有機(jī)薄膜晶體管及其制備方法
【專利摘要】有機(jī)薄膜晶體管，其包含源極和漏極，所述源極和漏極在它們之間限定出溝道；在源極和漏極每一個(gè)的至少部分表面上的表面改性層；延伸跨越該溝道并與該表面改性層接觸的有機(jī)半導(dǎo)體層；柵極；以及介于該有機(jī)半導(dǎo)體層和該柵極電介質(zhì)之間的柵極電介質(zhì)。該表面改性層基本上由部分氟化富勒烯組成。
【專利說(shuō)明】有機(jī)薄膜晶體管及其制備方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)以及制備OTFT的方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]晶體管可分為兩種主要類型:雙極結(jié)型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。兩種類型具有共同的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含三個(gè)電極，且半導(dǎo)體材料位于其間處在溝道區(qū)中。雙極結(jié)型晶體管的三個(gè)電極稱為發(fā)射極、集電極和基極，而在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中三個(gè)電極稱為源極、漏極和柵極。由于發(fā)射極和集電極之間的電流是受在基極和發(fā)射極之間流動(dòng)的電流控制，因此雙極結(jié)型晶體管可被描述為電流操作器件。與此相反，由于在源極和漏極之間流動(dòng)的電流是受柵極和源極之間的電壓控制，因此場(chǎng)效應(yīng)晶體管可被描述為電壓操作器件。
[0004]晶體管還可以分為P-型和η-型，分別根據(jù)它們包含傳導(dǎo)正電荷載流子(空穴)或負(fù)電荷載流子(電子)的半導(dǎo)體材料?？梢愿鶕?jù)其接受、傳導(dǎo)和供給電荷的能力選擇半導(dǎo)體材料?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜來(lái)提高半導(dǎo)體材料接受、傳導(dǎo)和供給空穴或電子的能力。還可以根據(jù)材料接受和注入空穴或電子的能力來(lái)選擇用于源極和漏極的材料。例如，通過(guò)選擇有效接受、傳導(dǎo)和供給空穴的半導(dǎo)體材料，以及選擇有效注入和接受來(lái)自該半導(dǎo)體材料的空穴的用于源極和漏極的材料，能夠形成P-型晶體管器件。具有半導(dǎo)體材料的HOMO(最高占據(jù)分子軌道)能級(jí)的電極中費(fèi)米能級(jí)的良好能級(jí)匹配可提高空穴注入和接受。與此相反，通過(guò)選擇有效接受、傳導(dǎo)和供給電子的半導(dǎo)體材料，以及選擇有效注入電子到該半導(dǎo)體材料和接受來(lái)自該半導(dǎo)體材料的電子的用于源極和漏極的材料可形成η-型晶體管器件。具有半導(dǎo)體材料的LUMO(最低未占分子軌道)能級(jí)的電極中費(fèi)米能級(jí)的良好能級(jí)匹配可提高電子注入和接受。
[0005]可通過(guò)沉積薄膜中的組分以形成薄膜晶體管來(lái)形成晶體管。當(dāng)有機(jī)材料用作此類器件中的半導(dǎo)體材料時(shí)，其稱為有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)。
[0006]OTFT的各種配置是已知的。一種此類器件是絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其包含源極和漏極，半導(dǎo)體材料位于其間處在在溝道區(qū)中，在半導(dǎo)體材料上設(shè)置的柵極以及設(shè)置在柵極和溝道區(qū)中的半導(dǎo)體材料之間的絕緣材料層。
[0007]通過(guò)在柵極處施加電壓可以改變溝道的導(dǎo)電性。以這種方式,能夠利用施加的柵極電壓來(lái)開啟和關(guān)閉所述晶體管。對(duì)于給定電壓可實(shí)現(xiàn)的漏極電流取決于器件的有源區(qū)域(源極和漏極之間的溝道區(qū))中的有機(jī)半導(dǎo)體中的載荷子的遷移率。因此，為了用低的操作電壓實(shí)現(xiàn)高的漏極電流，有機(jī)薄膜晶體管必須在溝道區(qū)中具有載荷子遷移性高的有機(jī)半導(dǎo)體。
[0008]已經(jīng)報(bào)導(dǎo)包含“小分子”有機(jī)半導(dǎo)體材料的高遷移率0TFT，并且所述高遷移率已被至少部分歸因于OTFT中小分子有機(jī)半導(dǎo)體的高結(jié)晶屬性。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了在單晶OTFT中的特別高的遷移率，其中通過(guò)熱蒸發(fā)沉積有機(jī)半導(dǎo)體。
