專利名稱：形成互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成互連，特別是其通過溶液處理。
近來在集成在塑料襯底上的廉價邏輯電路(C.Drury等人，應(yīng)用物理快報73，108(1998))和光電子集成器件以及高分辨率有源矩陣顯示器中的象素晶體管開關(guān)(H.Sirringhaus等人，科學(xué)280，1741(1998)，Dodabalapur等人，應(yīng)用物理快報，73，142(1998))中，半導(dǎo)體共軛聚合物薄膜晶體管(TFT)的應(yīng)用越來越引起人們的關(guān)注。在具有聚合物半導(dǎo)體和無機(jī)材料電極以及柵電介質(zhì)層的檢測器件配置中，已經(jīng)論證了高性能的TFT。電荷載流子遷移率高達(dá)0.1cm2/Vs，并且開關(guān)電流比為106-108，這可與非晶硅的TFT的性能相比(H.Sirringhaus等人，固態(tài)物理進(jìn)展39，101(1999))。
將有機(jī)溶劑中的聚合物溶液涂覆在襯底上可以形成共軛聚合物半導(dǎo)體的器件性能的薄膜。因此這種技術(shù)與彈性的塑料襯底相適應(yīng)可以理想地適于進(jìn)行廉價地大面積的溶液加工。為了完全利用潛在的成本以及加工優(yōu)點(diǎn)的便利，需要包括半導(dǎo)體層、電介質(zhì)層以及導(dǎo)電電極和互連在內(nèi)的所有的器件元件從溶液中沉積出來。
為了制作全聚合物TFT器件和電路，必須解決下列的主要問題-多層結(jié)構(gòu)的完整性在隨后的半導(dǎo)體、絕緣和/或?qū)щ妼拥娜芤撼练e中，下面的層不應(yīng)該被溶解掉，或者被沉積隨后的層所用的溶劑膨脹。如果溶劑結(jié)合到下面的層中就會發(fā)生膨脹，這就導(dǎo)致該層的性能下降。
-高分辨率地制作電極的圖案需要制作導(dǎo)電層的圖形，以形成確定的互連以及溝道長度≤10μm的TFT溝道。
-為了制作TFT電路，需要形成垂直的互連區(qū)域(通孔)以電連接器件不同層中的電極。
在WO 99/10939 A2中闡明了一種制作全聚合物TFT的方法，它依賴于經(jīng)溶液處理的器件的層在沉積器件隨后的層之前轉(zhuǎn)換成不溶解的形式。這就克服了下面的層的溶解和膨脹問題。然而，它將可以使用的半導(dǎo)體材料的選擇嚴(yán)格地局限于一小類前驅(qū)體聚合物并且從幾個方面來說不合乎需要的前驅(qū)體聚合物。另外，電介質(zhì)柵絕緣層的交聯(lián)使得制作穿過電介質(zhì)層中的通孔比較困難，而不得不使用諸如機(jī)械沖孔的技術(shù)(WO 99/10939 A1)。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種制作電子器件的方法，包括制作第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層，在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上制作一系列的至少一個絕緣層和至少一個半導(dǎo)體層；在絕緣層的部分區(qū)域局部沉積溶劑以溶解該區(qū)域中的系列絕緣層和半導(dǎo)體層而留下穿過這些層的通孔；并將導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沉積在通孔中。
溶劑合適地在同一時間沉積出。另一選擇，溶劑也可以相繼沉積出。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種制作電子器件的方法，包括制作第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上制作能夠溶解的絕緣層；在絕緣層的部分區(qū)域上局部沉積一種溶劑以便溶解此區(qū)域中的第一絕緣層而留下貫穿此絕緣層的通孔；并將導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沉積在通孔中。
第一層優(yōu)選為基本不溶于所述溶劑或溶劑混合物中。
第一層可包括一種半導(dǎo)體共軛聚合物，例如F8T2或TFB。
第一層適宜為電子器件的有源層。
該方法適宜地包括在第一層下面沉積導(dǎo)體層的步驟。導(dǎo)體層為電子器件的一個電極。
第一層優(yōu)選包括一種導(dǎo)電共軛聚合物。
所述溶劑或溶劑混合物的體積適宜大于溶解該區(qū)域中的系列絕緣和半導(dǎo)體層所需溶劑的體積。這種溶解適宜為這一系列層全部深度的溶解。
該方法包括在這一系列的絕緣和半導(dǎo)體層或絕緣層上制作另一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層，并與通孔中的材料相接觸。
第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層可形成一個電極或一個互連。
另一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層可形成一個電極或一個互連。
所述溶劑或溶劑混合物是通過噴墨印刷沉積出。所述溶劑或溶劑混合物可作為一種單一的液滴經(jīng)噴墨印刷而沉積出。
所述溶劑或溶劑混合物可適宜地作為多個液滴經(jīng)噴墨印刷而沉積出。
所述溶劑或溶劑混合物具有適當(dāng)?shù)姆悬c(diǎn)，高于80℃或100℃。也可以低于100℃。
所述每一層在所述的一種或多種溶劑中具有適當(dāng)?shù)娜芙舛?，大于每體積1或2重量百分比濃度。
第一絕緣層在所說的溶劑中具有適宜的溶解度，大于每體積1或2重量百分比。
沉積的溶劑的體積可小于50pl或20pl或5pl。
在要溶解的聚合物層上沉積溶劑的接觸角適宜于大于5°，但小于90°；或大于20°，小于90°；或大于50°，小于90°。
要溶解的聚合物的表面優(yōu)選已經(jīng)被處理過，以提高其對沉積溶劑液滴的排斥力。這種表面處理可適宜地由沉積自組裝單層提供。
電子器件可為晶體管，沉積于通孔內(nèi)的材料可形成電極之間的通孔互連和/或器件不同層中的互連線。
溶劑或溶劑混合物中的一種可以為醇，如IPA或甲醇。
該方法包括形成限制結(jié)構(gòu)來憑借潤濕性將溶劑或溶劑混合物限制在特定區(qū)域內(nèi)的步驟。這種限制結(jié)構(gòu)可由自組裝單層提供。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供制作一種電子器件的方法，包括制作第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上制作一系列的絕緣和半導(dǎo)體層；在絕緣層的部分區(qū)域上從溶液中局部沉積一種擴(kuò)散的摻雜劑以便改性該區(qū)域中的絕緣和半導(dǎo)體層，從而制作貫穿這一系列層的導(dǎo)電材料的溝道。
擴(kuò)散摻雜劑適宜通過噴墨印刷沉積出。
電子器件適宜為一種晶體管，所述溝道形成電極之間的通孔互連和/或器件不同層中的互連線。
絕緣層可包括PVP。
絕緣層和緊鄰其下的層中的一個適宜于能夠溶解于極性溶劑中，絕緣層和緊鄰其下的層中的另一個能夠溶解于非極性溶劑中。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面提供一種經(jīng)由上述方法制作的電子器件。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面提供包括上述多個器件的邏輯電路，顯示器或存儲器件。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面提供包括相互連接的這類多個器件的邏輯電路以執(zhí)行邏輯功能。
憑借貫穿第一器件的至少一層形成的通孔內(nèi)的導(dǎo)電材料，至少第一器件可與另一器件相連。
一種顯示器可包括能夠被這種電子器件開關(guān)的光有源區(qū)域，并且憑借貫穿器件的至少一層形成的通孔內(nèi)的導(dǎo)電材料該電子器件被電耦合到光有源區(qū)域上。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面提供具有多個電介質(zhì)層并由上述方法制作出的電子器件，以便使通孔穿過至少一個電介質(zhì)層，該器件包括被所述的電介質(zhì)層之一空間分開的互連層，其中憑借位于通孔內(nèi)的導(dǎo)電材料在一個層中的至少一個互連被電連接到另一層中的一個互連上。
將用實(shí)例的方式對本發(fā)明進(jìn)行描述，關(guān)于


如下圖1所示為溶液加工的全聚合物TFT的不同器件的配置；圖2所示為根據(jù)圖1c具有F8T2有源層、PVP柵絕緣層和PEDOT/PSS柵電極的聚合物TFT的傳輸特性。
圖3所示為利用保持在室溫(a)和約50℃(b)條件下的樣品沉積的，根據(jù)圖1c具有F8T2活性層、PVP柵絕緣層和PEDOT/PSS柵電極的聚合物TFT的傳輸特性；圖4所示為包含圖1(a)中所示的F8擴(kuò)散勢壘區(qū)和PVP表面改性層的F8T2全聚合物TFT的輸出(a)和傳輸特性(b)；圖5所示為如圖1(a)中的具有TFB(a)和聚苯乙烯(b)擴(kuò)散勢壘區(qū)以及PVP表面改性層的F8T2全聚合物TFT的傳輸特性；
