層，以提高該有機主動層之結晶度。
據此，相較於習知藉由熱退火提高有機主動層結晶度之技術，本發明所採用之照光處理無習知熱退火步驟無法均勻作用之缺點，更無溫度調控不當而導致裝置效能劣化之問題，此外，本發明所採用之照光處理無需於超高真空條件下進行，故相較於習知熱退火方式，本發明採用之照光處理具有製程條件較為簡便之優勢。尤其，相較於習知熱處理方式，本發明所提供之方法可提供具有更佳效能之有機薄膜電晶體。
於本發明之製備方法中，該有機主動層之材料可為任何習用之有機主動層材料，其中，由於五苯環為電子移動率較高之有機材料，故較佳之有機主動層材料為五苯環。
於本發明之製備方法中，該有機主動層較佳係進行紅外線照光處理。具體而言，可使用石英燈管，提供波長範圍為2500nm至25000nm之紅外線，以進行照光處理，其中，照光處理時間較佳為15分鐘至180分鐘。
詳細地說，於本發明製備方法之步驟(C)中，可先形成有機主動層後，再形成源極及閘極，以製成上接觸式有機薄膜電晶體。亦即，步驟(C)可包括：(C1)形成有機主動層於閘極絕緣層上；以及(C2)形成源極及汲極於有機主動層上，且源極與汲極間具有一通道區，並藉由照光處理該有機主動層，以提高有機主動層之結晶度。其中，於步驟(C2)中，可先藉由照光處理該有機主動層，以提高有機主動層之結晶度，再形成源極及汲極於有機主動層上；或者，先形成源極及汲極於有機主動層上，再藉由照光處理該有機主動層，以提高有機主動層之結晶度。此外，本發明製備方法之步驟(C)亦可先形成源極及閘極後，再形成有機主動層，以製成下接觸式有機薄膜電晶體。亦即，步驟(C)可包括：(C1)形成源極及汲極於閘極絕緣層上，且源極與汲極間具有一通道區；(C2)形成有機主動層於通道區中、及源極與汲極上；以及(C3)藉由照光處理該有機主動層，以提高該有機主動層之結晶度。
此外，本發明所提供之上述照光處理亦可應用於修復有機薄膜電晶體，以改善有機主動層之結晶度，進而使有機薄膜電晶體之效能可獲提昇。據此，本發明提供一種有機薄膜電晶體之修復方法，其包括：藉由照光處理一有機薄膜電晶體之有機主動層，以提高該有機主動層的結晶度。
於本發明之修復方法中，該有機薄膜電晶體可包括：閘極；閘極絕緣層，係位於該閘極上；以及有機主動層、源極及汲極，係位於閘極絕緣層上。在此，該有機薄膜電晶體可為上接觸式或下接觸式，據此，於本發明之有機薄膜電晶體中，該有機主動層可位於閘極絕緣層上，而源極及汲極則位於有機主動層上，其中，源極與汲極間具有一通道區；或者，源極及汲極係位於閘極絕緣層上，且源極與汲極間具有一通道區，而有機主動層則位於通道區中、及源極與汲極上。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人式可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。
實施例1~6及比較例1
請參見圖2A至2C，其係為本發明上接觸式有機膜薄膜電晶體之製作流程剖視圖。
如圖2A所示，提供一閘極21，並利用乾式氧化法，形成閘極絕緣層22(厚度為100nm，其材料為二氧化矽)於該閘極21上。在此，本發明使用之閘極21係為高摻雜矽(100)基板。隨後，將閘極絕緣層22/閘極21依序使用去離子水、丙酮、熱的三氯乙烯、丙酮、硝酸、甲醇及去離子水進行超音波震盪處理，再以氮氣吹乾。
接著，如圖2B所示，利用熱鍍法，於壓力為2×10-6 托耳且沉積速度為0.5埃/秒(使用石英晶體諧振器觀測)之條件下，沉積有機主動層23(厚度為70nm)於該閘極絕緣層22上。在此，本發明使用之有機主動層23材料為五苯環。
最後，如圖2C所示，利用遮罩，於有機主動層23上形成源極24與汲極25(材料為金，厚度為70nm)，其中，該源極24與汲極25間具有一通道區C，而該通道區C之寬度及長度分別為1000μm及100μm。而後，使用石英管，於功率為50瓦特且真空度為5×10-3 托耳之條件下，提供2500至25000nm波長範圍之紅外線，照射該通道區C達15分鐘(實施例1)、30分鐘(實施例2)、60分鐘(實施例3)、90分鐘(實施例4)、120分鐘(實施例5)、180分鐘(實施例6)、或不進行紅外線照射處理(比較例1)。
此外，本發明亦提供下接觸式有機膜薄膜電晶體之製作流程。
如圖2B’所示，藉由上述步驟，形成閘極絕緣層22於閘極21上後，形成源極24及汲極25於閘極絕緣層22上，其中，源極24與汲極25間具有一通道區C。
最後，如圖2C’所示，形成有機主動層23於該通道區C中、及源極24與汲極25上，以完成下接觸式有機膜薄膜電晶體之製作。隨後，再藉由上述紅外線照光處理，提高有機主動層23之結晶度。
電流-電壓特性分析
藉由購自安捷倫(Agilent)公司之電晶體測試儀器(型號為Agilent 4155C、Agilent 4284)，測量有機薄膜電晶體之電流-電壓特性。
《汲極電流vs.汲極電壓》
