專利名稱：一種短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)電子器件，具體涉及一種短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，屬于有機(jī)電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著大面積柔性電子領(lǐng)域以及智能電子等新的應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅基微電子器件已不能完全勝任相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的要求。在此推動下，有機(jī)電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為實(shí)現(xiàn)有機(jī)電子信號處理、控制與傳輸功能的基礎(chǔ)元件，高性能有機(jī)薄膜晶體管的制備是關(guān)鍵。然而當(dāng)前，有機(jī)電子器件在性能、穩(wěn)定性和集成度等方面都還遠(yuǎn)不如硅基微電子器件，解決上述難題的途徑之一是通過縮短有機(jī)薄膜晶體管的溝道長度來實(shí)現(xiàn)，這樣既能提高有機(jī)薄膜晶體管的工作速度，又能提高器件的集成度。提高有機(jī)薄膜晶體管的工作速度一般可以通過提高半導(dǎo)體材料遷移率、減小溝道長度以及減少寄生電容等方式來實(shí)現(xiàn)。之前的諸多研究表明，疏水的表面能可以顯著促進(jìn)半導(dǎo)體材料的結(jié)晶，增大晶粒尺寸，從而減少晶界對載流子的散射，提高載流子遷移率，因此制備時(shí)必須考慮到溝道界面的親疏水性問題。雖然目前制備短溝道有機(jī)薄膜晶體管的方法也很多，有些甚至能制作出微米尺度以下的溝道，但需注意這些器件所采用的結(jié)構(gòu)都是頂柵結(jié)構(gòu)，同時(shí)這些方法還存在一些問題，比如不能可靠保證器件的性能、成品率。在實(shí)際應(yīng)用中，有機(jī)電子競爭力的提升要求它的制備工藝能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、大面積、連續(xù)生產(chǎn)，而制備有機(jī)薄膜晶體管的諸多工藝中，溶液法就具有這樣的優(yōu)勢。如果有機(jī)薄膜晶體管的制備采用全溶液法，就能實(shí)現(xiàn)卷對卷連續(xù)生產(chǎn)，大大提高制備效率，有效降低制造成本。目前還未見有報(bào)道，制備方法采用全溶液法來實(shí)現(xiàn)底柵底接觸型結(jié)構(gòu)、溝道長度短于5微米的有機(jī)薄膜晶體管。常用的溶液法工藝主要包括溶液涂布方法以及各種印刷方法，溶液涂布方法又可細(xì)分為旋涂、噴涂、滴涂、刮涂等，印刷方法又可細(xì)分為噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、膠版印刷等。溶液法工藝通常還需輔助以烘培、退火、曝光等工序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，該制備方法在底柵底接觸型結(jié)構(gòu)的晶體管各個(gè)部件的制備過程中全部采取溶液法，通過結(jié)合自組裝單分子層生長技術(shù)以及紫外曝光技術(shù)，在疏水性的介質(zhì)層表面形成親水區(qū)域，以讓制備電極用的電極溶液自發(fā)選擇性地附著到親水區(qū)域，然后形成源極和漏極以及其之間的長度短于5微米的溝道。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，該有機(jī)薄膜晶體管為底柵底接觸型結(jié)構(gòu)，其自下而上依次包括襯底、柵極、介質(zhì)層、自組裝單分子層、源極、漏極以及有機(jī)半導(dǎo)體層，該源極與漏極之間的溝道的長度不超過5微米，其特征在于所述制備方法的各工藝步驟全部采用包括溶液涂布方法和印刷方法的溶液法，其具體步驟如下1)在襯底上制備柵極；2)在襯底和柵極上制備介質(zhì)層；3)在介質(zhì)層上表面生長疏水性自組裝單分子層；4)采用紫外光垂直通過光掩膜照射疏水性自組裝單分子層，除去源極和漏極區(qū)域的疏水性自組裝單分子層并在該區(qū)域生長親水性自組裝單分子層；5)在介質(zhì)層的親水區(qū)域上形成漏極和柵極；6)在源極、漏極以及溝道之上制備有機(jī)半導(dǎo)體層。所述步驟4)中，紫外光的波長短于350nm。所述步驟5)中，用于制備源極和漏極的電極溶液自發(fā)選擇性地附著到親水性自組裝單分子層上，然后經(jīng)退火固化形成源極和漏極及其之間的溝道。所述源極和漏極的線寬都不超過5微米。所述柵極的材料是金屬或者導(dǎo)電有機(jī)聚合物。