圖6所示為根據(jù)圖1(a)具有F8T2有源層和直接印刷于裸露玻璃襯底上的源-漏電極的全聚合物TFT的光學(xué)顯微照片；圖7所示為通過襯底表面構(gòu)圖到疏水和親水區(qū)的具有小溝道長度和小重疊電容的TFT的制作；圖8所示為位于疏水性聚酰亞胺簇(bank)附近IJP沉積PEDOT/PSS源/漏電極之后，L＝20μm(a)和L＝5μm(b)的晶體管溝道區(qū)域的光學(xué)顯微照片；圖9所示為在聚酰亞胺簇附近墨滴沉積時的光學(xué)顯微照片；圖10和11所示為如圖7(c)所示制作的晶體管輸出和傳輸特性，晶體管的溝道長度分別為L＝20μm和L＝7μm；圖12所示為通過將甲醇液滴連續(xù)沉積在1.3μm厚的PVP柵電介質(zhì)層上而制作通孔的工藝的一種示意圖(a)Dektak縱斷面測繪圖和光學(xué)顯微照片(b)以及通孔外徑和內(nèi)徑與噴墨液滴直徑和PVP層厚度的依賴性(c)；圖13所示為用底部PEDOT電極和頂部電極測得的通過通孔的電流-電壓特征；圖14所示為制作通孔的不同方法；圖15所示為通孔的應(yīng)用，如邏輯轉(zhuǎn)換器(耗盡負(fù)載(a)、增強(qiáng)負(fù)載(b)和阻抗負(fù)載(c))和多能級互連方案(d)；圖16所示為如圖1(a)的增強(qiáng)負(fù)載轉(zhuǎn)換器電路的特征，該電路是由印刷的全聚合物TFT制作的，這兩個晶體管具有不同的W/L尺寸比例；圖17所示為可作為選擇的另一底部柵器件的配置；圖18所示為有源矩陣像素的示意圖，其中顯示器或存儲元件由電壓(a)或電流(b)控制；圖19所示為有源矩陣像素的可能配置；圖20所示為取向F8T2 TFT偏振光吸收；圖21所示為(a)具有通過印刷半導(dǎo)體和電介質(zhì)層制作的具有圖形的有源層島的聚合物TFT以及(b)被印刷的絕緣島分隔的兩個導(dǎo)電互連之間的重疊區(qū)域；圖22所示為由IJP互連的網(wǎng)路連接的晶體管器件矩陣，以制作用戶定義的電子電路。
在此描述的優(yōu)選制作方法準(zhǔn)許制作全部為有機(jī)的經(jīng)溶解加工的薄膜晶體管，其中所有的層均不轉(zhuǎn)換或交聯(lián)成不能溶解的形式。這種器件的每一層均保持在能在它沉積出的溶劑中溶解掉的形式，正如以下所要進(jìn)一步描述的那樣，能夠根據(jù)溶劑的局部沉積利用簡單的方式制作穿過電介質(zhì)絕緣層的通孔。例如，這種器件可包括以下元件中的一種或多種-具有圖形的導(dǎo)電源-漏和柵電極以及互連。
-半導(dǎo)體層，其電荷載流子遷移率超過0.01cm2/Vs，高開關(guān)電流轉(zhuǎn)換率超過104。
-薄的柵絕緣層。
-擴(kuò)散勢壘區(qū)層，其阻止半導(dǎo)體層和絕緣層不受雜質(zhì)和離子擴(kuò)散的偶然摻雜。
-表面改性層，憑借印刷技術(shù)它能使柵電極獲得高分辨率的圖形。
-貫穿電介質(zhì)層的互連的通孔。
然而，應(yīng)當(dāng)理解在此描述的方法并不局限于制作具有上述所有特點(diǎn)的器件。
參照圖1將描述第一個說明性的器件的制作。圖1的器件是配置得具有頂部柵結(jié)構(gòu)的薄膜場效應(yīng)晶體管(TFT)。
在干凈的7059玻璃襯底1上，源-漏電極2、3和在電極與接觸墊片(未示出)之間的互連線是通過噴墨印刷導(dǎo)體聚合物聚乙烯二羥基噻吩/聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT(0.5重量％)/PSS(0.8重量％))的溶液而沉積出的。其它的溶劑如甲醇、乙醇、異丙醇或丙酮也可加入以改變該油墨的表面張力、粘度和潤濕性。PEDOT/PSS可從Bayer商業(yè)購得(以“Baytron P”商標(biāo))。IJP打印機(jī)是壓電型的。它由一個精密的二維平移平臺和一個顯微鏡平臺裝配而成，能夠使前后印刷的圖形相互校準(zhǔn)。IJP頭由脈沖電壓驅(qū)動。噴射出每滴通常含0.4ng固體的液滴的合適驅(qū)動條件為脈沖高值為20V，上升時間為10μs，下降時間為10μs。在玻璃襯底上干燥后它們可形成PEDOT液滴，其直徑通常為50μm，厚度通常為500。
源-漏電極的IJP是在空氣中進(jìn)行的。然后這些樣品送到惰性氛圍的手套式操作箱系統(tǒng)中。然后襯底在有機(jī)溶劑中旋裝干燥，該溶劑將隨后用于沉積有源半導(dǎo)體層，如在聚芴聚合物的情況下為混合的二甲苯。接著在惰性氮?dú)夥諊掠?00℃退火20分鐘以除去殘余溶劑和PEDOT/PSS電極中的其它易揮發(fā)性物質(zhì)。然后通過旋轉(zhuǎn)涂覆沉積出200-1000厚的有源半導(dǎo)體聚合物4的薄膜。已經(jīng)使用了各種半導(dǎo)體聚合物，諸如區(qū)域規(guī)則(regioregular)的聚-3-已基噻吩(P3HT)，聚芴共聚物諸如聚-9，9’-二辛基芴-co-二芴(F8T2)。由于在空氣中沉積柵電極的過程中F8T2在空氣中顯示出優(yōu)良的穩(wěn)定性而成為優(yōu)選物質(zhì)。5-10mg/ml的F8T2的無水混合二甲苯(從Romil購買)溶液以1500-2000rpm旋轉(zhuǎn)涂覆。在P3HT的情況下使用1wt％的混合二甲苯的溶液。下面的PEDOT電極在非極性有機(jī)溶劑如二甲苯中是不溶的。然后薄膜在溶劑中旋裝干燥，該溶劑將隨后用于沉積柵絕緣層5，諸如異丙醇或甲醇。
隨后可以進(jìn)行退火步驟以增強(qiáng)半導(dǎo)體聚合物的電荷傳輸性能。對于在升高溫度時顯示液晶相的聚合物，在高于液晶轉(zhuǎn)換的溫度下進(jìn)行退火導(dǎo)致聚合物支鏈的方向相互平行。在F8T2情況下，可在惰性N2氛圍下，于275-285℃下退火5-20分鐘。然后試樣快速驟冷至室溫凍結(jié)聚合物支鏈的方向并制成非晶態(tài)玻璃。如果試樣制備在沒有校準(zhǔn)層的普通玻璃襯底上，那么聚合物采用多晶疇構(gòu)型，其中具有隨機(jī)取向的多種液晶晶疇存在于TFT溝道中。其中通過從液晶相驟冷而將F8T2制備成玻璃態(tài)的晶體管器件，顯示出的遷移率近似為5-10-3cm2/Vs，這比具有初紡(as-spun)F8T2薄膜的器件的遷移率高出一個數(shù)量級，如此沉積的器件也顯示出較高的接通電壓Vo。這是由于與其為部分晶相的同樣沉積相相比，在玻璃相中局域化電子捕獲態(tài)有更低的密度。
如果在單疇?wèi)B(tài)制備聚合物，使聚合物支鏈的單軸取向平行于晶體管溝道，那么通常還可以使遷移率提高3-5的一個因子。這可以通過涂覆具有適當(dāng)校準(zhǔn)層諸如經(jīng)機(jī)械摩擦的聚酰亞胺層(圖1(b)的9)的玻璃襯底獲得。在單疇?wèi)B(tài)，聚合物支鏈被單軸取向，平行于下面聚酰亞胺層的摩擦方向。這就導(dǎo)致了器件中的電荷載流子遷移率的進(jìn)一步增強(qiáng)，在該器件中TFT溝道平行于支鏈的取向方向。在我們共同未決的UK專利申請?zhí)?914489.1中更詳細(xì)地描述這種方法。
在半導(dǎo)體層沉積之后，柵絕緣層5是通過旋轉(zhuǎn)涂覆多羥基苯乙烯(也稱為聚乙烯苯(PVP))與極性溶劑的溶液而沉積的，在該溶劑中下面的半導(dǎo)體聚合物是不溶的。溶劑優(yōu)選為醇類物質(zhì)如甲醇、2-丙醇或丁醇，在這些溶劑中非極性聚合物如F8T2的溶解度極低且不膨脹。柵絕緣層的厚度在300nm(溶液濃度30mg/ml)和1.3μm(溶液濃度100mg/ml)之間。滿足溶解度需要的其他的絕緣聚合物和溶劑也是可以使用的，如聚乙烯醇(PVA)溶于水或聚-甲基-異丁烯酸(PMMA)溶于丁基醋酸酯或丙二醇甲基醚醋酸酯。
然后柵電極6沉積在柵絕緣層上。柵電極層可以直接沉積在柵絕緣層上(見圖1(c))或者可以有一個或多個中間層(見圖1(a)和(b))，例如由于表面改性、擴(kuò)散勢壘區(qū)或者加工原因，如溶劑的相容性。
為了制作圖1(c)的較為簡單的器件，PEDOT/PSS柵6可以直接印刷在PVP絕緣層5的頂部。襯底在大氣中再次轉(zhuǎn)變?yōu)镮JP狀態(tài)，此時的PEDOT/PSS柵電極圖形是從一種水溶液印刷得到的。下面的PVP柵絕緣層在水中的溶解度低，使得在印刷PEDOT/PSS柵電極的過程中柵電介質(zhì)能保持完好。盡管PVP含有大密度的極性羥基基團(tuán)，但由于強(qiáng)的非極性聚苯乙烯系列主鏈的存在，使得它在水中的溶解度低。類似地，PMMA在水中也是不溶的。圖2示出了IJP TFT的傳輸特性，該晶體管具有F8T2半導(dǎo)體層、PVP柵絕緣層、IJP PEDOT/PSS源-漏和柵電極，器件的特性是在氮?dú)夥諊聹y得的。顯示的是分別在柵電壓上升(向上的三角形)和下降(向下的三角形)時的連續(xù)測定值。這些特性屬于由一批最近制備(a)的和一批已經(jīng)一年(b)的PEDOT/PSS(Baytron P)制作的器件。晶體管的作用清晰可見，然而，該器件顯示出不尋常的正常開啟(normally-on)現(xiàn)象，正閾值電壓Vo＞10V，而由蒸發(fā)金的源-漏電極和柵電極制作的參照器件則顯示出正常關(guān)閉(normally-off)現(xiàn)象(Vo＜0)。在由“舊”的那批PEDOT制作的器件(圖2(b))中可觀測到強(qiáng)的滯后效應(yīng)，這是由于高濃度的遷移離子型雜質(zhì)造成的(見下文)。如果在深度耗盡(Vg＝+40V)的條件下開始掃描(sweep)，則晶體管在Vfo≈+20V時開啟(向上的三角形)。然而，在相反的條件下掃描(向下的三角形)，晶體管只在Vro＞+35V時關(guān)閉。
這種正常開啟現(xiàn)象和滯后效應(yīng)可能是離子種類在器件的一個層中擴(kuò)散造成的。不尋常的高的正電壓Vo表明離子是負(fù)的。希望正電物質(zhì)能用于補(bǔ)償積累層中的一些遷移電荷，并導(dǎo)致Vo向更高的負(fù)值偏移。為了確定離子物質(zhì)的起源而制作器件，其中頂部柵IJP PEDOT電極被蒸發(fā)的金電極替代，而其他層和PEDOT源/漏電極則如上述制得。發(fā)現(xiàn)在這種配置中，器件是正常關(guān)閉的并且顯示出穩(wěn)定的電壓閾值，這就意味著在全聚合物器件中摻雜和滯后效應(yīng)與導(dǎo)體聚合物頂部柵電極的溶液沉積、遷移的離子雜質(zhì)從PEDOT溶液/薄膜到器件下面的層的可能的擴(kuò)散有關(guān)。
發(fā)現(xiàn)通過將柵電極沉積到加熱的襯底上，有可能控制電壓的閾值和減小滯后量。這也減少了襯底上液滴的干燥時間。圖3(b)示出了一種TFT器件的傳輸特性，該器件的襯底在沉積柵電極時加熱到了50℃。在此可見滯后效應(yīng)遠(yuǎn)低于在室溫下沉積柵的滯后效應(yīng)(圖3b)，并且Vo具有相對較小的正值6V。通過控制沉積溫度，可將電壓閾值調(diào)至Vo＝1-20V的范圍。
圖1(c)所示的柵電極直接沉積到PVP層上的器件是耗盡型的。這種正常開啟現(xiàn)象對于耗盡型邏輯電路如簡易耗盡負(fù)載邏輯轉(zhuǎn)換器(圖14(a))是有益的。
