一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法
【專利摘要】一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟：選襯底；在所述襯底層上制備柵電極層；在所述柵電極層上制備柵介電層；在所述柵介電層上制備半導(dǎo)體活性層；在半導(dǎo)體活性層上制備帶微通道凹槽的源漏微通道層；在所述源漏微通道層上制備源電極和漏電極。本發(fā)明利用微流控技術(shù)，使用液體形態(tài)的導(dǎo)電材料通過制備好的微通道來代替原有的固態(tài)源漏電極，從而完成頂接觸結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜晶體管，不僅簡化了制備方法，降低了制備器件的成本，而且在保證頂接觸結(jié)構(gòu)有機(jī)薄膜晶體管原有的優(yōu)勢(shì)的前提下，很好的解決了對(duì)于頂接觸結(jié)構(gòu)有機(jī)薄膜晶體管普遍存在的缺陷，即由于沉積電極時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體材料的影響的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提局了器件的性能。
【專利說明】一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及晶體管領(lǐng)域，具體涉及一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的不斷深入，電子產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入人們生活工作中的每一個(gè)部分。傳 統(tǒng)的基于無機(jī)半導(dǎo)體材料的器件很難滿足人們對(duì)于可便攜、低成本、柔性的需求。而有機(jī)半 導(dǎo)體材料制備的器件擁有材料來源廣泛、制作工藝相對(duì)簡單、制作成本較低、與柔性襯底具 有良好的相容性等特點(diǎn)。這使得人們?cè)絹碓疥P(guān)注基于有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料的有機(jī)微電子 技術(shù)。
[0003] 有機(jī)薄膜晶體管通常包括柵電極，處于柵電極和半導(dǎo)體之間的絕緣層，由有機(jī)半 導(dǎo)體材料制備而成處于源漏電極之間的半導(dǎo)體層，以及源電極和漏電極這幾個(gè)部分。根據(jù) 柵電極的特性和位置不同，有機(jī)薄膜晶體管可分為底柵薄膜晶體管（bottom-gate)、頂柵薄 膜晶體管（top-gate)、側(cè)柵薄膜晶體管（side-gate)以及液柵薄膜晶體管（liquid-gate)。 目前最常見的有機(jī)薄膜晶體管是底柵構(gòu)型的薄膜晶體管，主要因?yàn)榘雽?dǎo)體層的化學(xué)和物理 性質(zhì)一般不穩(wěn)定，制備器件介電層時(shí)會(huì)對(duì)半導(dǎo)體層的形態(tài)和質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響，從而降 低器件性能。所以半導(dǎo)體層的制備通常在介電層制備之后，即采用底柵器件構(gòu)型。
[0004] 根據(jù)源漏電極與半導(dǎo)體沉積順序的不同，薄膜晶體管可分為頂接觸結(jié)構(gòu)和底接觸 結(jié)構(gòu)。頂接觸結(jié)構(gòu)是在襯底表面先沉積半導(dǎo)體層，再在半導(dǎo)體表面沉積源漏電極，而底接觸 結(jié)構(gòu)是源漏電極構(gòu)建在介電層之上，然后在源漏電極上沉積半導(dǎo)體層。這兩種結(jié)構(gòu)的晶體 管各有優(yōu)缺點(diǎn)，頂接觸結(jié)構(gòu)的晶體管的源漏電極與半導(dǎo)體層的接觸比底接觸結(jié)構(gòu)的要好， 且半導(dǎo)體層受柵電極電場影響的面積大于源漏電極在底層的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致期間具有較高的載 流子遷移率。另外頂接觸結(jié)構(gòu)中有源層不受源漏電極的影響，可以在介電層表面上大面積 的沉積，而且還可以通過物理或者化學(xué)方法對(duì)介電層表面進(jìn)行功能化修飾，以改善半導(dǎo)體 層薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌，以提高薄膜晶體管器件的載流子遷移率。但是這種結(jié)構(gòu)在電極沉積 過程中，電極材料會(huì)擴(kuò)散到有源層中，導(dǎo)致晶體管器件關(guān)態(tài)電流增加，開關(guān)比下降，尤其對(duì) 于窄溝道器件而言，這種現(xiàn)象更加明顯。