所述介質(zhì)層為單層材料或者多層材料的組合，該材料為有機(jī)聚合物或者無機(jī)氧化物。所述有機(jī)半導(dǎo)體層的材料為有機(jī)聚合物半導(dǎo)體、有機(jī)小分子半導(dǎo)體、石墨烯或者碳納米管。本發(fā)明所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法借助自組裝單分子層生長技術(shù)和紫外曝光技術(shù)，在介質(zhì)層上的不同區(qū)域分別生長疏水性和親水性的自組裝單分子層，使不同區(qū)域表面呈親水性質(zhì)或者疏水性質(zhì)，電極溶液僅附著在親水區(qū)域，形成源極和漏極。本發(fā)明具有下列明顯的優(yōu)點(diǎn)I、由于采用低成本的溶液法制備有機(jī)薄膜晶體管的所有部件，因此生產(chǎn)上能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)制備，如采用卷對卷工藝，從而大大提高了制備效率，進(jìn)一步降低了成本。2、由于紫外曝光技術(shù)的精度可以做到5微米以下，因此采用該技術(shù)得到的介質(zhì)層表面親水區(qū)域的線寬尺寸以及它們之間溝道的長度尺寸就能夠被精確地控制到5微米以內(nèi)，從而能夠制備得到線寬小于5微米的源極和漏極以及長度短于5微米的溝道，進(jìn)而達(dá)到降低有機(jī)薄膜晶體管寄生電容的效果。3、由于溝道區(qū)域表面保持疏水性質(zhì)，有機(jī)半導(dǎo)體層在該區(qū)域結(jié)晶情況得到了改善，保證了有機(jī)半導(dǎo)體材料的遷移率(下降幅度不超過20% )。4、由于有機(jī)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)采取的是實(shí)際生產(chǎn)中最常用的底柵底接觸型結(jié)構(gòu)，因此有利于批量生產(chǎn)制備大規(guī)模有機(jī)薄膜晶體管陣列。5、采用本發(fā)明制備的有機(jī)薄膜晶體管的工作速度將顯著提高，同時(shí)也增加了器件的集成度。


圖I是本發(fā)明的工藝步驟之一的示意圖。圖2是本發(fā)明的工藝步驟之二的示意圖。圖3是本發(fā)明的工藝步驟之三的示意圖。
圖4A，4B，4C是本發(fā)明的工藝步驟之四的過程示意圖。圖5A，5B，5C，ro是本發(fā)明的工藝步驟之五的過程示意圖。圖6是本發(fā)明的工藝步驟之六的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容及其具體實(shí)施步驟作進(jìn)一步說明。本發(fā)明主要通過結(jié)合自組裝單分子層生長技術(shù)以及紫外曝光技術(shù)，在各工藝步驟中全部采用溶液法，從而制備得到底柵底接觸型結(jié)構(gòu)的短溝道有機(jī)薄膜晶體管。請參閱圖6，所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管為底柵底接觸型結(jié)構(gòu)，其自下而上依次包括襯底110、柵極120、介質(zhì)層130、自組裝單分子層140和150、源極160、漏極1 70以及有機(jī)半導(dǎo)體層180。具體地說，柵極120設(shè)置在襯底110之上，介質(zhì)層130設(shè)置在柵極120和襯底110之上，介質(zhì)層130表面的不同區(qū)域上生長有親、疏水性不同的自組裝單分子層150和140，源極160和漏極170生成在親水區(qū)域上，源極160和漏極170之間的疏水區(qū)域?yàn)闇系?，該溝道的長度不超過5微米，有機(jī)半導(dǎo)體層180設(shè)置在源極160和漏極170以及溝道區(qū)域之上。所述制備方法的各工藝步驟全部采用溶液法，該溶液法包括溶液涂布方法和印刷方法，其具體步驟如下I)在襯底上制備柵極，該柵極的材料是金屬或者導(dǎo)電有機(jī)聚合物；2)在襯底和柵極上制備介質(zhì)層，該介質(zhì)層為單層材料或者多層材料的組合，該材料為有機(jī)聚合物或者無機(jī)氧化物； 3)在介質(zhì)層上表面生長疏水性自組裝單分子層；4)采用紫外光垂直通過光掩膜照射疏水性自組裝單分子層，除去源極和漏極區(qū)域的疏水性自組裝單分子層并在該區(qū)域生長親水性自組裝單分子層，該紫外光的波長短于350nm ；5)在介質(zhì)層的親水區(qū)域上形成漏極和柵極，該源極和漏極的線寬都不超過5微米，用于制備源極和漏極的電極溶液自發(fā)選擇性地附著到親水性自組裝單分子層上，然后經(jīng)退火固化形成源極和漏極及其之間的溝道；6)在源極、漏極以及溝道之上制備有機(jī)半導(dǎo)體層，該有機(jī)半導(dǎo)體層的材料為有機(jī)聚合物半導(dǎo)體、有機(jī)小分子半導(dǎo)體、石墨烯或者碳納米管?，F(xiàn)結(jié)合