為制作增強(qiáng)型正常關(guān)閉的TFT，通過結(jié)合擴(kuò)散勢壘區(qū)層可以防止柵沉積過程中的半導(dǎo)體的摻雜。在圖1(a)和(b)所示的器件中，非極性聚合物的薄層7在導(dǎo)體聚合物柵電極沉積之前沉積在PVP柵絕緣層的頂部。該層被認(rèn)為是阻止離子通過中等極性PVP絕緣體擴(kuò)散的擴(kuò)散勢壘區(qū)。PVP包含大密度的極性羥基類基團(tuán)，它們有助于提高離子通過薄膜的傳導(dǎo)率和擴(kuò)散率。已經(jīng)使用了幾種非極性聚合物，諸如聚-9，9’-二辛基芴(F8)、聚苯乙烯(PS)、聚(9，9’-二辛基芴-co-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)或F8T2。約為50-100nm的這些聚合物的薄膜可從諸如二甲苯的非極性有機(jī)溶劑的溶液中沉積在PVP柵絕緣層表面上，在此溶劑中PVP是不溶的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于低的潤濕性和大的接觸角，從水的極性溶液直接將PEDOT/PSS印刷在非極性擴(kuò)散勢壘區(qū)層的頂部或者中等極性聚合物如PMMA的頂部是成問題的。為解決該問題，可在非極性聚合物上沉積表面改性層8。該層提供了親水性表面而非疏水性表面，在此表面上更易于制作PEDOT/PSS。這能夠高分辨率地印刷柵電極的圖形。為制作表面改性層，可從異丙醇溶液中沉積出PVP薄層，在異丙醇溶液中下面的擴(kuò)散勢壘區(qū)層是不溶的。PVP層的厚度優(yōu)選低于50nm。在PVP的表面上高分辨率地印刷PEDOT/PSS是可能的。也可以使用另外的表面改性層。這包括皂類表面活性劑或含有親水和疏水官能團(tuán)的聚合物的薄層。這些分子將有助于相分離，親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)分別被吸引到下面的非極性聚合物的界面和自由面的界面。另一種可能是非極性擴(kuò)散勢壘區(qū)層的表面短暫暴露在適度的O2等離子體中而使表面呈現(xiàn)親水性。不會降低TFT器件性能的適當(dāng)?shù)入x子體的處理是暴露于13.5MHz的O2等離子體中，功率為50W持續(xù)12s。
如果柵電極是從一種極性低于水的溶劑諸如分子式包含醇類(異丙醇、甲醇等)的物質(zhì)中印刷出的，那么就不再需要非極性擴(kuò)散勢壘區(qū)上的表面改性層。
層順序的完整性依賴于聚合物材料從極性和非極性溶劑中的交替沉積。希望第一層在用于沉積第二層的溶劑中的溶解度低于每體積0.1％的重量，優(yōu)選低于每體積0.01％的重量。
溶劑相容性的判據(jù)可由Hildebrand溶解度參數(shù)來度量，根據(jù)此參數(shù)可以度量極性度(D.W.van Krevelen，聚合物性質(zhì)，Elsevier，Amsterdam(1990))。每種聚合物(溶劑)的溶解性能可由三個特性參數(shù)δd、δp、δh來描述，它們表征相互作用分散程度、極性、液態(tài)下聚合物(溶劑)分子之間的氫鍵相互作用。如果已知分子結(jié)構(gòu)，通過加算聚合物不同官能團(tuán)的貢獻(xiàn)，可以計算這些參數(shù)的值。對于多數(shù)通常的聚合物這些參數(shù)的值用表列出。通常δp和δd合并成δv2＝δd2+δp2。
混合自由能的表示ΔGm＝ΔHm-T·ΔSm，此處ΔSm＞0是混合熵，且ΔHm＝V·ΦP·ΦS·((δVP-δVS)2+(δhP-δhS)2)。(V體積；ΦP，ΦS混合物中聚合物(P)/溶劑(S)的體積分?jǐn)?shù))。從中希望聚合物(P)在溶劑(S)中溶解越好則ΔHm越小，即D＝((δVP-δVS)2+(δhP-δhS)2)1/2越小。作為一種近似的判據(jù)，如果相互作用參數(shù)D近似小于5，則聚合物能夠溶解在溶劑中。如果D在5-10之間，則常出現(xiàn)膨脹。如果D大于10，則聚合物在溶劑中基本不溶解，也不出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象。
為在經(jīng)溶液加工過的TFT器件中獲得足夠陡峭的界面，就需要每個聚合物層和緊鄰層的溶劑的各自的D值都應(yīng)該近似大于10。這對于半導(dǎo)體聚合物層和柵電介質(zhì)溶液尤其重要。就F8T2和異丙醇(丁基醋酸酯)而言，我們估計其D值約為16(12)。
就一些器件配置而言，整個多層結(jié)構(gòu)可由主要包含極性基團(tuán)并溶解在強(qiáng)極性溶劑如水中的聚合物以及僅含有少數(shù)或不含有任何極性基團(tuán)并溶解在非極性溶劑如二甲苯中的聚合物交替次序制得。在這種情況下，相互作用參數(shù)D是很大的，因?yàn)榫酆衔飳雍途o鄰層的溶劑δp具有差異。一種實(shí)例為晶體管器件，它包括強(qiáng)極性PEDOT/PSS源-漏電極，非極性半導(dǎo)體層如F8T2，強(qiáng)極性柵電介質(zhì)層如從水溶液中沉積的聚乙烯醇，非極性TFB擴(kuò)散勢壘區(qū)層，它也用作允許其后的層沉積的緩沖層，以及PEDOT/PSS柵電極。
然而，通常便利的是使非極性半導(dǎo)體層和極性柵電極層由單一電介質(zhì)層隔開。通過使用夾在強(qiáng)極性和非極性聚合物層之間的從中等極性溶劑沉積出的中等極性聚合物層，這種層的次序也是可能的。中等極性聚合物是一種包含極性和非極性基團(tuán)的聚合物，并且在強(qiáng)極性溶劑中是基本不溶解的。類似地，中等極性溶劑含有極性和非極性基團(tuán)，但基本不溶解非極性聚合物。根據(jù)溶解度參數(shù)，中等極性溶劑可以定義為其溶解度參數(shù)δh與下面聚合物的參數(shù)有極大不同的溶劑。在這種情況下，即使溶劑的極性溶解度參數(shù)δP(δV)與下面的聚合物層的相似，也可以避免膨脹現(xiàn)象(D值大)。中等極性聚合物可包含特征官能團(tuán)如羥基，從而使其能夠溶解在含有能被聚合物官能團(tuán)吸引的官能團(tuán)的溶劑中。這種吸引可能是氫鍵相互作用。聚合物的這種特性可用于提高其在中等極性溶劑中的溶解度，降低其在極性溶劑中的溶解度。中等極性聚合物的一種實(shí)例為夾在非極性半導(dǎo)體層和PEDOT/PSS柵電極層之間的PVP柵電介質(zhì)層(圖1c)。中等極性溶劑的一種實(shí)例為烷基醇如IPA(δh＝8；F8T2δh≈0)。
圖4所示為全聚合物F8T2 IJP TFT的輸出特性(a)和傳輸特性(b)，該TFT具有PVP柵絕緣層、F8擴(kuò)散勢壘區(qū)層和PVP表面改性層，如圖1(a)(L＝50μm)所示。在開啟電壓Vo≤0V時，該器件顯示出清晰的、接近理想的正常關(guān)閉的晶體管作用。在上壓(三角形向上)和下壓(三角形向下)掃描之間漂移的電壓閾值范圍≤1V。器件特征非常類似于在惰性氣體條件下制作的具有Au源-漏電極和柵電極的那些標(biāo)準(zhǔn)器件的特征。場效應(yīng)遷移率約為0.005-0.01cm2/Vs量級，在Vg＝0和-60V之間測得的開關(guān)電流比約為104-105。
已經(jīng)利用廣泛的非極性擴(kuò)散屏障層，如F8、TFB(圖5(a)所示為傳輸特性)、PS(圖5(b)所示為傳輸特性)以及F8T2制作了器件。在每種情況下，都可觀測到清晰的正常關(guān)閉現(xiàn)象、低滯后效應(yīng)和電壓閾值漂移，它們與具有金源-漏電極的參照器件的數(shù)量級相同。這就支持了非極性聚合物插入柵電極下阻障了離子雜質(zhì)在柵絕緣層溶液沉積過程中及其后的擴(kuò)散的解釋。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這能導(dǎo)致可重現(xiàn)的TFT電壓閾值和優(yōu)良的操作穩(wěn)定性。
與上述的耗盡型器件相比，包含擴(kuò)散勢壘區(qū)的正常關(guān)閉的器件是優(yōu)選的，這是因?yàn)楹笳哂捎谝种齐x子擴(kuò)散而顯示出更好的長期電壓閾值穩(wěn)定性和更好的長壽命。
對于半導(dǎo)體層，可以使用任何的能溶液加工的共軛聚合材料或顯示出超過10-3cm2/Vs，優(yōu)選超過10-2cm2/Vs的適當(dāng)?shù)膱鲂?yīng)遷移率的低聚材料。例如在H.E.Kater.材料化學(xué)7，369(1997)或Z.Bao，先進(jìn)材料12，227(2000)中可以查看到合適的材料。
制作具有高穩(wěn)定性和高開關(guān)電流比的印刷的TFT所需的一個重要條件是在加工和印刷步驟中，半導(dǎo)體材料對于空氣中的氧和水的無意摻雜表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性。已經(jīng)利用廣泛的半導(dǎo)體聚合物作為有源半導(dǎo)體層，諸如F8T2(見上)，或自混合二甲苯溶液中沉積的區(qū)域規(guī)則P3HT制作出印刷的TFT。在以檢測器件配置的形式在惰性氣體氛圍下制作的P3HT TFT的情況下，場效應(yīng)遷移率為0.05-0.1cm2/Vs，略高于在F8T2情況下的遷移率。然而，區(qū)域規(guī)則P3HT對于氧氣和/或水的摻雜是不穩(wěn)定的，從而導(dǎo)致了在大氣下印刷過程中薄膜傳導(dǎo)率的提高和低的開關(guān)電流比。這與P3HT相對較低的電離勢有關(guān)，IP≈4.9eV。對于P3HT，已經(jīng)證實(shí)了大于106的高開關(guān)電流比，但這需要在沉積后有還原除雜過程，如暴露在肼蒸汽中(H.Sirringhaus，等人，固態(tài)物理進(jìn)展39，101(1999))。然而，在上述的IJP TFT中，可以不實(shí)施這種后期加工的還原步驟，因?yàn)樗鼘?dǎo)致PEDOT電極的除雜并顯著降低它們的傳導(dǎo)率。因此，為了獲得高的電流開關(guān)比，使用對于氧或水的無意摻雜而具有優(yōu)良穩(wěn)定性的聚合物半導(dǎo)體是重要的。
