專利名稱：有機(jī)場效應(yīng)管的取向?qū)蛹捌湫纬煞椒ê蛻?yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)場效應(yīng)管(OFET)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有優(yōu)良取向特性的取向?qū)蛹捌浞墙佑|式制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
所謂場效應(yīng)管(FET)，就是利用柵極電壓的大小來調(diào)節(jié)源漏電極間的載流子密度，從而控制溝道電流的通斷，形成場效應(yīng)管所特有的開關(guān)特性。有機(jī)場效應(yīng)管(OFET)是用有機(jī)材料充當(dāng)絕緣層和傳輸層的半導(dǎo)體器件，原理與無機(jī)場效應(yīng)管基本一致。但相比無機(jī)半導(dǎo)體器件而言，卻具有工藝簡單、成本低廉、可制成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，通過不斷的研究，有機(jī)場效應(yīng)管器件的性能正在不斷提高[1，2]。場效應(yīng)管器件性能的主要衡量參數(shù)是載流子遷移率。目前有機(jī)器件與無機(jī)非晶硅器件相比較，其遷移率性能已經(jīng)非常相近，但是要達(dá)到取代無機(jī)器件，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還必須進(jìn)一步提高性能，自從第一個(gè)有機(jī)場效應(yīng)管誕生[3]以來，其性能的提高多依賴于材料的選擇和器件的結(jié)構(gòu)，到最近幾年已有遷移率達(dá)到1cm2/V·s左右的水平，也有文獻(xiàn)報(bào)道可以從成膜角度提高器件遷移率，1999年發(fā)表在Nature上的一篇文章[4]，從P3HT分子排列角度分析了分子排列方式對載流子遷移和器件性能的影響，從中我們可以發(fā)現(xiàn)分子取向?qū)τ谄骷阅苡泻艽蟪潭鹊挠绊憽＿@也是目前研究的熱門領(lǐng)域。
眾所周知，目前在液晶顯示器(LCD)領(lǐng)域，液晶分子取向技術(shù)已經(jīng)非常成熟，對液晶分子的取向可以通過多種方式，其中較成熟的摩擦取向法[5]和光取向法[6]，也有關(guān)于使用離子束取向的方法[7]。摩擦取向法可能會對器件表面產(chǎn)生損傷和污染，同時(shí)摩擦產(chǎn)生的靜電荷存在將導(dǎo)致器件擊穿而造成器件物理失效，會嚴(yán)重影響OFET的電學(xué)性能。并且，接觸式操作所帶來的灰塵和斷片的污染，必須通過清洗去除，這不僅使操作繁瑣，更提高了成本。與摩擦取向法相比，光取向法屬于非接觸式取向技術(shù)，不會對器件造成以上影響，但與摩擦取向法相比，取向強(qiáng)度較弱、取向效果不明顯[8]。
參考文獻(xiàn)[1]A.Tsumura，H.Koezuka，and T.Ando，Appl.Phys.Lett.49，1210(1986). Y.Y.Lin，D.J.Gundlach，S.F. Nelson，and T.N.Jackson，IEEE Electron Device Lett.18，606(1997). H.Koezuka，A.Tsumura and T.Ando.Synth.Met.18，699(1987). H.Sirringhaus，P.J.Brown，R.H.Friend，M.M.Nielsen，Nature，401，685(1999). Kim Young-Ho，US2001017682. N.Kazuto，O.Shinji，EP1004923. H.-C.Lai，US20030150382. D.S.Seo，C.H.Lee，Mol.Cryst.and Liq.Cryst.329 867(1999). J.P.Doyle，P.Chaudhari，J.L.Lacey，Nucl.Instr.And Meth.In Phys.Res.B206，467(2003).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于(a)提供一種用于有機(jī)場效應(yīng)管的具有優(yōu)良取向特性的取向?qū)樱?b)提供一種形成該種取向?qū)拥姆椒ǎ?c)提供一種以該種取向?qū)幼鳛榻^緣層的在有機(jī)場效應(yīng)管(OFET)中的應(yīng)用。
