專利名稱：一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子元器件，具體涉及一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管及其制 備方法。通常的晶體管包括雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管，雙極晶體管是電流控制器 件，而場效應(yīng)晶體管工作過程和電子管十分相似，是電壓控制器件，就是通過 改變電場來控制固體材料導電能力的有源器件。隨著有機半導體材料的發(fā)現(xiàn)和 發(fā)展，人們開始嘗試利用有機物替代無機材料充當載流子傳輸層，而利用有機 材料充當載流子傳輸層的薄膜場效應(yīng)晶體管也就被稱為有機薄膜場效應(yīng)晶體管(organic thin-film field-effect transistor, OTFT)。1994年，Gamier等人利用打印法制備了全聚合物的OTFT，得到的晶體 管場效應(yīng)載流子遷移率達到0.06cm2/Vs，為OTFT的廉價和大面積制備打下了 基礎(chǔ)。1995年，Haddon等人用C60作為半導體材料來制備OTFT，在高真空 條件下該器件載流子遷移率為0.08cm2/Vs，開關(guān)電流比達到106。至此高性能 的n型OTFT也被研制出來，完成了組建有機集成電路所需要的高性能p型 和n型兩種類型的OTFT的研制。1997年，Lin等人使用并五苯材料作為半 導體材料得到載流子遷移率為1.5cm2/Vs、開關(guān)電流比達到108、亞閾區(qū)斜率小 于1.6V/decade的OTFT，該OTFT性能己經(jīng)超過了現(xiàn)在使用的無定型硅晶體 管，而且OTFT在制造成本、制備條件等方面比無定型硅晶體管具有很大的優(yōu) 勢，使得OTFT工業(yè)化道路的前景變得更加廣闊。與結(jié)型晶體管相比，場效應(yīng)晶體管能夠達到更高的工作速率、更低的功率 消耗、更大的封裝密度，因此它們在存儲器、便攜式電子計算機、自動化電子 設(shè)備、數(shù)據(jù)傳送設(shè)備、隨機邏輯系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。OTFT不但具有一般 無機場效應(yīng)晶體管特有的優(yōu)點，更具有以下的優(yōu)點 (1) 有機薄膜技術(shù)更多，更新，使得器件的尺寸能夠更小，集成度更高，使得應(yīng)用OTFT的電子元器件可以達到更高的運算速度和更小的操作功率。利 用有機薄膜大規(guī)模制備技術(shù)，可以制備大面積的器件。(2) 通過對有機分子結(jié)構(gòu)進行適當?shù)男揎?，可以得到不同性能的材料，?此通過對有機半導體材料進行改性就能夠使OTFT的電學性能達到理想的結(jié) 果。(3) 有機材料比較容易獲得，OTFT的制作工藝也更為簡單，制備條件更 加溫和，能夠有效地降低器件的成本。(4) 全部由有機材料制備的全有機場效應(yīng)晶體管具有非常好的柔韌性，使 得它可以應(yīng)用在抗震、抗破碎要求高的領(lǐng)域。OTFT的上述特點決定了它有著非常廣闊的應(yīng)用前途，因此人們在對 OTFT器件制備工藝和機理進行研究的同時，對相關(guān)的應(yīng)用研究也投入了很大的 精力。在有機存儲、有機集成電路、有機有源點陣顯示和有機傳感器方面的研 究都取得了較大的進展。OTFT的結(jié)構(gòu)與無機薄膜場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)相似，但是由于有機材料本身 的特性，因此有機場效應(yīng)晶體管一般采用倒置型結(jié)構(gòu)，即在場效應(yīng)晶體管的柵 極上構(gòu)筑整個器件。通常的OTFT結(jié)構(gòu)分為源漏在頂(Top-contact)和源漏在 底(Bottom-contact)兩種結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。源漏在頂結(jié)構(gòu)的主要特點是源極和漏極遠離基片，在制備半導體層以后再 制備源漏電極。而源漏在底結(jié)構(gòu)的主要特點就是在制備完絕緣層后直接制備源 漏電極，最后在源漏電極上再制備半導體層。兩種不同的結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，源 漏在頂結(jié)構(gòu)可以通過對絕緣層的修飾和改性來改變半導體層的結(jié)構(gòu)和形貌，從 而提高器件的載流子遷移率，同時該結(jié)構(gòu)中半導體層受柵極電場影響的面積大 于源漏在底結(jié)構(gòu)，因此具有較高的載流子遷移率。源漏在底結(jié)構(gòu)可以通過光刻 方法制備柵極和在絕緣層上制備源漏電極，工藝制備上比源漏在頂端簡化。因 此，改進有機薄膜晶體管的制作工藝對簡化其制作過程十分重要，并對制作大 面積的有極薄膜晶體管具有積極的意義。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管及 其制備方法，該有機薄膜晶體管采用全新的平面結(jié)構(gòu)，避開了在絕緣層上光刻 源電極、漏電極的過程，簡化了有機薄膜晶體管制作的工藝過程，為有機薄膜 晶體管的產(chǎn)業(yè)化降低了成本和工藝要求。