為獲得具有優(yōu)良環(huán)境穩(wěn)定性和高遷移率，材料的優(yōu)選種類是含有按規(guī)則次序排列的A嵌段和B嵌段的A-B剛性桿狀嵌段共聚物。合適的A嵌段是結(jié)構(gòu)完整定義的，寬帶隙的梯形各部分(moieties)，作為均聚物具有大于5.5eV的高電離勢，并具有優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性。合適的A嵌段的實(shí)例為芴衍生物(US 5,777,070)、茚并芴衍生物(S.Setayesh，微分子33，2016(2000))、苯撐或梯形芴衍生物(J.Grimme等人，先進(jìn)材料7，292(1995))。合適的B嵌段是含有雜原子如硫或氮的窄帶隙的空穴遷移部分(moieties)，作為均聚物具有小于5.5eV的電離勢?？昭ㄟw移B嵌段的實(shí)例為噻吩衍生物或三芳基胺衍生物。B嵌段的作用是降低嵌段共聚物的電離勢。嵌段共聚物的電離勢優(yōu)選在4.9eV≤IP5.5eV范圍內(nèi)。這種共聚物的實(shí)例為F8T2(電離勢5.5eV)或TFB(US 5,777,070)。
其他合適的空穴遷移聚合物是電離勢大于5eV的聚噻吩衍生物的均聚物，如具有烷氧基或氟化支鏈的聚噻吩(R.D.McCullough，先進(jìn)材料10，93(1998))。
除了空穴遷移半導(dǎo)體聚合物，也可以使用能夠溶解的電子遷移材料。這需要高電子親合勢大于3eV，優(yōu)選大于3.5eV，以阻止殘余的大氣雜質(zhì)如氧氣來作為載流子陷阱。合適的材料可包括可溶液加工的電子遷移小分子半導(dǎo)體(H.E.Katz等人，自然404，478(2000))，或具有電子缺失的氟化支鏈的聚噻吩衍生物。具有結(jié)構(gòu)完整定義的梯形A嵌段和電子遷移的B嵌段的AB型嵌段共聚物也是合適的，A嵌段具有大于5.5eV的高電離勢，B嵌段提高了共聚物的電子親合勢，其值大于3eV，優(yōu)選大于3.5eV。A嵌段的實(shí)例為芴衍生物(US5,777,070)、茚并芴衍生物(S.Setayesh，微分子33，2016(2000))、苯撐或梯形芴衍生物(J.Grimme等人，先進(jìn)材料.7，292(1995))。電子遷移的B嵌段的實(shí)例為苯并噻二唑衍生物(US 5,777,070)、二萘嵌苯衍生物、鄰萘四甲酰二亞胺衍生物(H.E.Katz等人，自然404，478(2000))或氟化噻吩衍生物。
為了邏輯電路的操作快捷，晶體管的溝道長度L和源/漏與柵之間的重疊部分d應(yīng)盡可能的小，通常為幾個微米。最關(guān)鍵的尺寸是L，因?yàn)榫w管電路的運(yùn)轉(zhuǎn)速率近似與L-2成正比。這一點(diǎn)對于相對遷移率較低的半導(dǎo)體層而言是尤其重要。
如此高分辨率的圖形通過目前的噴墨印刷技術(shù)是不可能得到的，即使利用當(dāng)今水平的IJP技術(shù)(圖6)，目前的噴墨印刷技術(shù)也只局限于10-20μm的特征尺寸。如果需要更快捷的操作和特征的更密集封裝，那么就必須使用允許更精細(xì)的特征分辨率的技術(shù)。下述的這項技術(shù)使用油墨表面的相互作用以限定襯底表面上的噴墨液滴。這項技術(shù)能用于獲取比由常規(guī)噴墨印刷獲得的更小的溝道長度。
這種限定技術(shù)能用于允許沉積材料高分辨率地沉積到襯底上。襯底的表面是預(yù)處理過的，以便使它的選擇部分對于要沉積的材料呈現(xiàn)出相對的吸引和相對的排斥。例如，襯底可以預(yù)先具有圖形，以便在一些區(qū)域是部分疏水的而在另一些區(qū)域是部分親水的。在高分辨率和/或精確定位下進(jìn)行預(yù)制作圖形的步驟，可以精確地限定隨后的沉積。
在圖7中示出了預(yù)制作圖形的一種實(shí)施例。圖7說明了圖1(c)所示類型的但具有特別精巧的溝道長度L的器件的構(gòu)成。相似的部分與圖1(c)的編號相同。圖7(a)說明了預(yù)先具有圖形的襯底的一種制作方法。圖7(b)說明了在預(yù)先具有圖形的襯底上的印刷和油墨限制。
在源-漏電極2，3沉積前，薄的聚酰亞胺層10形成在玻璃片1上。這種聚酰亞胺層被精細(xì)地制作圖形，以便在形成這些源-漏電極的地方將它除去。除去步驟能通過光刻加工實(shí)現(xiàn)，以得到精確的特征分辨力和/或精確的定位。在這種加工的一個實(shí)例中，聚酰亞胺可以覆蓋上一層光致抗蝕劑11。光致抗蝕劑可由光刻繪制圖形，以在聚酰亞胺要被除去的地方將光致抗蝕劑除去。接著，用光致抗蝕劑抗蝕的技術(shù)將聚酰亞胺除去。然后將光致抗蝕劑除去，留下具有精確圖形的聚酰亞胺。選擇聚酰亞胺是因?yàn)樗南鄬κ杷?，而玻璃襯底則是相對親水的。在下一個步驟中，制作源-漏電極的PEDOT材料通過噴墨印刷沉積在親水性襯底區(qū)域12上。當(dāng)油墨液滴在玻璃襯底區(qū)域上擴(kuò)展而碰到疏水性聚酰亞胺區(qū)域10的邊緣時，油墨就被排斥并阻止流入疏水性表面區(qū)域。通過這種限制效應(yīng)可將油墨只沉積到親水性表面區(qū)域，并且可以限定具有小狹縫的高分辨率圖形和溝道長度小于10μm的晶體管(圖7(b))。
在圖7(a)中示出了一種加工方法的實(shí)例，通過該方法可以除去聚酰亞胺或者該方法可用于在除去聚酰亞胺之后增強(qiáng)相關(guān)的表面效應(yīng)。聚酰亞胺層10和光致抗蝕劑11暴露在氧等離子體中。氧等離子體刻蝕薄(500)聚酰亞胺層快于刻蝕厚(1.5μm)的光致抗蝕劑層。通過在除去光致抗蝕劑之前暴露于O2中，位于源-漏電極區(qū)域中的暴露的裸玻璃表面12被做得具有強(qiáng)的親水性。注意到在除去聚酰亞胺的過程中聚酰亞胺的表面被光致抗蝕劑保護(hù)而保持疏水性。
如果需要，通過另外暴露于CF4等離子體中聚酰亞胺表面能獲得更強(qiáng)的疏水性。CF4等離子體氟化聚酰亞胺表面，但不與親水性玻璃襯底發(fā)生作用。這種附加的等離子體處理可在除去光致抗蝕劑之前進(jìn)行，在這種情況下只有聚酰亞胺圖形10的側(cè)壁被氟化，或者在除去抗蝕劑之后進(jìn)行。
在水中PEDOT/PSS在O2等離子體處理的7059玻璃上的接觸角為θ玻璃≈20°，而在聚酰亞胺表面上的接觸角為θPI≈70°-80°，在水中PEDOT/PSS在氟化聚酰亞胺上的接觸角為120°。
當(dāng)PEDOT/PSS從水溶液中沉積到上述的預(yù)先具有圖形的聚酰亞胺層上時，即使溝道長度L僅為幾個微米，PEDOT/PSS油墨也被局限于源-漏電極區(qū)域內(nèi)(圖7(b))。
為了利于油墨液滴的限定，油墨液滴的動能應(yīng)保持的盡可能小。液滴的尺寸越大則動能越大，同時油墨液滴“不顧”親水性限制結(jié)構(gòu)并溢流進(jìn)鄰近親水性區(qū)域的幾率也越大。
油墨液滴13優(yōu)選沉積到親水性襯底區(qū)域12上，液滴中心與聚酰亞胺邊界之間的距離為d。一方面d必須足夠小，使得擴(kuò)展的油墨能達(dá)到邊界，同時PEDOT薄膜向四周延伸直到聚酰亞胺邊界。另一方面，d必須足夠大，使得快速擴(kuò)展的涂料不會“溢出”到疏水性表面區(qū)域。這將提高PEDOT沉積在限定TFT溝道的聚酰亞胺區(qū)域10頂部上的風(fēng)險，并且能導(dǎo)致源和漏電極之間的短路。對于固體含量為0.4ng的PEDOT液滴，其在兩個連續(xù)液滴之間的橫向節(jié)距為12.5μm時沉積到O2等離子體處理過的7059玻璃上，發(fā)現(xiàn)d≈30-40μm是合適的。d的最佳值取決于在表面上和沉積節(jié)距上的潤濕性，(沉積節(jié)距為相繼沉積液滴間的橫向距離)，液滴沉積的頻率和溶液的干燥時間。
限定晶體管的溝道長度的疏水性界限層也可以提供第二功能性。它可以作為校準(zhǔn)模板用于晶體管溝道中半導(dǎo)體聚合物隨后的沉積。聚酰亞胺層10可經(jīng)機(jī)械磨面或光對準(zhǔn)后可以用作校準(zhǔn)層9(圖1(b))來提供液晶半導(dǎo)體聚合物4的單疇校準(zhǔn)。
柵電極6能由具有圖形的層14類似地加以限制，該層制作在柵絕緣層5頂部上，它為柵電極沉積出的溶液提供吸引和排斥表面區(qū)域。相對于源-漏圖形可校準(zhǔn)具有圖形的層6，以將源/漏電極和柵電極間的重疊減至最小(圖7(c))。
除了聚酰亞胺其他的材料可用于預(yù)先具有圖形的層。除光刻法之外也可使用其他的預(yù)先精確制作圖形的技術(shù)。
圖8論證了相對的疏水層和親水層的結(jié)構(gòu)限制噴墨印刷沉積的液體“油墨”的能力。圖8示出了襯底的光學(xué)顯微照片，包括已經(jīng)經(jīng)上述處理為相對疏水的聚酰亞胺10的薄條以及已經(jīng)經(jīng)上述處理為相對親水的裸露玻璃襯底12的較大區(qū)域。通過噴墨印刷在靠近條10的線2和3中運(yùn)行的一系列液滴已經(jīng)沉積出源和漏電極的PEDOT材料。盡管噴墨的材料表現(xiàn)出了低的對比度，但是可以從沉積材料的端面2和3的突出的尖端形狀中看見它，該沉積的材料已經(jīng)被條10限定了，即使條的厚度下至L＝5μm。
圖9示出了在聚酰亞胺條10的附近噴墨沉積處理的照片。該圖像是用安裝在透明襯底下面的頻閃觀測照相機(jī)拍攝的。聚酰亞胺圖形10的邊緣可以看作白色的線。油墨液滴21從油墨噴頭20的噴嘴中噴射出，落下的位置為它們的中心距聚酰亞胺條10的距離為d。這樣的圖像可以相對于條圖形10用來噴墨沉積的精確的局部校準(zhǔn)，并且也可用來自動進(jìn)行使用圖形識別的局部校準(zhǔn)程序(看下文)。
圖10和11示出了如圖7(c)中形成的晶體管的輸出和傳輸特征，該晶體管分別具有20μm和7μm的溝道長度L，并且憑借上述的不同潤濕處理對其進(jìn)行限定。在這兩種情況下溝道寬度W為3mm。圖10(a)示出了20μm器件的輸出特征。圖10(b)示出了7μm器件的輸出特征。圖11(a)示出了20μm器件的傳輸特征。圖11(b)示出了7μm器件的傳輸特征。7μm器件示出了特征的短溝道行為，在小的源-漏電壓時具有減小的電流，并在飽和段具有有限的輸出電導(dǎo)。短溝道器件的遷移率和開關(guān)電流比與上述的長溝道器件的相似，既μ＝0.005-0.01cm2/Vs以及I開/I關(guān)＝104-105。
油墨的限制是疏水和親水表面上的潤濕性質(zhì)差異的結(jié)果，并不需要存在地形分布。在上述的實(shí)施例中，聚酰亞胺膜可以制作的非常薄(500)，這比處于液相的油墨液滴的尺寸(幾個微米)還要薄。因此，可以使用制作襯底預(yù)先圖形的另一技術(shù)，諸如具有圖形的自組裝單層(SAM)的玻璃襯底的表面的官能作用，該SAM例如為含有疏水烴基或者諸如三氟丙基-三甲氧基硅烷的氟基團(tuán)或者諸如烷氧基基團(tuán)的極性基團(tuán)的SAM。通過合適的技術(shù)諸如通過遮光板的UV光的曝光(H.Sugimura等人，Langmuie 2000，885(2000))或者微接觸印刷(Brittain等人，物理世界，1998年5月，31頁)可以制作該SAM的圖形。