本發(fā)明提供的用于有機(jī)場效應(yīng)管的具有優(yōu)良取向特性的取向?qū)?，其材料包括聚酰亞?PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等有機(jī)聚合物，以及類金剛石等無機(jī)物，其表面經(jīng)由離子束轟擊取向處理，并用真空蒸鍍、旋涂、噴墨等各種方式形成有具有良好取向特性的有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層。
上述取向?qū)又械挠袡C(jī)半導(dǎo)體傳輸層的材料可采用并五苯、寡聚噻吩等有機(jī)半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明提供的用來形成上述取向?qū)拥姆椒?，包括以下步驟(a)在一個(gè)基板上形成一個(gè)由所述材料組成、可進(jìn)行離子束轟擊的薄膜，該基板由襯底和ITO(氧化銦錫)鍍膜組成；(b)在該薄膜的表面上用離子束轟擊，進(jìn)行取向處理(如圖2)；(c)在該取向?qū)颖砻嫘纬捎袡C(jī)半導(dǎo)體傳輸層，以改善有機(jī)傳輸層的分子取向(如圖3)，該有機(jī)半導(dǎo)體層可采用蒸鍍、旋涂或噴墨等多種方式形成。
上述方法中，采用離子束轟擊進(jìn)行取向處理時(shí)，離子束能量范圍控制在50-500eV之間；離子束轟擊的入射角度為15-80°，以保證器件表面能受到離子束均勻轟擊；真空腔的真空度為10-3-10-8Pa，離子束注入的計(jì)量范圍為1014-10-15ions/cm2。
離子束源和基板均置于真空腔內(nèi)。
本發(fā)明提供的以上述取向?qū)涌勺鳛榻^緣層在有機(jī)場效應(yīng)管中得以應(yīng)用，該器件結(jié)構(gòu)由以下各部分組成(a)基板，通常由玻璃基板或PET等柔性襯底和ITO(氧化銦錫)透明導(dǎo)電薄膜組成；(b)在基板的ITO膜上通過光刻等手段形成的柵極圖形；
(c)在柵極之上為由上述材料組成的絕緣層，通過離子束轟擊在絕緣層上產(chǎn)生表面各向異性；(d)在該絕緣層上有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層。該傳輸層可通過各種方式成膜，然后經(jīng)過加熱促進(jìn)其分子配向而形成。此有機(jī)半導(dǎo)體聚合物有較寬的液晶相溫度，即較高的TNI溫度；(e)在此之上形成有源極和漏極，封裝之后，即成有機(jī)場效應(yīng)管器件。其中源、漏極均由金屬制成，例如用金、銀、鋁等制成。
結(jié)合圖2和圖3，可以直觀地說明離子束轟擊取向法。如圖2所示，1表示ITO柵極圖形，2表示沉積在此襯底上的聚酰亞胺(PI等)的取向?qū)樱?表示某種襯底結(jié)構(gòu)，6表示離子束束源，7表示照射的Ar+離子束，8表示真空氛圍。Ar+離子束轟擊取向?qū)颖砻嬷?，很明顯取向?qū)?例如PI層)的分子長軸在各個(gè)方向的分布是均勻的，也就是在與離子束照射方向垂直和平行的方向內(nèi)具有同等程度的分布。不同能量的離子束轟擊可以在取向?qū)由闲纬扇N現(xiàn)象，即離子在基板表面的堆積現(xiàn)象；離子切削基板表面的濺射現(xiàn)象；以及離子進(jìn)入到基板內(nèi)部的注入現(xiàn)象。在離子束能量低于300eV以下時(shí)，可以觀察到離子的堆積現(xiàn)象；而當(dāng)能量提高到100eV-1MeV范圍內(nèi)時(shí)則會出現(xiàn)濺射現(xiàn)象。離子束能量進(jìn)一步提高至10KeV以上則離子注入現(xiàn)象占支配地位。在離子束能量交疊處兩種現(xiàn)象共存。(參見日本專利特開2004-205586)。我們主要使用產(chǎn)生離子濺射現(xiàn)象能量的離子束。前面提到在離子束轟擊取向?qū)颖砻嬷?，取向?qū)?例如PI層)的分子長軸在各個(gè)方向的分布是均勻的，而在利用離子濺射現(xiàn)象進(jìn)行斜向離子束轟擊基板表面進(jìn)行取向處理后，由于離子既不是堆積在取向?qū)颖砻?，又不是深入到取向?qū)觾?nèi)部，而是傾斜著將基板表面的原子從表面打飛，所以離子束轟擊可以選擇性地破壞取向?qū)颖砻娣肿?，可以認(rèn)為沿轟擊方向上的分子受到影響最小，在此方向的分子長軸有序排列，而其它方向的分子則被程度不同地破壞，取向?qū)颖砻娴母飨虍愋杂纱诵纬?，因而達(dá)到取向?qū)尤∠蛱幚砟康摹?br>

