專利名稱：一種有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝方法。
1986年，A.Tsumura et al.(A.Tsumura，H.Koezuka，and T.ando，Appl.Phys.Lett.，49(18)，1210，1986)首次用聚噻吩作為半導(dǎo)體材料制備得到有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Organic Thin-Film Field-Effect Transistors，以下簡(jiǎn)稱OTFFETs)，自此以后有機(jī)晶體管技術(shù)得到不斷的發(fā)展。1997年，Y.Y.Lin et al.(Y.Y.Lin，D.J.Gundlach，S.F.Nelson et al.，IEEE Electron Device Letters，18(12)，606，1997)制備得到了空穴載流子遷移率高于1.7cm2/V·s的OTFFETs，這樣的性能完全可以與現(xiàn)在使用的無(wú)定型硅晶體管相媲美，而且在制造成本、制備工藝條件上遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝于無(wú)定型硅晶體管，從此，打開(kāi)了OTFFETs工業(yè)化應(yīng)用的道路。
研究表明，當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體器件(包括有機(jī)發(fā)光二極管和OTFFETs)放置在空氣中時(shí)，它們的性能很容易衰減。當(dāng)OTFFETs的有機(jī)半導(dǎo)體層處于與空氣直接接觸的情況下(包括如附

圖1a源漏在頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和附圖1b源漏在底的結(jié)構(gòu))，這種性能衰減情況就非常明顯，這將大大影響OTFFETs的應(yīng)用。導(dǎo)致OTFFETs性能衰減的原因可能包括化學(xué)衰減、由空氣引發(fā)的缺陷和有機(jī)半導(dǎo)體層表面吸附的水氧等，其中在有機(jī)半導(dǎo)體層表面吸附的水汽和氧氣是造成OTFFETs性能衰減的一個(gè)重要原因。我們研究發(fā)現(xiàn)對(duì)器件采用封裝的方法可以有效地隔絕水汽和氧氣，對(duì)于延長(zhǎng)器件壽命也有相當(dāng)大的好處。美國(guó)發(fā)明US20020155729A1(
公開(kāi)日2002年10月24日)提到通過(guò)封裝的方法可以提高有機(jī)晶體管的性能，該發(fā)明采用無(wú)機(jī)氮化硅和二氧化硅作為封裝材料，通過(guò)等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積(plasma enhanced chemical vapor deposition，以下簡(jiǎn)稱PECVD)的方法制備了封裝層，經(jīng)過(guò)封裝以后的器件載流子遷移率和開(kāi)關(guān)電流比都得到了大幅度的提高。然而該發(fā)明沒(méi)有涉及封裝對(duì)于器件壽命的影響，而且這個(gè)技術(shù)方案存在以下缺點(diǎn)①PECVD法的工作溫度比較高，最高超過(guò)150℃，這么高的溫度對(duì)于熱穩(wěn)定性比較差的有機(jī)功能材料來(lái)說(shuō)，會(huì)導(dǎo)致薄膜形貌產(chǎn)生變化甚至破壞有機(jī)材料結(jié)構(gòu)；②在等離子條件下，氣體環(huán)境中的某些氣體可能會(huì)和某些有機(jī)功能材料發(fā)生發(fā)應(yīng)，從而改變有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致器件性能下降。
因此，我們需要尋找一個(gè)能夠在較低工作溫度下實(shí)施，并且不會(huì)對(duì)有機(jī)材料的表面形成破壞的封裝方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝方法，該方法是向器件一側(cè)或者兩側(cè)淀積封裝層，其特征在于該封裝層由一層聚合物材料厚膜層組成或由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數(shù)n交替重疊組成。
在本發(fā)明的技術(shù)方案中所述的周期數(shù)n為1～10的整數(shù)。
在本發(fā)明的技術(shù)方案中所述的由一層聚合物材料厚膜層組成封裝層的制備方法為在有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正面(基片上制備有有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一面)采用刮膜法或涂覆法制備一層液態(tài)的未聚合的聚合物單體層，經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)膜。
在本發(fā)明的技術(shù)方案中所述的由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數(shù)n交替重疊組成封裝層的制備方法包括以下步驟①在有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正面蒸鍍一層液態(tài)的未聚合的聚合物單體層，經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)薄膜；②在上述聚合物材料層上淀積一層陶瓷材料薄膜層；③重復(fù)上述步驟①～②，在上述陶瓷材料層上再制備(n-1)周期的聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層。