由于在沉積TFT的層之前進(jìn)行了預(yù)先圖形的制作，因此襯底的預(yù)先圖形的制作很容易地與上述的加工流程相符。因此，可以使用廣泛的圖形制作和印刷技術(shù)來產(chǎn)生高分辨率的預(yù)先圖形，而沒有有源聚合物層降解的風(fēng)險。
在沉積柵電極之前相似的技術(shù)可以應(yīng)用于制作柵絕緣層的表面或者表面改性層的預(yù)先圖形，以得到小的疊加電容。如圖7(c)所示，柵電極6可被具有圖形的層14限定。這種預(yù)先圖形的一種可能的實(shí)施例為微接觸或者UV光刻包含氯硅烷或者甲氧基硅烷基團(tuán)諸如十八烷基三氯硅烷的自組裝單層(SAM)。這些分子在SiO2或者玻璃襯底上形成穩(wěn)定的單層，在襯底上它們以化學(xué)鍵結(jié)合極性表面上的羥基基團(tuán)，使表面呈現(xiàn)出疏水性。我們發(fā)現(xiàn)在諸如PVP或者PMMA的柵電介質(zhì)聚合物的表面也能形成相似的單層。認(rèn)為這是由于這些分子與PVP表面上的羥基基團(tuán)的結(jié)合造成的。通過軟光刻沖壓可以很容易地限定表面自由能圖形，它包含精細(xì)的親水線，這些線與被SAM涂覆的疏水區(qū)域包圍的源-漏電極具有確定的較小的重疊。沖壓可以在光學(xué)顯微鏡或者掩膜對準(zhǔn)器下進(jìn)行，以相對于下面的源-漏電極對準(zhǔn)沖壓圖形。當(dāng)導(dǎo)電的水基聚合物油墨被沉積在上面時，沉積物被限定為由自組裝單層定義的精細(xì)的親水線。這樣，在沒有制作圖形的柵電介質(zhì)層上可以得到比正常線寬還要小的線寬。這就導(dǎo)致了源/漏-柵疊加電容的下降。
在具有預(yù)先圖形的襯底的幫助下，在此描述的TFT和通孔制作方法的基礎(chǔ)上能夠制作高速邏輯電路。
制作大面積的晶體管電路的一個關(guān)鍵條件是相對于襯底上的圖形來定位和排列沉積物。在面積大了會出現(xiàn)扭曲的彈性襯底上得到足夠的定位是非常困難的。如果在隨后的制作圖形的步驟中襯底扭曲，在光刻處理過程中的下一個掩膜層將不再與下面的圖形重疊。在這里提出的高分辨率噴墨印刷方法適合于即使在塑料襯底上也能得到大面積的精確定位，這是由于相對襯底上的圖形可以局部調(diào)整油墨噴頭的位置(圖9)。使用圖形識別技術(shù)可以自動進(jìn)行該局部排列過程，該技術(shù)使用如圖9的圖像結(jié)合反饋裝置來校正油墨噴頭的位置。
為了制作使用上述類型的器件的多重晶體管集成電路，需要通孔互連能夠直接貫串器件的厚度。這就使得這樣的電路能夠制作得特別緊密。制作這種互連的一種方法是使用通過溶劑形成的通孔，如現(xiàn)在就要描述的。該方法利用上述的TFT的溶液處理的層都沒有轉(zhuǎn)換成不能溶解的形式的事實(shí)。這就使得通過局部沉積溶劑而打開通孔。
為了制作溶劑形成的通孔(圖12(a))，一些合適量的溶劑29被局部沉積在形成的通孔貫串的這些層的上面。選擇溶劑使得它能夠溶解下面的層，形成的通孔要貫串下面的這些層。通過逐步的溶解，溶劑滲透穿過這些層直到形成通孔。溶解的材料被沉積在通孔的側(cè)壁W上。對于單獨(dú)的應(yīng)用可以選擇溶劑的類型和沉積的方法。然而，三個優(yōu)選的方面為1.溶劑和加工條件為溶劑蒸發(fā)或者以別的方式很容易地除去使得它不影響隨后的處理并且不會引起器件的過多或不足的溶解；以及
2.溶劑被選擇的方法諸如IJP沉積，由此精確地控制溶劑的體積可以精確地應(yīng)用到襯底所需的位置上；以及3.通孔的直徑受溶劑液滴的表面張力和溶劑浸濕襯底的能力的影響；以及4.溶劑不溶解將制造電連接的下面的層。
圖12(a)示出了在圖1(c)示出的通常類型的部分形成的晶體管器件上甲醇溶劑(每滴含有20ng)的液滴29的沉積。圖12(a)的部分器件包括1.3μm厚的PVP絕緣層28、F8T2半導(dǎo)體層27、PEDOT電極層26和玻璃襯底25。在該實(shí)例中，需要形成穿過絕緣PVP層的通孔。選擇甲醇作為溶劑是因?yàn)樗軌蛉菀椎厝芙釶VP；因?yàn)樗軌蛉菀椎乇徽舭l(fā)掉而不妨礙隨后的處理；還因?yàn)樗鼘VP具有滿意的潤濕性。在實(shí)例中為了形成通孔，IJP印刷頭移動到襯底上想要形成通孔的位置。然后所需數(shù)量的合適尺寸的甲醇液滴從IJP頭中滴下，直到完成通孔。選擇液滴連續(xù)滴下的時間間隔，以與甲醇溶解器件的層的速率相符。在下一個液滴沉積之前每個液滴優(yōu)選被全部或幾乎全部蒸發(fā)掉。注意到在通孔到達(dá)底部的非極性半導(dǎo)體層時，停止刻蝕使得不除去下面的層。也可以使用其他的溶劑例如異丙醇、乙醇、丁醇或者丙酮。為了得到高產(chǎn)出量，希望通過沉積單一溶劑液滴的沉積完成通孔。對于300nm厚的薄膜和體積30pl和直徑50μm的液滴，這就需要溶劑中層的溶解度要高于每體積1-2％的重量。如果需要用單一液滴形成通孔那么較高的沸點(diǎn)也是需要的。在PVP的情況中，可以使用沸點(diǎn)為225℃的1，2-二甲基-2-咪唑烷酮(DMI)。
圖12(b)示出了將幾滴甲醇液滴依次滴在通孔位置上的效果。右面的平板示出了已經(jīng)滴下1、3和10滴液滴之后的器件的顯微照片。左面的平板顯示出了已經(jīng)形成的通孔兩側(cè)的相同器件的Dektak表面分布測量結(jié)果。(在每個平板中通常在位置“V”指出通孔的位置)。當(dāng)幾滴液滴依次沉積在相同的位置上時，在PVP薄膜中出現(xiàn)一個坑?？拥纳疃入S著連續(xù)液滴的作用而增加，在大約6滴之后露出下面的T8T2的表面。溶解的PVP材料沉積在通孔側(cè)面上的壁W中。通孔的直徑近似50μm，它受液滴的尺寸限制。這種尺寸適合于多種用途例如邏輯電路和大面積顯示器。
通孔的直徑由噴墨溶劑液滴的尺寸確定。經(jīng)觀測孔的直徑直接與液滴的直徑成正比(看圖12c)。側(cè)壁的外徑由第一液滴的尺寸和其擴(kuò)展確定，與溶解的聚合物層的厚度無關(guān)。側(cè)壁的內(nèi)徑隨著聚合物厚度的增加而減小。在需要即使很小的孔的應(yīng)用中，例如在高分辨率顯示器中，也可以使用很小的液滴尺寸，或者通過合適的技術(shù)可以對襯底表面進(jìn)行預(yù)先圖形的制作，以如上所述來限定表面上的液滴。也可以使用其他的溶劑。
從表面輪廓測量結(jié)果中可以看出通孔的形成引起了材料的溶解并轉(zhuǎn)移到通孔的邊緣，在溶劑蒸發(fā)后它保留在那里(在圖12(b)中以W指出)。應(yīng)當(dāng)注意轉(zhuǎn)移的材料是比圖12(b)示出的要平滑的形成物，圖12(b)的表面輪廓線的x軸和y軸刻度不同(x軸以μm為單位，y軸以為單位)。
形成通孔的機(jī)制即材料向側(cè)壁的移動被認(rèn)為是與已知的咖啡著色效應(yīng)相似，如果干燥包含溶質(zhì)的液滴的接觸線被固定住(pinning)那么就會發(fā)生這種效應(yīng)?？梢怨潭ㄗ∈怯捎诶绫砻娲植诨蛘呋瘜W(xué)不均勻性。注意到在溶解時好的溶劑沉積總是產(chǎn)生表面粗糙度。當(dāng)溶劑蒸發(fā)時，毛細(xì)流動發(fā)生以替換接觸線附近的溶劑蒸發(fā)。由于接觸線附近具有較大的表面對塊體的比例，因此在接觸線附近蒸發(fā)更多的溶劑。與通常的擴(kuò)散速度相比毛細(xì)流動速度大，使得溶質(zhì)被帶到液滴的邊緣，并且只在邊緣附近發(fā)生溶質(zhì)的沉積，而在干燥液滴的中心處不發(fā)生(R.D.Deegan等人，自然389，827(1997))。在干燥溶劑時溶質(zhì)的擴(kuò)散將趨于有利于整個區(qū)域上的聚合物的均勻再沉淀，而不是有利于形成側(cè)壁。理論預(yù)測毛細(xì)流動速度v(r)(r距中心的距離；R液滴半徑)與(R-r)-λ成正比，其中λ＝(π-2θc)/(2π-2θc)。因此，隨著λ增加V也增加，這就增加了接觸角θc。因而，接觸角越小在邊緣處的大量沉積發(fā)生的就越快。
為了打開通孔，下列這些是重要的(a)起始液滴的接觸線被固定住，(b)在要被溶解的聚合物頂部上的液滴的接觸角要足夠小，以及(c)溶劑的蒸發(fā)足夠快使得可以忽略聚合物溶質(zhì)的擴(kuò)散。在PVP上的IPA的情況中，接觸角近似12°，而液滴的干燥通常在1s之內(nèi)。
接觸角越小，液滴內(nèi)部的毛細(xì)流動速度越快，即將更加可靠地形成側(cè)壁。然而，另一方面，接觸角越小液滴直徑越大。因此存在一個最佳的接觸角來得到具有確定側(cè)壁的小直徑通孔。對于良好溶劑來說為了得到較大的接觸角，可以處理襯底的表面，例如利用對于溶劑具有較大排斥力的自組裝單層。自組裝單層可以具有圖形，例如為了將溶劑的沉積限定到小的區(qū)域中而提供疏水和親水表面區(qū)域。
通過控制滴下的溶劑的滴數(shù)，它們沉積的頻率以及溶劑蒸發(fā)的速率對比它們?nèi)芙庖r底的速率的組合可以控制通孔的深度和刻蝕速率。沉積發(fā)生的環(huán)境和襯底的溫度會影響蒸發(fā)速率。一層不溶于溶劑或者在溶劑中溶解很慢的材料可以用于限制溶解的深度。
由于TFT的層的順序由交替的極性和非極性層組成，因此能夠選擇溶劑和溶劑組合使得刻蝕停止在確定的深度上。
為了制作穿過通孔的接觸，導(dǎo)電層可以沉積在通孔上面，使得它延伸到通孔里面并與通孔底部的材料電連接。圖13(a)示出了圖12(a)示出的那種類型的器件，但是它包括在如制作上述通孔后形成的金電極25。
圖13以曲線30示出了底部PEDOT電極25和沉積在PVP柵絕緣層28頂上的導(dǎo)電電極29之間測量的電流電壓特征。通孔的直徑為50μm。為了比較，曲線31示出一個參照樣，其中在頂部和底部電極之間的重疊區(qū)域中沒有通孔。這些特征明顯地示出通過通孔的電流比沒有通孔時的通過柵絕緣體的漏電流大幾個數(shù)量級。如從進(jìn)行單獨(dú)PEDOT電極的導(dǎo)電測量中可以看出，通過通孔的測量電流被PEDOT電極的導(dǎo)電性限制。它不受通孔的電阻限制，使得可以從這些測量結(jié)果中得到通孔電阻Rv的較低的限制估計Rv＜500kΩ。