請參見圖3，其係為實施例4與比較例1所製得之有機薄膜電晶體於不同閘極電壓(VG =-20V、-30V及-40V)下，汲極電流ID (μA)vs.汲極電壓(V)趨勢圖。由圖3所示之曲線可發現，於相同汲極電壓及閘極電壓下，實施例4(-○-，紅外線照射達90分鐘)之汲極電流值明顯高於比較例1(-□-，未經紅外線照射)，且實施例4之最大電流值亦明顯高於比較例1之最大電流值，例如，當閘極電壓設定為-40V時，實施例4之最大電流值為4.91×10-5 A，而比較例1之最大電流值為1.14×10-5 A。由此可知，有機主動層經紅外線照射後，其電阻值將明顯下降。
《汲極電流vs.閘極電壓》
請參見圖4，其係為實施例4與比較例1所製得之有機薄膜電晶體於汲極電壓VD 為-40V下，[汲極電流ID (A)]1/2 vs.閘極電壓(V)趨勢圖。由圖4所示之曲線可發現，於相同汲極電壓及閘極電壓下，實施例4(-○-，紅外線照射達90分鐘)之汲極電流值較比較例1(-□-，未經紅外線照射)高，其中，曲線斜率為場效遷移率(field effect mobility,μFE )，而曲線截距則為臨界電壓(threshold voltage)。
《場效遷移率&最大汲極電流vs.照光時間》
請參見圖5，-■-曲線為場效遷移率vs.照光時間趨勢圖；-○-曲線為最大汲極電流vs.照光時間趨勢圖。由圖5可發現，場效遷移率由0.21cm2 /Vs(未照IR光)增加到0.59cm2 /Vs(紅外線照射90分鐘)，而最大汲極電流亦隨著照光時間增加而提高。一般而言，各別裝置之場效遷移率(μFE )會有所差異，因此，圖5中之誤差線(error bar)即顯示各別裝置間之差異，其中該誤差線係指3-5個有機薄膜電晶體(藉由相同製程條件製得)間之差異。
場效遷移率增加即表示有機主動層中之散射機制降低。Horowitzet. al. 指出，五苯環有機膜之晶界密度與場效遷移率極為相關。據此，由本實驗結果推論，五苯環膜之晶界密度可能因照光處理而下降，進而導致場效遷移率提高。當然，亦不能排除減少其他可能缺陷(如，減少未取向分子)而使場效遷移率提昇之原因。
X光繞射分析
藉由X射線粉末繞射儀(型號Shimadzu XRD-6000)，操作條件為銅靶(CuKα,λ=1.54埃)，分析有機主動層之晶體結構。
請參見圖6，其係為實施例3、實施例5、實施例6及比較例1之繞射角分析結果。文獻指出，當五苯環膜厚度低於70nm(利用石英震盪器測得)時，並不會觀得五苯環塊材(bulk phase)訊號(即，2θ=6.15°)。據此，如圖6所示，僅觀得五苯環薄膜相之(001)峰(即，繞射角2θ=5.9°)，但未觀得五苯環塊材相之(001)峰(即，2θ=6.15°)。此外，圖6顯示，照光3小時後，(001)峰強度增加，且(001)峰由2θ=5.9°輕微位移至2θ=5.84°，由此可知，紅外線照射後，五苯環分子發生晶體重新排列(re-orientation)的現象，且其結晶度亦有增加的趨勢。
請參見圖7，其係為[(001)峰強度IIR /未照光之(001)峰強度IA ]＆半高全寬(full width at half maximum,FWHM)vs.照光時間趨勢圖。由圖7可發現，利用紅外線(50瓦特)照射2小時(即實施例5)後，五苯環薄膜之(001)峰強度增加至4..5倍，而半高全寬由0.20減少至0.16。
另一方面，藉由曲線擬合(curve-fitting)可發現，本發明有機主動層(五苯環膜)存有兩種結晶方向，亦即，結晶體I(2θ=5.91°)及結晶體II(2θ=5.84°)。請參見圖8，其係為[峰面積A/未照光之峰面積A0 ]vs.照光時間趨勢圖，其中，-○-為結晶體I(2θ=5.91°)之趨勢曲線，而-■-為結晶體II(2θ=5.84°)之趨勢曲線。
如圖8所示，隨著照光時間的增加，結晶體I快速減少，而結晶體II快速增加。當照光180分鐘後，結晶體I完成轉變為結晶體II。然而，結晶體II之增加量大於結晶體I的減少量。由此可知，有些結晶體II是來自於未取向之五苯環分子再結晶現象。由XRD數據可推論，藉由紅外線照射，可促使五苯環分子振動，進而協助五苯環晶體重新排列及未取向之五苯環分子進行結晶。藉此可得知，具有較大晶粒之五苯環可展現較高之場效遷移率及最大汲極電流，因而可觀得裝置效能提昇的現象。
綜上所述，本發明利用照光處理，增加有機主動層之晶粒尺寸，遂使有機薄膜電晶體之場效遷移率提高，進而大幅改善有機薄膜電晶體之裝置效能。相較於習知熱退火方式，本發明所採用之照光方式不僅操作簡便、快速，更可避免習知熱退火無法均勻作用之缺點，更能大幅提昇裝置效能。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11,21．．．閘極
12,22．．．閘極絕緣層
13,23．．．有機主動層
14,24．．．源極
15,25．．．汲極
C．．．通道區
圖1A係習知上接觸式有機薄膜電晶體剖視圖。
圖1B係習知下接觸式有機薄膜電晶體剖視圖。
圖2A至2C係本發明一較佳實施例之上接觸式有機膜薄膜電晶體製作流程剖視圖。
圖2B’至2C”係本發明一較佳實施例之下接觸式有機膜薄膜電晶體製作流程剖視圖。
圖3係本發明實施例4與比較例1所製得之有機薄膜電晶體於不同閘極電壓(VG =-20V、-30V及-40V)下，汲極電流ID (μA)vs.汲極電壓(V)趨勢圖。