上述技術(shù)方案中被封裝的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以包括源漏在頂和源漏在底的兩種結(jié)構(gòu)，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的晶體管，它們的封裝方法一致。
上述技術(shù)方案中被封裝的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基片為玻璃或塑料，塑料基片可由聚酯類或聚酰亞胺類化合物中一種材料組成，如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(以下簡(jiǎn)稱PET)等。
本發(fā)明提供的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)
①由該封裝方法制備的封裝層可以有效阻隔水氧，從而大大提高了有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能，還大大提高了器件的穩(wěn)定性；②無(wú)論封裝層采用上述技術(shù)方案中的何種結(jié)構(gòu)，都是首先制備一層聚合物材料層，這種材料可以在常溫下采用簡(jiǎn)單的刮膜法、涂覆法或者真空淀積法覆蓋到器件正面，可以簡(jiǎn)化封裝層的制備工藝，而且由于采用紫外線固化成膜，避免了化學(xué)反應(yīng)和高溫對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體層的破壞；③如果封裝層采用上述技術(shù)方案中有機(jī)無(wú)機(jī)交替多層結(jié)構(gòu)，無(wú)機(jī)陶瓷材料層是淀積在聚合物材料層上面，這樣避免了在有機(jī)功能層表面直接淀積無(wú)機(jī)材料層而破壞有機(jī)半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施方式
、實(shí)施例加以說(shuō)明，本發(fā)明可變得更加清楚。
圖2是本發(fā)明提出的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝層的結(jié)構(gòu)示意圖，其中10是有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，20是封裝層；圖2a的封裝層20由一層聚合物材料厚膜層組成，21同20；圖2b的封裝層20是由聚合物材料薄膜層211和陶瓷材料薄膜層212以一定周期數(shù)n交替重疊組成。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中放置在空氣中的未封裝的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性曲線和開(kāi)關(guān)電流曲線隨時(shí)間變化的情況；圖3a是特性曲線隨時(shí)間變化的情況；圖3b是開(kāi)關(guān)電流曲線隨時(shí)間變化的情況。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中放置在空氣中的封裝的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性曲線和開(kāi)關(guān)電流曲線隨時(shí)間變化的情況；圖4a是特性曲線隨時(shí)間變化的情況；圖4b是開(kāi)關(guān)電流曲線隨時(shí)間變化的情況。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
詳細(xì)闡述本發(fā)明的內(nèi)容，應(yīng)該理解本發(fā)明并不局限于下述優(yōu)選實(shí)施方式，優(yōu)選實(shí)施方式僅僅作為本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)施方案。
圖2a是本發(fā)明提出的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝層20由一層聚合物材料厚膜層21組成的結(jié)構(gòu)示意圖，其中10為有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由11、12、13、14、15、16共同構(gòu)成(見(jiàn)圖1)，11是基片，12是柵極，13是絕緣層，14是有機(jī)半導(dǎo)體層，15和16分別是源極和漏極。20為本發(fā)明提出的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝層，該封裝層由一層聚合物材料厚膜層21組成，可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物，膜厚為100～1000μm。
結(jié)合圖2a，本發(fā)明提出的由一層聚合物材料厚膜層21組成封裝層20的制備方法詳細(xì)闡述如下將有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，在上述器件的正面采用刮膜法或涂覆法制備一層液態(tài)的未聚合的聚合物單體層，用紫外線照射使其固化，照射時(shí)間根據(jù)所采用材料、制備厚度的不同而不同，通常為1～30min，液態(tài)的單體層經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)膜，膜厚為100～1000μm。
圖2b是本發(fā)明提出的有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝層20由聚合物材料薄膜層211和陶瓷材料薄膜層212以一定周期數(shù)n交替重疊組成的結(jié)構(gòu)示意圖，其中聚合物材料薄膜層211的膜厚為50～1000nm，可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物；陶瓷材料薄膜層212具有很高的水氧阻隔性能，膜厚為10～1000nm，可采用氮化物、氧化物或氮氧化物中的一種材料，氮化物一般為氮化硅、氮化鋁、氮化鈦等，氧化物一般為氧化硅、氧化鋁、氧化鈦等，氮氧化物一般為氮氧化硅、氮氧化鋁、氮氧化鈦等。