與圖12有關(guān)的上述形成通孔的方法可以直接應(yīng)用到?jīng)]有擴(kuò)散勢壘區(qū)的耗盡型器件(如圖1(c)中的)和應(yīng)用到打開通孔后沉積擴(kuò)散勢壘區(qū)的器件上。圖14(a)示出了一種器件，其中通孔已經(jīng)形成然后沉積柵電極但它們之間沒有擴(kuò)散勢壘區(qū)層。圖14(b)示出了一種相似的器件，其中在形成通孔后，擴(kuò)散勢壘區(qū)聚合物7在沉積柵電極6之前已經(jīng)形成。在這種情況下，擴(kuò)散勢壘區(qū)層需要具有良好的電荷傳輸性質(zhì)，以將通孔電阻Rv最小化。合適的擴(kuò)散勢壘區(qū)為如圖5(a)所示的TFB的薄層。
如果即使需要較低的接觸電阻，那么半導(dǎo)體層也可以在通孔的位置上被除去。這在形成擴(kuò)散勢壘區(qū)后進(jìn)行是優(yōu)選的。通過IJP沉積它們的良好溶劑諸如在該實(shí)例中為二甲苯，可以局部溶解擴(kuò)散勢壘區(qū)7和半導(dǎo)體聚合物4。通過混和半導(dǎo)體和絕緣材料的良好溶劑，這兩個層在同一時間都可以被溶解掉。在圖14(c)中示出了一種器件，其中這些已經(jīng)完成并且后面還沉積了柵電極。
通過增加溶劑混合物與要被溶解的層的接觸角，溶劑混合物可以用于減小通孔的直徑。
形成通孔互連然后沉積導(dǎo)電材料使其橋接的另一技術(shù)為局部沉積一種能夠局部改性下面的層襯底的材料，以便使它們呈現(xiàn)導(dǎo)電性。一種實(shí)例是局部IJP沉積一種含有流動摻雜劑的溶液，摻雜劑能夠擴(kuò)散到一個和幾個層中。這示出在圖14(d)中，在該圖中區(qū)域32所指的是通過用摻雜劑處理已經(jīng)呈現(xiàn)導(dǎo)電性的材料。摻雜劑可以為小的共軛分子，例如三芳基胺，如N，N′-二苯基-N，N′-雙(3-甲苯基)-(1，1′-二苯基)-4，4′-二胺(TPD)。關(guān)于溶劑情況，摻雜劑優(yōu)選地被傳送。
按照需要，例如對于圖15示出的邏輯反相器，穿過PVP電介質(zhì)層形成通孔的方法可以用于連接TFT的柵電極和下面的層中的源或漏電極。在許多邏輯晶體管電路中需要相似的通孔連接。圖16示出了用兩個如圖15(b)中的正常關(guān)閉晶體管器件形成的增強(qiáng)負(fù)載反相器器件的特征曲線。示出了對于兩個晶體管不同溝道寬度對溝道長度比例(W/L)的兩個反相器(曲線35比例為3∶1，曲線36比例為5∶1)?？梢钥闯?，在輸入電壓從邏輯低變化到邏輯高時，輸出電壓從邏輯高(-20V)變化到邏輯低(≈0V)狀態(tài)。反相器的增益即特征的最大斜度大于1，這是制作比較復(fù)雜的電路如環(huán)形振蕩器的必須條件。
上述的通孔可以用于提供不同層之間的相互連接線之間的電連接。對于復(fù)雜的電路來說需要多級相互連接的電路圖。這可以通過沉積相互連接系列72和從相容性溶劑中沉積出的不同電介質(zhì)層70、71制作完成(圖15(d))。通孔73可以以上述的方式形成，并且相互連接線提供刻蝕自動停止。
合適的電介質(zhì)材料的實(shí)例為極性聚合物(70)如PVP和非極性電介質(zhì)聚合物(71)如聚苯乙烯。這些也可以從極性和非極性溶劑中交替沉積出來。通過局部沉積各自電介質(zhì)層的良好溶劑可以打開通孔，而下面的電介質(zhì)層提供了刻蝕停止層。
在對于上述類型的器件選擇材料和沉積過程中，應(yīng)當(dāng)記住如果每層都是從基本不溶解緊挨著的下面的層的溶劑中沉積出來那么可以得到很大的利益。這樣通過溶液處理可以形成連續(xù)的層。簡化這樣的材料和加工步驟的一種方式是打算交替從極性和非極性溶劑中沉積出兩層和多層，如上述的層順序的例子示出的。這樣可以容易地形成包含可溶解的、導(dǎo)電的、半導(dǎo)體的和絕緣的各層的多層器件。這就防止了下面的層的溶解和膨脹問題。
上述的器件結(jié)構(gòu)、材料和方法只是說明性的。應(yīng)當(dāng)理解它們也可以變化。
也可以使用圖1示出的頂部電極配置之外的其他的器件配置。另一配置為圖17示出的比較標(biāo)準(zhǔn)的底部電極配置，其中如果需要的話結(jié)合擴(kuò)散勢壘區(qū)7和表面改性層8也是可能的。在圖17中相似的部分用圖1相同的號碼標(biāo)出。也可以使用具有不同層順序的其他器件配置。以相似的方式也可以形成晶體管之外的其他器件。
PEDOT/PSS可以被從溶液中沉積出的任何的導(dǎo)電聚合物代替。實(shí)例包括聚苯胺或者聚吡咯。然而，PEDOT/PSS具有一些有吸引力的特征，為(a)具有固有的低擴(kuò)散率的聚合摻雜劑(PSS)，(b)良好的熱穩(wěn)定性和在空氣中的穩(wěn)定性，以及(c)功函數(shù)≈5.1eV，它很好地匹配通?？昭▊鬏?shù)陌雽?dǎo)體聚合物的電離勢，允許有效的空穴電荷載流子注入。
特別是對于溝道長度＜10μm的短溝道的晶體管器件來說足夠的電荷載流子注入是至關(guān)重要的。在這樣的器件中，源-漏接觸電阻效應(yīng)會限制小的源-漏電壓的TFT電流(圖10(b))。在相當(dāng)?shù)臏系篱L度的器件中，發(fā)現(xiàn)從PEDOT源/漏電極中的注入要比從無機(jī)金電極中的注入更加有效。這就意味著具有很好地匹配半導(dǎo)體的電離勢的聚合物源-漏電極比無機(jī)電極材料優(yōu)選。
從水溶液(Baytron P)中沉積出來的PEDOT/PSS的電導(dǎo)率近似0.1-1S/cm量級。利用含有溶劑(Bayer CPP 105T，含有異丙醇和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))混合物的配方可以得到高達(dá)100S/cm的較高電導(dǎo)率。在后者的情況中，需要注意配方的溶劑組成與層順序的溶解度要求相適應(yīng)。對于需要較高電導(dǎo)率的應(yīng)用，也可以使用其他的導(dǎo)電聚合物或者經(jīng)溶液處理的無機(jī)導(dǎo)體例如液體中的金屬無機(jī)顆粒的膠體懸浮體。
在此描述的方法和器件并不局限于用溶液處理的聚合物制作的器件。TFT的一些導(dǎo)電電極和/或電路或顯示器(看下文)中的互連也可以從無機(jī)導(dǎo)體中形成，無機(jī)導(dǎo)體例如可以是通過印刷膠體懸浮液或者通過電鍍到預(yù)先具有圖形的襯底上沉積出的。在不是所有的層都從溶液中沉積出的器件中，器件的一個或多個PEDOT/PSS部分可以被不溶解的導(dǎo)電材料例如真空沉積的導(dǎo)體取代。
半導(dǎo)體層也可以被另一溶液處理的半導(dǎo)體材料代替?？赡艿牟牧习ň哂锌扇苄詡?cè)鏈的小的共軛分子(J.G.Laquindanum等人，美國化學(xué)世界.120，664(1998))，從溶液中自組裝的半導(dǎo)體有機(jī)-無機(jī)雜化材料(C.R.Kagan等人，科學(xué)286，946(1999))，或者溶液沉積的無機(jī)半導(dǎo)體例如CdSe納米顆粒(B.A.Ridley等人，科學(xué)286，746(1999))。
通過噴墨印刷之外的其他技術(shù)也可以對電極進(jìn)行制作圖形。合適的技術(shù)包括軟光刻印刷(J.A.Rogers等人，應(yīng)用物理快報75，1010(1999)；S.Brittain等人，物理世界1998年5月31頁)，絲網(wǎng)印刷(Z.Bao等人，化學(xué)材料9，12999(1997))，光刻圖形(參照WO 99/10939)或者電鍍，或者簡單浸涂具有疏水和親水表面區(qū)域的具有圖形的襯底。噴墨印刷被認(rèn)為是特別適合于大面積制作圖形并且具有良好的定位，特殊是對于彈性塑料襯底來說更是如此。
除了玻璃薄片，器件可以沉積在另外的襯底材料上，例如塑膠或者彈性塑料襯底例如聚乙醚砜。這樣的材料優(yōu)選以薄片的形式，優(yōu)選為聚合物材料的形式，并且可為透明和/或彈性的。
盡管器件和電路的所有的層和元件優(yōu)選由溶液處理和印刷技術(shù)沉積和制作圖形，但是一個或多個元件例如半導(dǎo)體層也可以由真空沉積技術(shù)沉積出和/或由光刻方法制作圖形。
諸如按上述制作的TFT的器件可為較復(fù)雜電路或器件的一部分，在該電路和器件中一個或多個這樣的器件可以集成在一起或與其他器件集成在一起。應(yīng)用實(shí)例包括邏輯電路和顯示器或存儲器的有源矩陣電路或者用戶定義的柵陣列電路。
邏輯電路的基本元件為圖15示出的反相器。如果襯底上所有的晶體管或者為耗盡型或者為積累型的，那么可能存在三種可能的配置。耗盡負(fù)載反相器(圖15(a))適合于正常開啟的器件，(圖1(c)和3)，增強(qiáng)負(fù)載配置(圖15(b))適用于正常關(guān)閉的晶體管(圖1(a/b)和4)。這兩種配置分別需要負(fù)載晶體管的柵電極和它的源和漏電極之間的通孔。另一配置為電阻負(fù)載反相器(圖15(c))。后一種器件可以通過印刷一種足夠長度和電導(dǎo)率的薄并且窄的PEDOT線而制作出，作為負(fù)載電阻器。通過減小PEDOT的電導(dǎo)率，例如通過增加PSS與PEDOT的比例，可以最小化電阻器線的長度。對于剛沉積的薄膜，PEDOT/(PEDOT+PSS)重量比為0.4的Baytron PPEDOT/PSS的電導(dǎo)率經(jīng)測量近似為0.2S/cm。通過在N2氛圍280℃溫度下退火20分鐘，電導(dǎo)率增加到2S/cm。通過用PSS稀釋溶液，電導(dǎo)率可以減小幾個數(shù)量級。對于PEDOT/(PEDOT+PSS)重量比為0.04，在280℃退火后電導(dǎo)率經(jīng)測量為10-3S/cm。電阻為50MΩ的電阻器是通過噴墨印刷寬度近似60μm長度500μm的PEDOT線制作出的。
已經(jīng)形成的不同的噴墨印刷元件即晶體管、通孔互連、電阻器、電容器和多層互連電路等可以集成在一起通過直接印刷和溶液處理的結(jié)合制作集成電路。噴墨印刷可以用于需要制作橫向圖形的所有處理步驟中。上述的簡單反相器電路為比較復(fù)雜的邏輯電路的構(gòu)件塊。
上述的經(jīng)溶液處理的TFT可以用作有源矩陣顯示器諸如液晶顯示器(LCD)或者電泳顯示器的象素開關(guān)晶體管(B.Comiskey等人，自然394，253(1998))，它的一個合適的電路示出在圖18(a)中；并用作發(fā)光二極管顯示器(H.Sirringhaus等人，科學(xué)280，1741(1998)，它的一個合適的電路示出在圖18(b)中；或者用作存儲器諸如隨機(jī)存取存儲器(RAM)的有源矩陣尋址元件。在圖18(a)和(b)中，晶體管T1和/或T2可以由上述的晶體管組成。部件40代表顯示器或者具有電流和電壓供應(yīng)墊(pad)的存儲元件。