[0009]以下文獻(xiàn)中公開了通過(guò)小分子有機(jī)半導(dǎo)體和聚合物的共混物的溶液沉積而形成半導(dǎo)體區(qū)域:Smith 等人，Applied Physics Letters,第 93 卷，253301 (2008)；Russell 等人，Applied Physics Letters,第 87 卷，222109 (2005) ；0he 等人，Applied Physics Letters,第 93 卷，053303(2008) ；Madec 等人，Journal of SurfaceScience&Nanotechnology,第 7 卷，455-458 (2009) ；Kang 等人，J.Am.Chem.Soc.，第 130卷，12273-75(2008) ；Chung 等人，J.Am.Chem.Soc.(2011), 133 (3), 412-415 ；Lada 等人，J.Mater.Chem.(2011)，21 (30)，11232-11238 !Hamilton 等人,Adv.Mater.(2009)，21(10-11)，1166-1171 ;和 W02005/055248。
[0010]在W02009/000683中公開了通過(guò)選擇性地在源極和漏極的表面上形成有機(jī)半導(dǎo)體摻雜劑的自組裝層來(lái)降低源極和漏極處的接觸電阻。
[0011]EP1950818公開了在OLED的陽(yáng)極和空穴注入層之間包括含氟化合物的有機(jī)層。
[0012]US2005/0133782公開了一種0TFT，該OTFT包含設(shè)置在源極和漏極和半導(dǎo)體之間的腈層。公開的腈類包括鄰氟苯甲腈、對(duì)氟苯甲腈、全氟苯甲腈和四氰基醌二甲烷。
[0013]US2010/0203663公開了在源極和漏極上包含薄自組裝層的0TFT，其中該自組裝材料包含用于摻雜有機(jī)半導(dǎo)體材料的摻雜劑結(jié)構(gòu)部分以及結(jié)合到所述摻雜劑結(jié)構(gòu)部分且選擇性地結(jié)合到源極和漏極的獨(dú)立連接結(jié)構(gòu)部分。
[0014]W02010/029542公開了通過(guò)在溶液中混合摻雜劑和有機(jī)半導(dǎo)體或者共蒸發(fā)摻雜劑和有機(jī)半導(dǎo)體從而用氟化富勒烯摻雜劑摻雜有機(jī)半導(dǎo)體。
[0015]本發(fā)明的目的是對(duì)于從源極和漏極向OTFT的有機(jī)半導(dǎo)體的電荷注入提供低勢(shì)壘(barrier)。 [0016]本發(fā)明的另一目的是提供對(duì)電極表面改性以降低電荷注入勢(shì)壘的直接且可控的方法。
[0017]本發(fā)明的另一目的是提供對(duì)OTFT的有機(jī)半導(dǎo)體的結(jié)晶的控制。
[0018]發(fā)明概述
[0019]在第一方面，本發(fā)明提供有機(jī)薄膜晶體管，其包含源極和漏極，所述源極和漏極在其間限定出溝道；在源極和漏極每一個(gè)的至少部分表面上的包含部分氟化富勒烯的表面改性層；延伸跨越溝道并與表面改性層接觸的有機(jī)半導(dǎo)體層；柵極；以及介于有機(jī)半導(dǎo)體層和柵極電介質(zhì)之間的柵極電介質(zhì)。
[0020]任選地，該表面改性層基本上不含被部分氟化富勒烯摻雜的任何有機(jī)半導(dǎo)體。
[0021]任選地，該表面改性層基本上由部分氟化富勒烯組成。
[0022]任選地，該源極和漏極選自金屬或金屬合金或?qū)щ娦越饘傺趸?，任選地為銀、金、銅、鎳和它們的合金。
[0023]任選地，該源極和漏極包含具有比部分氟化富勒烯的LUMO值更接近真空的功函數(shù)值的材料。
[0024]任選地，該表面改性層具有小于IOnm的厚度，且任選地為單層。
[0025]任選地，該部分氟化富勒烯是部分氟化的巴克敏斯特富勒烯(Buckminsterfullerene),任選地為部分氟化的C6。。
[0026]任選地，該源極和漏極中至少之一的表面包含多個(gè)面并且其中該表面改性層形成于所述多個(gè)面中的至少兩個(gè)上。
[0027]任選地，所述表面改性層形成于源極和漏極之一或兩者的面向溝道的表面的面上。
[0028]任選地，該晶體管是頂柵晶體管。[0029]任選地，該晶體管是底柵晶體管。
[0030]任選地，該有機(jī)半導(dǎo)體層包含聚合物。
[0031]任選地，該聚合物包含式(XI)的重復(fù)單元:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.有機(jī)薄膜晶體管，其包含源極和漏極，所述源極和漏極在其間限定出溝道；在源極和漏極每一個(gè)的至少部分表面上的包含部分氟化富勒烯的表面改性層；延伸跨越該溝道并與該表面改性層接觸的有機(jī)半導(dǎo)體層；柵極；以及介于該有機(jī)半導(dǎo)體層和該柵極電介質(zhì)之間的柵極電介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述表面改性層基本上不含被所述部分氟化富勒烯摻雜的任何有機(jī)半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述表面改性層基本上由所述部分氟化富勒烯組成。