結(jié)合圖2b，本發(fā)明提出的由聚合物材料薄膜層211和陶瓷材料薄膜層212以一定周期數(shù)n交替重疊組成封裝層20的制備方法詳細(xì)闡述如下①將有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管置于真空鍍膜機(jī)中，抽真空度至10-4～10-3Pa，在上述器件的正面蒸鍍一層液態(tài)的未聚合的聚合物單體層，用紫外線照射使其固化，照射時(shí)間根據(jù)所采用材料、蒸鍍厚度的不同而不同，通常為1～30min，液態(tài)的單體層經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)薄膜，膜厚為50～1000nm；②在上述聚合物材料層上利用直流磁控濺射或射頻磁控濺射的方法制備陶瓷材料薄膜層，在背景壓強(qiáng)為10-4～10-3Pa條件下通入氮?dú)饣蜓鯕?，控制反?yīng)起來(lái)的氣體流量比，調(diào)節(jié)真空室的氣壓為0.1～10Pa，采用鈦、鋁、硅、氮化硅或者二氧化硅等靶材在0.5～50W/cm2的直流功率密度下濺射，通過(guò)冷卻系統(tǒng)控制上述器件溫度在40℃以下，濺射時(shí)間為10s～60min，濺射的膜厚為10～1000nm；③重復(fù)上述步驟①～②，在上述陶瓷材料層上再制備(n-1)周期的聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層。實(shí)施例1本實(shí)施例OTFFETs結(jié)構(gòu)如下Glass(基片)/ITO(柵極)/PMMA(絕緣層)/并五苯(半導(dǎo)體層)/Au(源、漏電極)(1)其中，PMMA為聚甲基丙烯酸甲酯的縮寫(xiě)，溝道長(zhǎng)度為100μm，溝道寬度為5mm，溝道寬長(zhǎng)比為50。
將上述式(1)所示的一個(gè)器件置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。在上述器件的正面采用刮膜法覆蓋一層液態(tài)的未聚合的UV固化膠(UV STRCTL352，樂(lè)泰公司)，用紫外線照射5min使其聚合，UV固化膠經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)膜，膜厚為100μm，封裝完畢。放置在空氣中的未封裝和封裝的OTFFETs的特性曲線和開(kāi)關(guān)電流曲線隨時(shí)間變化的情況分別見(jiàn)附圖3a、3b、4a、4b，數(shù)據(jù)比較見(jiàn)下表1。表1

由表1可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降了30％，開(kāi)關(guān)電流比下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而封裝后器件的穩(wěn)定性大大提高，在500h以后晶體管的性能變化不大。
由表3可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降33％，開(kāi)關(guān)電流比下降到原來(lái)的五分之一。而封裝以后晶體管的穩(wěn)定性大大提高，在500h后載流子遷移率只降低了不到10％，開(kāi)關(guān)電流比僅僅下降了33％。
本實(shí)施例OTFFETs結(jié)構(gòu)同式(1)封裝層結(jié)構(gòu)為OTFFETs/(UV固化膠<100nm>/氮化鈦<80nm>)n我們測(cè)定了剛封裝、封裝后100h、300h和500h后的晶體管的載流子遷移率和開(kāi)關(guān)電流比，數(shù)據(jù)比較見(jiàn)下表4。表4


由表4可以看出，我們發(fā)現(xiàn)，周期數(shù)從1開(kāi)始增加的時(shí)候，隨著周期數(shù)的增加，器件的穩(wěn)定性也不斷提高，但是當(dāng)交替周期數(shù)達(dá)到4層以后，器件的性能在500h內(nèi)幾乎不發(fā)生衰減，而由于周期數(shù)增加，器件封裝的過(guò)程將大大復(fù)雜化。
將上述式(2)所示的一個(gè)器件置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。在上述器件的正面采用刮膜法覆蓋一層液態(tài)的未聚合的UV固化膠(UV STRCTL352，樂(lè)泰公司)，用紫外線照射20min使其聚合，UV固化膠經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)膜，膜厚為500μm，封裝完畢。未封裝和封裝的OTFFETs的數(shù)據(jù)比較見(jiàn)下表6。表6

由表6可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降62％，開(kāi)關(guān)電流比下降到原來(lái)的二十分之一。而封裝以后晶體管的穩(wěn)定性大大提高，在500h后載流子遷移率下降了13％，開(kāi)關(guān)電流比僅僅下降了40％。
將上述式(3)所示的一個(gè)器件置手套箱中，用氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。在上述器件的正面采用涂覆法覆蓋一層液態(tài)的未聚合的UV固化膠(UV STRCTL352，樂(lè)泰公司)，用紫外線照射30min使其聚合，UV固化膠經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)膜，膜厚為1000μm，封裝完畢。未封裝和封裝的OTFFETs的數(shù)據(jù)比較見(jiàn)下表2。表8