在圖19中示出了控制LCD或電泳顯示器的電極上電壓的可能器件的配置實(shí)例，其中與圖1相似的部分用相同的號碼標(biāo)出。在圖19中的圖中(例如關(guān)于圖7、14和17)，柵絕緣層可以包括含有擴(kuò)散勢壘區(qū)和/或表面改性層的多層結(jié)構(gòu)，如圖1(a)。
參考圖18，TFT的源和柵電極2、3連接到有源矩陣的數(shù)據(jù)44和尋址43線，這兩個線可以由不同的導(dǎo)電材料做成，以得到較長長度上的足夠電導(dǎo)率。TFT的漏電極3也可以為象素電極41。象素電極可以由不同的導(dǎo)電材料做成，如圖19。在依靠電場的應(yīng)用而不是電荷載流子注入的器件中，不需要這個電極41直接與顯示元件40如液晶或電泳油墨等接觸。在這種配置中，被TFT和相互連接線占據(jù)的總的象素面積必須要小，以得到足夠的孔徑比并減小顯示元件40和數(shù)據(jù)以及尋址線43和44上的信號之間的潛在的串音。
圖19(b)中的配置較為復(fù)雜。然而，整個象素或者大部分的象素區(qū)域是可以用于TFT和相互連接線的，并且顯示元件被象素電極41屏蔽不受數(shù)據(jù)和尋址線44和43上的信號影響。這種配置的制作需要另外的電介質(zhì)層42和用導(dǎo)電材料45填充的通孔來連接象素電極41和TFT漏電極3。通過上述的程序可以制作通孔。
注意到在該配置中孔徑比可以最大化并可以接近100％。該配置也可以用于具有背光的顯示器諸如透射LCD顯示器，這是由于在這里制作的全聚合物TFT在可見光譜范圍內(nèi)是高度透明的。圖20示出了對T8F2聚合物TFT測量的光吸收譜，其中通過將液晶半導(dǎo)體聚合物沉積在摩擦的聚酰亞胺取向?qū)由暇酆衔镏ф湵粏屋S排列，該取向?qū)右灿米鞲叻直媛视∷⒌念A(yù)先構(gòu)圖層。可以看出，由于T8T2的相對較高的帶隙，這種器件在大部分的可見光譜范圍內(nèi)是高度透明的。如果使用半導(dǎo)體層例如F8或者TFB或者其他具有較高帶隙的多芴衍生物(US5777070)那么也可以得到更好的透明度。聚合物支鏈的取向?qū)е铝斯獾母飨虍愋?，使得平行于取向方?標(biāo)有 “||”的曲線)的偏振光比垂直于取向方向(標(biāo)有“⊥”的曲線)的偏振光被吸收的多。光的各向異性可以用于LCD顯示器中，以通過確定聚合物支鏈的取向方向平行于玻璃底板和背光之間的起偏鏡進(jìn)一步增加TFT的光透明度。如果F8T2層的厚度小于500，那么在偏振光下晶體管器件在可見光范圍內(nèi)幾乎是沒有顏色的。包括PEDOT的TFT的所有其他的層在可見光范圍內(nèi)具有低的光吸收。
半導(dǎo)體層的低的光吸收的另一優(yōu)點(diǎn)為減小了TFT特征對于可見光的光敏性。在非晶硅TFT的情況中，必須使用黑色矩陣來阻止光照射下的大的關(guān)閉電流。在具有寬帶隙半導(dǎo)體的聚合物TFT的情況中，不需要保護(hù)TFT免于受周圍光線和受顯示器背光的影響。
圖19(b)中的配置也比較適合于LED顯示器的驅(qū)動晶體管T1(圖18(b))，這是由于通過利用象素電極41下面的全部區(qū)域制作具有大的溝道寬度W的源-漏電極的相互交叉的陣列，它允許TFT的驅(qū)動電流增加。
另一方案，圖17的底部柵TFT配置也可以用于所有的上述應(yīng)用(圖19(c))。
制作有源矩陣電路的一個重要的技術(shù)問題是PEDOT/PSS TFT和象素電極2、3、6和金屬互連線43、44和41之間的接觸。由于它的強(qiáng)酸性，PEDOT/PSS不兼容許多的普通無機(jī)金屬例如鋁。接觸PEDOT/PSS時鋁容易氧化。一種可能的方案為從銦錫氧化物(ITO)或者鉭、鎢和其他難熔的金屬或者在這樣的環(huán)境中比較穩(wěn)定的另一種材料中制作互連線和象素電極43、44和41，或者使用合適的阻擋層。
在顯示器應(yīng)用的情況下，也需要如上所述通過印刷到圖19中的10標(biāo)出的預(yù)先圖形襯底上制作具有小溝道長度的TFT。
如果要被控制的象素元件不是顯示元件而是存儲元件例如電容器或者二極管，例如在動態(tài)隨機(jī)存取存儲器中的實(shí)例，那么對于有源矩陣晶體管開關(guān)也可以使用相似的器件配置。
除了導(dǎo)電電極，通過直接印刷方法例如絲網(wǎng)印刷或者IJP也可以制作TFT的其他的層的圖形。圖21(a)(其中與圖1相同的部分用相同的號碼標(biāo)記出)示出了一種器件，其中半導(dǎo)體層4的有源層島和柵絕緣層5可以被直接印刷。在這種情況下不需要通孔，但是通過直接印刷合適的柵電極圖形6可以形成連接。在尋址或者互連線43、44重疊電介質(zhì)聚合物46的厚的島的區(qū)域可以被印刷以提供電隔離(圖21(b))。
上述形成的多個器件可以形成在單個襯底上并被導(dǎo)電層互連。這些器件可以形成在單個層次或者多個層次上，一些器件形成在另一些器件的上面。通過使用上述的互連條和通孔可以形成特別緊密的電路布置。
通過噴墨印刷，在此提出的用于制作噴墨印刷的晶體管、通孔和互連線的技術(shù)可以用于制作集成電路?？梢允褂妙A(yù)制的含有疏水和親水表面區(qū)域陣列的襯底，這就限制晶體管的溝道長度和/或互連線的寬度。襯底還可以含有導(dǎo)電性強(qiáng)的金屬互連線。結(jié)合使用噴墨印刷和從溶液中沉積連續(xù)的層，晶體管器件的陣列被限定在定制的位置上，并具有定制的溝道寬度。然后通過使用噴墨印刷的通孔和導(dǎo)電線，形成晶體管對之間的電連接和合適的互連而制作集成電路。
預(yù)制作的襯底已經(jīng)包含一個或多個晶體管器件的元件也是可能的。襯底可以包含例如每個至少具有一個暴露電極的完全無機(jī)的晶體管器件的陣列。在這種情況下，集成電路的制作會包括晶體管對之間的電連接的形成以及使用噴墨印刷的通孔、互連線和隔離墊的單層或多層電路的沉積(見圖15(d))。
除了晶體管器件，電路還可包括其他的有源和無源元件如顯示器或者存儲器元件或者電容或電阻元件。
使用上述的技術(shù)，憑借基于溶液的處理可以形成具有多個晶體管的單元然后被配置用于隨后的特殊應(yīng)用。例如，具有多個如圖1(a)、(b)或(c)示出的以柵陣列形式的這種類型的晶體管50的襯底，例如可以被制作在塑料薄片上(圖22)。其他的器件諸如二極管或電容器也可以形成在這個薄片上。然后這個薄片可以放置在噴墨印刷機(jī)中，該印刷機(jī)對于形成通孔52的合適溶劑(例如甲醇)和形成導(dǎo)電軌跡53和填充通孔的合適的材料(例如PEDOT)具有印刷頭。噴墨印刷機(jī)可以在合適的編程計算機(jī)的控制下已知薄片上的晶體管的位置和配置而工作。然后，通過結(jié)合通孔形成和互連步驟，通過以所需的方式互連晶體管，噴墨打印頭可以配置電路來執(zhí)行所需的電子或者邏輯功能。因此該技術(shù)允許使用小的廉價的裝置形成襯底上的特殊邏輯電路。
這種電路應(yīng)用的一個實(shí)例為印刷有效電子票、行李和識別標(biāo)簽。票或者標(biāo)簽印刷設(shè)備可以裝載多個非配置的單元，每個單元包括帶有多個晶體管的襯底。票印刷設(shè)備包括計算機(jī)，它能夠如上述來控制噴墨印刷頭并且它能夠確定電子電路，該電路指示為票的有效功能。當(dāng)需要印刷票時，通過印刷通孔和/或?qū)щ姴牧?，印刷設(shè)備為合適的電子電路配置襯底，使得襯底上的晶體管被合適地配置。襯底然后被封裝，例如用粘性塑料薄片密封，留下電連接端54、55暴露出來。然后票被分發(fā)出去。當(dāng)要驗(yàn)證票時，輸入信號被施加到一個或多個輸入端并監(jiān)視在一個或多個輸出端的電路的輸出，以驗(yàn)證它的功能。票可以優(yōu)選印刷在彈性塑料襯底上以便利地使用。
用相似的方式可以制作除了定價和標(biāo)記目的之外的用戶定義的電路。通過使用例如無線電頻率輻射的遠(yuǎn)端探測可以進(jìn)行電路的驗(yàn)證和讀取(物理世界1999年3月31頁)。
與工廠設(shè)計的電路相比，終端用戶通過將合適的連接簡單噴墨印刷到標(biāo)準(zhǔn)陣列上而限定電路的能力提供了顯著增加的靈活性。
本發(fā)明并不局限于先前的實(shí)例。本發(fā)明的方面包括在此描述的所有的新穎和/或創(chuàng)造性方面以及在此描述的所有新穎和/或創(chuàng)造性的特征組合。
本申請人提醒對本發(fā)明可以暗含或者明白地包括在此描述的任何特征或者特征組合或者任何的一般化，不限制上述列出的任何確定的范圍。考慮到先前的描述，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的范圍基礎(chǔ)上可以進(jìn)行多種修改。
權(quán)利要求
1.一種形成電子器件的方法，包括形成第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上形成一系列的至少一個絕緣層和至少一個半導(dǎo)體層；在絕緣層的局域化區(qū)域局部沉積溶劑以溶解該區(qū)域中的系列絕緣層和半導(dǎo)體層而留下穿過這些系列層的孔隙；以及將導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沉積在孔隙中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的溶劑是同時沉積的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的溶劑是順序沉積的。