圖1是一個(gè)有機(jī)場效應(yīng)管(OFET)的一個(gè)結(jié)構(gòu)圖示。
圖2是一個(gè)離子束轟擊取向處理圖示。
圖3是一個(gè)經(jīng)過離子束轟擊處理的取向?qū)咏Y(jié)構(gòu)剖面圖示。
圖中標(biāo)號1為ITO柵極圖形，2為絕緣層(取向?qū)?，3為有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層，4為源漏電極，5為基板(玻璃，PET等柔性基板)，6為離子束源，7為轟擊離子束，8為離子束轟擊的真空氛圍，9為取向?qū)尤∠蚍较颍?0為有機(jī)半導(dǎo)體分子排布。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明的取向?qū)右约霸撊∠驅(qū)拥男纬煞椒?，但本發(fā)明并不只限于實(shí)施例范圍。
實(shí)施例1.首先，將經(jīng)過光刻成型，具有柵極結(jié)構(gòu)的ITO玻璃基板清洗干凈，清洗過程如下分別使用專用清洗劑(10min)、去離子水(3×10min)、50∶8的異丙醇與濃氨水混合溶液(10min)、氯仿(10min)、丙酮(10min)、乙醇(10min)進(jìn)行超聲處理(括號中為處理時(shí)間)，再使用乙醇蒸氣熏蒸3min，最后進(jìn)行紫外臭氧處理，時(shí)間為5分鐘；2.其次，使用有機(jī)聚合物材料聚甲基烯酸甲酯或聚酰亞胺制備取向?qū)?。例如可使用日產(chǎn)化學(xué)工業(yè)公司(Nissan Chemical Industry)提供的RN-1333型產(chǎn)品聚酰亞胺(PI)，濃度為5wt％，使用前需將其稀釋到2wt％使用。所用有機(jī)聚合物溶液經(jīng)超聲波分散20-30分鐘后，控制旋涂速度與時(shí)間，旋涂于ITO玻璃基板上，厚度約為50-150nm。然后將涂膜的基板置于100℃的熱臺上干燥5分鐘，進(jìn)行預(yù)焙處理，再置于250℃的潔凈烘箱中1小時(shí)，進(jìn)行堅(jiān)膜固化處理。之后，自然冷卻至室溫。
3.再次，真空腔體的真空度保持在5×10-4Pa，采用500eV的Ar+離子束轟擊玻璃基板表面的有機(jī)聚合物薄膜，要求基板表面離子束轟擊處理均勻，根據(jù)計(jì)算表面接受離子的劑量在1014-1015ions/cm2左右，隨后在其表面蒸鍍并五苯或寡聚噻吩作為半導(dǎo)體材料，最后蒸鍍金或銀作為源漏電極，厚度分別為40nm和100nm。最后，對器件進(jìn)行封裝處理，由此制成有機(jī)場效應(yīng)晶體管(0FET)。
4.如果使用類金剛石等無機(jī)材料充當(dāng)絕緣層，那么則可以使用磁控濺射等工藝成膜，對應(yīng)地可使用PET作為基板，還需要提供低于80℃的冷臺對基板進(jìn)行保護(hù)。
對比例1仍按如附圖1所示結(jié)構(gòu)制備一個(gè)有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)，ITO玻璃襯底，柵極，絕緣層，有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層，以及源極，漏極，封裝等均采用與實(shí)施例相同的工藝。但與實(shí)施例不同，所使用的絕緣層(取向?qū)?材料為類金剛石，類金剛石薄膜通過磁控濺射方式成膜，其厚度約為100nm。其它制備方法和參數(shù)相同。
對比例2制作與實(shí)施例進(jìn)行對比的器件，但與實(shí)施例不同，不使用離子束轟擊取向?qū)舆M(jìn)行取向處理，而采取摩擦取向方式。即PI固化后，用傳統(tǒng)的摩擦法處理該取向?qū)印Ｆ渲兴玫哪Σ敛牧蠟閅A-18-R型人造絲質(zhì)絨布，由Yoshikawa Chemical Co.公司提供，該絨布的人造絲纖維平均長度為600μm，平均直徑為15μm，纖維密度為3200 threads/cm2。處理完畢，用去離子水清洗干凈，然后，蒸鍍并五苯有機(jī)半導(dǎo)體材料，形成有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層，再在低于10-3Pa氣壓下蒸鍍金屬金(Au)充當(dāng)源極和漏極，最后封裝，制成有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)。