由表8可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降33％，開(kāi)關(guān)電流比下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。而封裝以后晶體管的穩(wěn)定性大大提高，在500h后載流子遷移率基本不變，開(kāi)關(guān)電流比僅僅下降了25％。實(shí)施例9將上述式(3)所示的另一個(gè)器件置于真空鍍膜機(jī)中，抽真空至5×10-4Pa。在上述器件的正面蒸鍍一層液態(tài)的UV固化膠(UV STRCTL352，樂(lè)泰公司)，用紫外線照射使其固化，照射時(shí)間為5min，UV固化膠經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)薄膜，膜厚為300nm。在背景壓強(qiáng)為10-4～10-3Pa條件下通入氮?dú)?，調(diào)節(jié)真空室的氣壓為0.40Pa，采用二氧化硅靶在96W的直流功率下向UV固化膠上濺射，基片溫度控制在40℃以下，生長(zhǎng)時(shí)間為10min，二氧化硅薄膜膜厚為50nm。重復(fù)上述步驟再制備4個(gè)周期的(UV固化膠/二氧化硅)復(fù)合薄膜層，得到雙周期的封裝層。未封裝和封裝的OTFFETs的數(shù)據(jù)比較見(jiàn)下表3。表9

由表9可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降33％，開(kāi)關(guān)電流比下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。而封裝以后晶體管的穩(wěn)定性大大提高，在500h后載流子遷移率和開(kāi)關(guān)電流比幾乎都不發(fā)生變化。
盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例和附圖，尤其是本發(fā)明的封裝層可以制備在晶體管的正面，也可以制備在整個(gè)器件的表面。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明構(gòu)思的引導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可進(jìn)行各種修改和改進(jìn)，所附權(quán)利要求概括了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝方法，該方法是向器件一側(cè)或者兩側(cè)淀積封裝層，其特征在于該封裝層由一層聚合物材料厚膜層組成或由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數(shù)n交替重疊組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的聚合物材料厚膜層采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的由一層聚合物材料厚膜層組成封裝層的制備方法為在有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正面采用刮膜法或涂覆法制備一層液態(tài)的未聚合的聚合物單體層，經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的周期數(shù)n為1～10的整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的聚合物材料薄膜層采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的陶瓷材料薄膜層采用氮化物、氧化物或氮氧化物中的一種材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的封裝方法，其特征在于，所述的陶瓷材料薄膜層采用氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氧化硅、氧化鋁、氧化鈦、氮氧化硅、氮氧化鋁、氮氧化鈦中的一種材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數(shù)n交替重疊組成封裝層的制備方法包括以下步驟①在有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正面蒸鍍一層液態(tài)的未聚合的聚合物單體層，經(jīng)紫外線照射原位聚合成平整的固態(tài)薄膜；②在上述聚合物材料層上淀積一層陶瓷材料薄膜層；③重復(fù)上述步驟①～②，在上述陶瓷材料層上再制備(n-1)周期的聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的封裝方法，其特征在于，所述的淀積陶瓷材料薄膜層采用直流磁控濺射或射頻磁控濺射的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的封裝方法。該方法是向器件一側(cè)或者兩側(cè)淀積封裝層，其特征在于該封裝層由一層聚合物材料厚膜層組成或由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數(shù)n交替重疊組成。由這種封裝方法制備的封裝層可以有效阻隔水氧，從而大大提高了有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能，還大大提高了器件的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)器件的使用壽命。
文檔編號(hào)H01L51/05GK1457107SQ0312106
公開(kāi)日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月21日
發(fā)明者董桂芳, 胡遠(yuǎn)川, 王立鐸, 邱勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)