4.一種形成電子器件的方法，包括形成第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上形成能夠溶解的絕緣層；在絕緣層的局域化區(qū)域上局部沉積一種溶劑以便溶解此區(qū)域中的第一絕緣層而留下貫穿此絕緣層的孔隙；以及將導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沉積在孔隙中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何權(quán)利要求所述的方法，其中第一層基本不溶于所述一種或多種溶劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中第一層包括一種半導(dǎo)體共軛聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中第一層包括F8T2或TFB。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任何權(quán)利要求所述的方法，其中第一層為電子器件的有源層。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任何權(quán)利要求所述的方法，包括在第一層下面沉積導(dǎo)體層的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中導(dǎo)體層為電子器件的電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中第一層包括一種導(dǎo)電共軛聚合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述一種或多種溶劑的體積大于溶解該區(qū)域中的系列絕緣和半導(dǎo)體層所需溶劑的體積。
13.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，包括在這一系列的絕緣和半導(dǎo)體層或者絕緣層上形成另一導(dǎo)電或半導(dǎo)體層并與孔隙中的材料相接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層形成電極或互連。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中另一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層形成電極或互連。
16.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中所述一種或多種溶劑是通過噴墨印刷沉積出的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述一種或多種溶劑是作為單一液滴通過噴墨印刷沉積出的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述一種或多種溶劑是作為多個液滴通過噴墨印刷沉積出的。
19.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中所述溶劑或所述溶劑混合物的沸點(diǎn)高于80℃。
20.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中所述溶劑或所述溶劑混合物的沸點(diǎn)高于100℃。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任何權(quán)利要求所述的方法，其中所述溶劑或所述溶劑混合物的沸點(diǎn)低于100℃。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或者直接或間接從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求5至20中任何權(quán)利要求所述的方法，其中所述的每一層在所述的一種或多種溶劑中都具有大于每體積1個重量百分比的溶解度。
23.根據(jù)權(quán)利要求1或者直接或間接從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求5至20中任何權(quán)利要求所述的方法，其中所述的每一層在所述的一種或多種溶劑中都具有大于每體積2個重量百分比的溶解度。
24.根據(jù)權(quán)利要求4或者直接或間接從屬于權(quán)利要求4的權(quán)利要求5至20中任何權(quán)利要求所述的方法，其中第一絕緣層在所述溶劑中具有大于每體積1個重量百分比的溶解度。
25.根據(jù)權(quán)利要求4或者直接或間接從屬于權(quán)利要求4的權(quán)利要求5至20中任何權(quán)利要求所述的方法，其中第一絕緣層在所述溶劑中具有大于每體積2個重量百分比的溶解度。
26.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中沉積的溶劑的體積小于50pl。
27.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中沉積的溶劑的體積小于20pl。
28.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中沉積的溶劑的體積小于5pl。
29.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中沉積的溶劑在要溶解的聚合物層上的接觸角大于5°，但小于90°。
30.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中沉積的溶劑在要溶解的聚合物層上的接觸角大于20°，但小于90°。
31.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中沉積的溶劑在要溶解的聚合物層上的接觸角大于50°，但小于90°。
32.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中要溶解的聚合物層的表面是經(jīng)過處理的，以便對沉積的溶劑液滴提供更大的排斥力。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中表面處理是由自組裝單層的沉積提供的。
34.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中電子器件為晶體管，沉積在孔隙中的材料形成電極之間的通孔互連和/或器件不同層中的互連線。
35.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中溶劑或各溶劑中的一種是一種醇。
36.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中溶劑或各溶劑中的一種是IPA或甲醇。
37.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，包括形成限制結(jié)構(gòu)并借助它的潤濕特性限制溶劑或多種溶劑于局部區(qū)域的步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中限制結(jié)構(gòu)由自組裝單層提供。
39.一種形成電子器件的方法，包括形成第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層；在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上形成一系列的絕緣和半導(dǎo)體層；在絕緣層的局域化區(qū)域上從溶液中局部沉積一種擴(kuò)散的摻雜劑以便改性該區(qū)域中的絕緣和半導(dǎo)體層，從而形成貫穿這一系列層的導(dǎo)電材料的溝道。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中擴(kuò)散摻雜劑是通過噴墨印刷沉積出的。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的方法，其中電子器件為晶體管，并且所述溝道形成電極之間的通孔互連和/或器件不同層中的互連線。
42.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中絕緣層包括PVP。
43.根據(jù)先前任何權(quán)利要求所述的方法，其中絕緣層和緊鄰其下的一個層中的一個溶于極性溶劑，絕緣層和緊鄰其下的一個層中的另一個溶于非極性溶劑。
44.一種電子器件，根據(jù)以上權(quán)利要求的方法形成。
45.一種邏輯電路、顯示器或存儲器件，包括根據(jù)權(quán)利要求44所述的多個器件。
46.一種邏輯電路，包括相互連接的根據(jù)權(quán)利要求44所述的多個器件以執(zhí)行邏輯功能。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的邏輯電路，其中憑借孔隙內(nèi)的導(dǎo)電材料器件的至少第一個與器件的另一個連接，該孔隙是貫穿器件的第一個的至少一個層形成的。
48.一種顯示器件，包括可被權(quán)利要求44所述的電子器件轉(zhuǎn)換的光有源區(qū)域，憑借孔隙中的導(dǎo)體材料該電子器件被耦合到光有源區(qū)域上，該孔隙是貫穿器件的至少一個層形成的。
49.一種電子器件，具有多個電介質(zhì)層并由權(quán)利要求1至43中任何權(quán)利要求所述的方法形成，以便具有穿過至少一個電介質(zhì)層的孔隙，該器件包括被所述的電介質(zhì)層之一空間分開的各個互連層，其中憑借位于孔隙內(nèi)的導(dǎo)電材料在一個層中的至少一個互連被電連接到另一層中的一個互連上。
全文摘要
一種形成電子器件的方法，包括形成第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層，在第一導(dǎo)體或半導(dǎo)體層上制作一系列的至少一個絕緣層和至少一個半導(dǎo)體層；在絕緣層的部分區(qū)域局部沉積溶劑以溶解該區(qū)域中的系列絕緣層和半導(dǎo)體層而留下穿過這些層的孔隙；并將導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沉積在孔隙中。
文檔編號H01L29/786GK1425203SQ00818590
公開日2003年6月18日 申請日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月21日
發(fā)明者翰寧·瑟林浩斯, 理查德·H·費(fèi)萊恩德, 塔克·卡瓦斯 申請人:造型邏輯有限公司