圖4係本發明實施例4與比較例1所製得之有機薄膜電晶體於汲極電壓VD 為-40V下，[汲極電流ID (A)]1/2 vs.閘極電壓(V)趨勢圖。
圖5係場效遷移率＆最大汲極電流vs.照光時間趨勢圖，其中，-■-曲線為場效遷移率vs.照光時間趨勢圖，-○-曲線為最大汲極電流vs.照光時間趨勢圖。
圖6係實施例3、實施例5、實施例6及比較例1之繞射角分析結果圖。
圖7係[(001)峰強度IIR /未照光之(001)峰強度IA ]＆半高全寬vs.照光時間趨勢圖。
圖8係[峰面積A/未照光之峰面積A0 ]vs.照光時間趨勢圖，其中，-○-為結晶體I(2θ=5.91°)之趨勢曲線，而-■-為結晶體II(2θ=5.84°)之趨勢曲線。
21．．．閘極
22．．．閘極絕緣層
23．．．有機主動層
24．．．源極
25．．．汲極
C．．．通道區

Claims (15)

  1. 一種有機薄膜電晶體之製備方法，包括：(A)提供一閘極；(B)形成一閘極絕緣層於該閘極上；以及(C)形成一有機主動層、一源極及一汲極於該閘極絕緣層上，並對該有機主動層進行紅外線照光處理，以提高該有機主動層之結晶度，其中該有機主動層之材料為五苯環，且該有機主動層藉由該紅外線照光處理而改變晶體取向，以增加繞射角2 θ為5.84°之晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該步驟(C)包括：(C1)形成該有機主動層於該閘極絕緣層上；以及(C2)形成該源極及該汲極於該有機主動層上，且該源極與該汲極間具有一通道區，並對該有機主動層進行紅外線照光處理，以提高該有機主動層之結晶度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之製備方法，其中，於該步驟(C2)中，係先對該有機主動層進行紅外線照光處理，以提高該有機主動層之結晶度，再形成該源極及該汲極於該有機主動層上。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之製備方法，其中，於該步驟(C2)中，係先形成該源極及該汲極於該有機主動層上，再對該有機主動層進行紅外線照光處理，以提高該有機主動層之結晶度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該步驟(C)包括：(C1)形成該源極及該汲極於該閘極絕緣層上，且該源極與該汲極間具有一通道區；(C2)形成該有機主動層於該通道區中、及該源極與該汲極上；以及(C3)對該有機主動層進行紅外線照光處理，以提高該有機主動層之結晶度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中，該紅外線照光處理時間為15分鐘至180分鐘。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中，該紅外線照光處理所使用之紅外線波長範圍為2500 nm至25000 nm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中，該紅外線照光處理係使用石英燈管進行紅外線照光。
  9. 一種有機薄膜電晶體之修復方法，包括：對一有機薄膜電晶體之一有機主動層進行紅外線照光處理，以提高該有機主動層的結晶度，其中該有機主動層之材料為五苯環，且該有機主動層藉由該紅外線照光處理而改變晶體取向，以增加繞射角2 θ為5.84°之晶體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之修復方法，其中，該有機薄膜電晶體包括：一閘極；一閘極絕緣層，係位於該閘極上；以及 該有機主動層、一源極及一汲極，係位於該閘極絕緣層上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之修復方法，其中，該有機主動層係位於該閘極絕緣層上，而該源極及該汲極於位於該有機主動層上，且該源極與該汲極間具有一通道區。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之修復方法，其中，該源極及該汲極於位於該閘極絕緣層上，且該源極與該汲極間具有一通道區，而該有機主動層係位於該通道區中、及該源極與該汲極上。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之修復方法，其中，該紅外線照光處理時間為15分鐘至180分鐘。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之修復方法，其中，該紅外線照光處理所使用之紅外線波長範圍為2500 nm至25000 nm。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之修復方法，其中，該紅外線照光處理係使用石英燈管進行紅外線照光。
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