對比例3制作與實(shí)施例進(jìn)行對比的器件，但是該器件沒有進(jìn)行任何取向處理，由此觀察離子束轟擊對器件性能的影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察在實(shí)驗(yàn)操作過程中和實(shí)驗(yàn)結(jié)束，我們使用了以下觀測手段對器件性能和成膜特性進(jìn)行了觀察1.使用偏光顯微鏡觀察取向?qū)拥娜∠蛱匦裕?.使用原子力顯微鏡(AFM)觀察所成薄膜表面特性；3.使用KEITHLEY4200半導(dǎo)體特性測試系統(tǒng)評價(jià)場效應(yīng)管的遷移率特性等指標(biāo)。如上所述，由本發(fā)明所形成的用于提高有機(jī)場效應(yīng)管載流子遷移率的離子束轟擊取向技術(shù)可以形成優(yōu)良的取向特性，該種非接觸式Ar+離子束轟擊取向技術(shù)可以對OFET的有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層的取向產(chǎn)生有利影響。因而可以改善有機(jī)場效應(yīng)管載流子遷移率特性。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于有機(jī)場效應(yīng)管的取向?qū)?，其特征在于所用材料為有機(jī)聚合物聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酸，或無機(jī)材料類金剛石，其表面經(jīng)由離子束轟擊取向處理，并形成有有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取向?qū)?，其特征在于所述有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層材料為并五苯、寡聚噻吩。
3.一種如權(quán)利要求1所述取向?qū)拥男纬煞椒?，其特征在于包括以下步驟(a)在一個(gè)基板上形成由所述材料組成、可進(jìn)行離子束轟擊的薄膜，基板由襯底和ITO鍍膜組成；(b)在該薄膜的表面上用離子束轟擊，進(jìn)行取向處理；(c)在該薄膜表面形成有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層，以改善有機(jī)傳輸層的分子取向，該有機(jī)半導(dǎo)體層采用蒸鍍、旋涂或噴墨方式形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于離子束能量控制在50-500eV之間，離子束轟擊的入射角度為15-80°，真空腔的真空度為10-3-10-8Pa，離子束注入的計(jì)量范圍為1014-10-15ions/cm2。
5.如權(quán)利要求1所述取向?qū)釉谟袡C(jī)場效應(yīng)管中的應(yīng)用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有機(jī)場效應(yīng)管，其特征在于由下述部分組成(a)基板，由玻璃基板或PET柔性襯底和ITO透明導(dǎo)電薄膜組成；(b)在基板的ITO膜上通過光刻手段形成的柵極圖形；(c)在柵極之上為由上述材料組成的絕緣層，通過離子束轟擊，在絕緣層上產(chǎn)生表面各向異性；(d)在該絕緣層上為有機(jī)半導(dǎo)體傳輸層；(e)在此之上形成有源極和漏極，封裝之后，即成有機(jī)場效應(yīng)管器件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于有機(jī)場效應(yīng)管(OFET)的取向?qū)樱环N用來形成該種取向?qū)拥姆椒?，一種使用該種取向?qū)幼鳛榻^緣層，從而提高有機(jī)場效應(yīng)管載流子遷移率的新型器件。該取向?qū)?絕緣層)可進(jìn)行離子束轟擊取向處理。在該取向?qū)由峡尚纬删哂辛己梅肿尤∠虻挠袡C(jī)半導(dǎo)體層。根據(jù)本發(fā)明，通過對該取向?qū)幼魅∠蛱幚恚纳屏擞袡C(jī)半導(dǎo)體層的分子取向性，使采用該取向?qū)拥腛FET的載流子遷移率特性得到了改善。
文檔編號H01L51/30GK1588668SQ20041006623
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者許軍, 黃維, 張?zhí)煲?申請人:復(fù)旦大學(xué)