所述短溝道有機(jī)薄膜晶體管制備方法的流程步驟。參照圖1，在襯底110上制備柵極120。提供襯底110，襯底110的材料使用玻璃襯底或者塑料襯底，如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰亞胺(PD以及聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等等；然后在襯底110上制備柵極120，柵極120的材料是金屬或者導(dǎo)電有機(jī)聚合物等，比如，制備柵極120電極的電極溶液使用金(Au)墨水、銀(Ag)墨水、銅(Cu)墨水或?qū)щ娪袡C(jī)聚合物PEDOT PSS等；制備柵極120的方法是通過溶液法，如旋涂、噴涂、滴涂、浸涂、刮涂等溶液涂布方法或者噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、膠版印刷等印刷方法；然后，根據(jù)電極溶液的選擇在合適的溫度下進(jìn)行充分退火得到柵極120。參照圖2，在襯底110和柵極120上制備介質(zhì)層130。介質(zhì)層130的材料為有機(jī)聚合物或者無機(jī)氧化物，比如，聚乙烯醇(PVA)、聚苯乙烯(PS)、聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)、PMSQ等有機(jī)聚合物和氧化鋁(Al2O3)、氧化鉻(CrO3)、氧化鋯(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)等無機(jī)氧化物。介質(zhì)層130為單層材料也可以是多層材料的組合，比如PS+PVP、氧化鋯+氧化鋁、或者聚苯乙烯+氧化鋁等等，此處將不一一列舉；制備介質(zhì)層130的方法與上述柵極120的制備方法一樣，采用溶液法中的某一具體方法。參照圖3，在介質(zhì)層130上面生長疏水性自組裝單分子層140。疏水性自組裝單分子主要為三氯硅烷、三乙氧烷、膦酸烷或者碳酸烷等，比如，三氯十八烷(Trichloro (octadecyl) silane)、十二燒基三乙氧基娃燒(Dodecyltriethoxysilane)、三氯(1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基)娃燒(Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perf luorooctyl) silane) >十八燒基膦酸(Octadecylphosphonic acid)等；方法如下將疏水性自組裝單分子分散到溶劑中配置成濃度為IOmM的溶液，對介質(zhì)層130表面使用紫外臭氧處理10分鐘，然后用溶液法將上述溶液涂布到經(jīng)處理的介質(zhì)層130表面，在低水汽氣氛中旋涂或者靜置一小時(shí)以上，以讓自組裝單分子與介質(zhì)層130表面完全發(fā)生硅烷化反應(yīng)，接著用上述溶劑對表面潤洗三次，然后在100°C中烘焙10分鐘，除去多余的物理吸附的單分子，最終得到疏水性自組 裝單分子層140。參照圖4A、圖4B和圖4C，采用紫外光垂直通過光掩膜210照射疏水性自組裝單分子層140，除去源極160和漏極170區(qū)域的疏水性自組裝單分子層140并在該區(qū)域生長親水性自組裝單分子層150。用波長短于350nm的紫外光垂直通過光掩膜210，并照射疏水性自組裝單分子層140共20分鐘(見圖4A)，使得介質(zhì)層130表面的疏水性自組裝單分子層140的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂并產(chǎn)生羥基，從而與源極160和漏極170相對應(yīng)的區(qū)域的介質(zhì)層130表面的疏水性自組裝單分子層140被除去(見圖4B)，再在羥基上面、表面裸露的源極160和漏極170區(qū)域生長親水性自組裝單分子層150 (見圖4C)，從而在介質(zhì)層130表面形成親疏水性有差別的不同區(qū)域；親水性自組裝單分子層150的生長方法與上述制備疏水性自組裝單分子層140的方法相同，親水性自組裝單分子主要為三氯硅烷、三乙氧烷、膦酸烷或者碳酸燒等。參照圖5A、圖5B、圖5C和圖5D，在介質(zhì)層130的親水區(qū)域上形成源極160和漏極170。