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的構(gòu)造一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶 體管，基板為剛性襯底或柔性襯底，其特征在于在所述基板正面設(shè)置有呈平 面排列的源電極、漏電極和柵電極，在呈平面結(jié)構(gòu)的源電極、漏電極和柵電極 上設(shè)置有有機柵絕緣膜，在所述有機柵絕緣膜的表面設(shè)置有有機半導體膜。按照本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述的柔 性襯底是超薄玻璃、聚合物薄膜和金屬箔中的一種。按照本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機柵絕緣膜厚度在lnm 1000nm，材料為介電高分子材料，該有機高分子材料包括 聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚乙烯 醇(PVA)、聚酰亞胺(PI)、 APC、 PAA、 PC、 PU中的一種或者多種。若采用PMMA 材料，其最佳厚度在400nm左右，若采用PI，其最佳厚度在300nm左右。按照本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述聚乙 烯基吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇 (PVA)、聚酰亞胺(PI)、 APC、 PAA、 PC、 PU的分子結(jié)構(gòu)式為<formula>formula see original document page 7</formula> <formula>formula see original document page 8</formula>按照本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述源電極、漏電極和柵電極為金屬或者導電薄膜，如Al、 Au、 Cu、 Cr、 Ag等，或者 是具有良好的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和與例如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅錫(IZO) 等導電薄膜。按照本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機 半導體膜材料為以下材料中的一種或者多種并四苯、并五苯及其具有取代基 的衍生物；低聚噻吩，其包含連接在噻吩環(huán)的第2、 5位置的四至八個噻吩；庇 四甲酸二酐(PTCDA)，萘四甲酸二酐(NTCDA),及其酰亞胺衍生物；金屬化酞 菁及其鹵代衍生物；亞噻吩基和l， 2-亞乙烯基的低共聚物和共聚物。其有代表 性的分子式如下 <formula>formula see original document page 9</formula>一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:① 先對剛性襯底或柔性襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；② 在剛性襯底或柔性襯底的表面通過真空蒸鍍或者濺射的方法蒸鍍金屬或 者透明導電薄膜；③ 通過光刻的方法刻蝕源電極、漏電極或柵電極的圖形；④ 在蒸鍍鍍有電極的剛性襯底或柔性襯底的表面通過直接旋涂的方法旋涂 上有機柵絕緣膜，或者通過旋涂聚合物單體然后通過聚合的方法形成有 機柵絕緣膜；⑤ 對形成的有機柵絕緣膜進行加熱；⑥然后在有機柵絕緣膜上蒸鍍有機半導體膜；按照本發(fā)明所提供的結(jié)構(gòu)簡化的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于， 在步驟④中，在蒸鍍鍍有電極的剛性襯底或柔性襯底的表面旋涂有單層或者多 層有機柵絕緣膜。本發(fā)明的有益效果如下①有機薄膜晶體管的源電極、漏電極和柵電極采 用平面結(jié)構(gòu)排列，可通過一次光刻完成，簡化了制作工藝；②避免了傳統(tǒng)的有 機薄膜晶體管需要在絕緣層上光刻源漏電極的過程，增加了器件的穩(wěn)定性，尤 其適合柔性基板的有機薄膜晶體管的制作；③器件制作的良品率有很大提高。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中OTFT的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管的制作流程圖；圖4是本發(fā)明所提供的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管的傳輸特性曲線和遷移率。其中，1、半導體層，2、源極，3、柵極，4、漏極，5、絕緣層，6基板， 100、基板，110、有機半導體膜，120、有機柵絕緣膜，130、漏電極，140、源 電極，150、柵電極。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 實施例1如圖2所示結(jié)構(gòu)中，采用玻璃襯底作為基板100，采用聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA作為有機柵絕緣膜120材料，源電極140、漏電極B0和柵電極150采 用DC磁控濺射的Cr金屬作為電極層，有機半導體膜110采用并五苯(pentacene)。