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述源極和漏極選自金屬或金屬合金或?qū)щ娦越饘傺趸铩?br> 5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述源極和漏極包含具有比所述部分氟化富勒烯的LUMO值更接近真空的功函數(shù)值的材料。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述表面改性層具有小于IOnm的厚度。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述部分氟化富勒烯是部分氟化的巴克敏斯特富勒烯。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述源極和漏極中至少之一的表面包含多個(gè)面并且其中該表面改性層形成于所述多個(gè)面中的至少兩個(gè)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述表面改性層形成于源極和漏極之一或兩者的面向溝道的表面的面上。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述晶體管是頂柵晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述晶體管是底柵晶體管。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體層包含聚合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述聚合物包含式(XI)的重復(fù)單元:
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述聚合物包含一種或多種未取代或取代的亞芳基重復(fù)單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述一種或多種取代或未取代的亞芳基重復(fù)單元選自取代或未取代的芴重復(fù)單元以及取代或未取代的亞苯基重復(fù)單元。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體層包含小分子有機(jī)半導(dǎo)體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述小分子有機(jī)半導(dǎo)體選自式(I)-(V)的化合物:
18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管，其中所述部分氟化富勒烯具有式CaFb,其中a大于b。
19.形成根據(jù)任一前述權(quán)利要求的有機(jī)薄膜晶體管的方法，該方法包括以下步驟:提供源極和漏極，所述源極和漏極在源極和漏極每一個(gè)的至少部分表面上具有部分氟化富勒烯，所述源極和漏極在其間限定出溝道，和沉積至少一種有機(jī)半導(dǎo)體材料以形成有機(jī)半導(dǎo)體層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，該方法包括將所述部分氟化富勒烯沉積到源極和漏極上以形成表面改性層以及將至少一種有機(jī)半導(dǎo)體材料沉積到所述表面改性層上的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述表面改性層是通過(guò)如下方式形成:從包含所述部分氟化富勒烯和至少一種溶劑的部分氟化富勒烯溶液將所述部分氟化富勒烯沉積到源極和漏極上，以及蒸發(fā)所述至少一種溶劑。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述部分氟化富勒烯溶液基本上不含能夠被所述部分氟化富勒烯摻雜的任何有機(jī)半導(dǎo)體。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述部分氟化富勒烯溶液基本上由所述部分氟化富勒烯和至少一種溶劑組成。
24.根據(jù)權(quán)利要求20-23的任一項(xiàng)的方法，其中通過(guò)將包含至少一種有機(jī)半導(dǎo)體和至少一種溶劑的有機(jī)半導(dǎo)體溶液沉積到表面改性層上以及蒸發(fā)所述至少一種溶劑來(lái)形成所述有機(jī)半導(dǎo)體層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體溶液包含半導(dǎo)體聚合物和半導(dǎo)體小分子中的一種或兩種。
26.根據(jù)權(quán)利要求20-25的任一項(xiàng)的方法，其中以小于0.1M，任選地小于0.01M的摩爾濃度的溶液提供所述部分氟化富勒烯。
【文檔編號(hào)】H01L51/00GK103907215SQ201280053510
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月3日
【發(fā)明者】C·紐瑟姆, J·卡特 申請(qǐng)人:劍橋顯示技術(shù)有限公司