源極160和漏極170的材質(zhì)為金屬或者導(dǎo)電聚合物等，比如，制備源極160和漏極170電極的電極溶液190使用金(Au)墨水、銀(Ag)墨水、銅(Cu)墨水或者導(dǎo)電聚合物PEDOT PSS等；制備源極160和漏極170的方法是通過旋涂、噴涂、滴涂、浸涂、刮涂等溶液涂布方法或者通過噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、膠版印刷等印刷方法制備；由于介質(zhì)層130表面存在有親疏水性差異的區(qū)域，電極溶液190與親水區(qū)域和疏水區(qū)域的表面接觸角相差50°以上,相對于疏水表面而言，電極溶液190與親水表面親和力更強(qiáng)，因此電極溶液190自發(fā)選擇性地附著到親水性自組裝單分子層150上(見圖5A、圖5B、圖5C)，電極溶液190涂覆到介質(zhì)層130表面可能會出現(xiàn)圖5A中的覆蓋情況，不過通過自發(fā)選擇性附著，電極溶液190最終還是會全部附著到親水區(qū)域(見圖5C);然后根據(jù)電極溶液190的選擇，在合適的溫度下進(jìn)行充分退火固化形成源極160和漏極170及其之間的溝道(見圖OT);該源極160和漏極170的線寬以及它們之間溝道的長度都不超過5微米。參照圖6，在源極160、漏極170以及溝道之上制備有機(jī)半導(dǎo)體層180。該有機(jī)半導(dǎo)體層180的材料為有機(jī)聚合物半導(dǎo)體、有機(jī)小分子半導(dǎo)體、石墨烯或者碳納米管；其制備方法采用旋涂、噴涂、滴涂、浸涂、刮涂等溶液涂布方法或者采用噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、凸版印 刷、凹版印刷、柔印、膠版印刷等印刷方法。
權(quán)利要求
1.一種短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，該有機(jī)薄膜晶體管為底柵底接觸型結(jié)構(gòu)，其自下而上依次包括襯底、柵極、介質(zhì)層、自組裝單分子層、源極、漏極以及有機(jī)半導(dǎo)體層，該源極與漏極之間的溝道的長度不超過5微米，其特征在于所述制備方法的各工藝步驟全部采用包括溶液涂布方法和印刷方法的溶液法，其具體步驟如下 1)在襯底上制備柵極； 2)在襯底和柵極上制備介質(zhì)層； 3)在介質(zhì)層上表面生長疏水性自組裝單分子層； 4)采用紫外光垂直通過光掩膜照射疏水性自組裝單分子層，除去源極和漏極區(qū)域的疏水性自組裝單分子層并在該區(qū)域生長親水性自組裝單分子層； 5)在介質(zhì)層的親水區(qū)域上形成漏極和柵極； 6)在源極、漏極以及溝道之上制備有機(jī)半導(dǎo)體層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述步驟4)中，紫外光的波長短于350nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述步驟5)中，用于制備源極和漏極的電極溶液自發(fā)選擇性地附著到親水性自組裝單分子層上，然后經(jīng)退火固化形成源極和漏極及其之間的溝道。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述源極和漏極的線寬都不超過5微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述柵極的材料是金屬或者導(dǎo)電有機(jī)聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述介質(zhì)層為單層材料或者多層材料的組合，該材料為有機(jī)聚合物或者無機(jī)氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于所述有機(jī)半導(dǎo)體層的材料為有機(jī)聚合物半導(dǎo)體、有機(jī)小分子半導(dǎo)體、石墨烯或者碳納米管。
全文摘要
一種短溝道有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，該有機(jī)薄膜晶體管為底柵底接觸型結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括襯底、柵極、介質(zhì)層、自組裝單分子層、源極、漏極以及有機(jī)半導(dǎo)體層，該源極與漏極之間的溝道的長度不超過5微米，所述制備方法的各工藝步驟全部采用包括溶液涂布方法和印刷方法的溶液法，具體步驟如下在襯底上制備柵極；在襯底和柵極上制備介質(zhì)層；在介質(zhì)層上表面生長疏水性自組裝單分子層；采用紫外光垂直通過光掩膜照射疏水性自組裝單分子層，除去源極和漏極區(qū)域的疏水性自組裝單分子層并在該區(qū)域生長親水性自組裝單分子層；在介質(zhì)層的親水區(qū)域上形成漏極和柵極；在源極、漏極以及溝道之上制備有機(jī)半導(dǎo)體層。本發(fā)明效率高、成本低，提升了短溝道有機(jī)薄膜晶體管的品質(zhì)。
文檔編號H01L51/40GK102881828SQ20121038286
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者唐偉, 馮林潤, 徐小麗, 陳蘇杰, 郭小軍 申請人:上海交通大學(xué)