制備方法如圖3所示①先對玻璃基板進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干； ② 在玻璃基板的表面通過DC磁控濺射的方法蒸鍍Cr金屬；③ 通過光刻的方法刻蝕源電極、漏電極和柵電極的圖形； @在蒸鍍有電極的玻璃基板的表面通過直接旋涂的方法旋涂上有機柵絕緣膜PMMA;⑤ 對形成的有機柵絕緣膜PMMA進行加熱烘烤；⑥ 然后在有機柵絕緣膜PMMA上蒸鍍有機半導體膜并五苯(pentacene);⑦ 測試該有機薄膜晶體管的特性參數(shù)。該簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管的傳輸特性曲線和遷移率如圖4所示。 實施例2如圖2所示結(jié)構(gòu)中，采用PET柔性襯底作為基板100，采用聚甲基丙烯酸 甲酯PMMA作為有機柵柵絕緣膜120材料，源電極140、漏電極130和柵電極 150采用DC磁控濺射的透明導電薄膜ITO作為電極層，有機半導體膜110采用 并五苯(pentacene)。制備方法如圖3所示① 先對柔性襯底PET進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；② 在柔性襯底PET的表面通過DC磁控濺射的方法蒸鍍透明導電薄膜ITO;③ 通過光刻的方法刻蝕源電極、漏電極和柵電極的圖形；④ 在蒸鍍有ITO電極的柔性襯底PET的表面通過直接旋涂的方法旋涂上有 機柵絕緣膜PMMA;⑤ 對形成的有機柵絕緣膜PMMA進行加熱烘烤；⑥ 然后在有機柵絕緣膜PMMA上蒸鍍有機半導體膜并五苯(pentacene); ⑥測試該有機薄膜晶體管的特性參數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，基板為剛性襯底或柔性襯底，其特征在于在所述基板正面設(shè)置有呈平面排列的源電極、漏電極和柵電極，在呈平面結(jié)構(gòu)的源電極、漏電極和柵電極上設(shè)置有有機柵絕緣膜，在所述有機柵絕緣膜的表面設(shè)置有有機半導體膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述 的柔性襯底是超薄玻璃、聚合物薄膜和金屬箔中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述 有機柵絕緣膜厚度在lnm 1000nm，材料為介電高分子材料，該有機高分子材料 包括聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚酰亞胺、 APC、 PAA、 PC和PU中的一種或者多種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述 聚乙烯基吡咯垸酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚酰亞胺、APC、 PAA、 PC和PU的分子結(jié)構(gòu)式分別為(I ) ~ (IX):<formula>formula see original document page 2</formula>
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述源電極、漏電極和柵電極為金屬或者導電薄膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，其特征在于，所述有機半導體膜材料為以下材料中的一種或者多種并四苯、并五苯及其具有取代基的衍生物；低聚噻吩，其包含連接在噻吩環(huán)的第2、 5位置的四至八個噻吩; 茈四甲酸二酐，萘四甲酸二酐，及其酰亞胺衍生物；金屬化酞菁及其鹵代衍生 物；亞噻吩基和l， 2-亞乙烯基的低共聚物和共聚物。
7、 一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下① 先對剛性襯底或柔性襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；② 在剛性襯底或柔性襯底的表面通過真空蒸鍍或者濺射的方法蒸鍍金屬或 者透明導電薄膜；③ 通過光刻的方法刻蝕源電極、漏電極或柵電極的圖形； ④ 在蒸鍍鍍有電極的剛性襯底或柔性襯底的表面通過直接旋涂的方法旋涂 上有機柵絕緣膜，或者通過旋涂聚合物單體然后通過聚合的方法形成有機柵絕緣膜；⑤ 對形成的有機柵絕緣膜進行加熱；⑥ 然后在有機柵絕緣膜上蒸鍍有機半導體膜。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)簡化的有機薄膜晶體管的制備方法，其特征 在于，在步驟④中，在蒸鍍鍍有電極的剛性襯底或柔性襯底的表面旋涂有單層 或者多層有機柵絕緣膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種簡化結(jié)構(gòu)的有機薄膜晶體管，基板為剛性襯底或柔性襯底，其特征在于在所述基板正面設(shè)置有呈平面排列的源電極、漏電極和柵電極，在呈平面結(jié)構(gòu)的源電極、漏電極和柵電極上設(shè)置有有機柵絕緣膜，在所述有機柵絕緣膜的表面設(shè)置有有機半導體膜。本發(fā)明的有益效果如下①有機薄膜晶體管的源電極、漏電極和柵電極采用平面結(jié)構(gòu)排列，可通過一次光刻完成，簡化了制作工藝；②避免了傳統(tǒng)的有機薄膜晶體管需要在絕緣層上光刻源漏電極的過程，增加了器件的穩(wěn)定性，尤其適合柔性基板的有機薄膜晶體管的制作；③器件制作的良品率有很大提高。
文檔編號H01L51/30GK101127387SQ200710049989
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月11日
發(fā)明者于軍勝, 磊 張, 杜曉松, 蔣亞東 申請人:電子科技大學