[0005] 有機(jī)薄膜晶體管的工作原理是利用了場效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)器件的工作。場效應(yīng)是利用與 半導(dǎo)體表面垂直的電場來調(diào)制半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率或者半導(dǎo)體材料中的電流的現(xiàn)象。當(dāng)施 加在柵電極上的柵壓（Vg)為零時(shí)，由于半導(dǎo)體的本征電導(dǎo)率很低，即使在樓電極施加源漏 電壓（Vds)，也幾乎沒有漏電流（Ids)通過，此時(shí)晶體管處在關(guān)閉狀態(tài)，這種狀態(tài)下晶體管 的漏電流為關(guān)態(tài)電流（IofT)。當(dāng)柵電極施加一負(fù)壓時(shí)，根據(jù)電容器效應(yīng)，源電極端的空穴在 柵電壓作用下會(huì)從源電極注入半導(dǎo)體層，并在半導(dǎo)體層與介電層的界面積累起來。此時(shí)在 源電極與漏電極之間施加一個(gè)負(fù)的電壓，則在溝道區(qū)積累的空穴就會(huì)在源漏電壓的驅(qū)動(dòng)下 遷移運(yùn)動(dòng)，形成電流，此時(shí)的器件處于開啟狀態(tài)。隨著源漏電壓的增加并達(dá)到一定值時(shí)，溝 道區(qū)被夾斷，由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，因此增加的源漏電壓幾乎都施加于夾斷區(qū)，而導(dǎo) 電溝道兩端的電壓基本沒有變化，進(jìn)而溝道電流也不再隨著源漏電壓的增加而增加，溝道 電流達(dá)到飽和。
[0006] 自1986年第一次報(bào)道有機(jī)薄膜晶體管以來，該領(lǐng)域受到了越來越多的研究者的 關(guān)注，并取得了重大突破。有機(jī)半導(dǎo)體材料性能逐年提高。由于近年來高遷移率有機(jī)半導(dǎo) 體材料的合成、薄膜物理和器件構(gòu)建工藝等方面研究的快速發(fā)展，有機(jī)薄膜晶體管的遷移 率、開關(guān)電流比等性能，尤其是遷移率有大幅度提高，使得有機(jī)薄膜晶體管在實(shí)際的應(yīng)用成 為可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 解決的技術(shù)問題：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種有機(jī)薄膜晶 體管的制備方法，采用頂接觸結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管，通過與微流控技術(shù)的結(jié)合，能夠在保證頂 接觸結(jié)構(gòu)薄膜晶體管的優(yōu)勢(shì)的前提下，有效的避免電極沉積時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體材料表面的影響 的缺點(diǎn)，從而制備出高性能的器件。
[0008] 技術(shù)方案：為解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為： 一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟： 選襯底； 在所述襯底上制備柵電極層； 在所述柵電極層上制備柵介電層； 在所述柵介電層上制備半導(dǎo)體活性層； 在半導(dǎo)體活性層上制備帶微通道凹槽的源漏微通道層； 在所述源漏微通道層上制備源電極和漏電極，所述源電極和漏電極之間的間距小于等 于200 μ m，是將源漏微通道層的微通道凹槽上方鑿孔，再用環(huán)氧樹脂膠將孔與等直徑的空 心導(dǎo)管粘連成一體，最后在導(dǎo)管的一端注入材料，另一端加壓抽取，最終在源漏微通道層上 形成源電極和漏電極。
[0009] 作為改進(jìn)的是，在所述半導(dǎo)體活性層上制備界面修飾層。
[0010] 所述柵電極層的材料為銀、金、鋁、銅、聚3,4_乙撐二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸鹽中 的一種；制備方法為真空熱物理沉積、噴墨打印、旋涂、電子束沉積或?yàn)R射中的一種。
[0011] 所述柵介電層的材料為氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉭、聚酰亞胺、聚乙烯吡硌烷 酮或聚甲基丙稀酸甲酯中的一種；制備方法為低壓化學(xué)氣相沉積、噴墨打印、濺射、原子層 沉積、電子束蒸發(fā)、離子輔助沉積或旋涂技術(shù)中的一種。
[0012] 所述半導(dǎo)體活性層的材料為聚3-已基噻吩P3HT、并五苯或鈦青銅中的一種；制備 方法為真空熱蒸發(fā)、旋涂、噴墨打印或滴涂中的一種。
[0013] 所述界面修飾層的材料為氧化鑰M〇03 ;制備方法為真空熱蒸發(fā)、旋涂或噴墨打印 中的一種。
[0014] 所述源漏微通道層的材料為聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸 乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷中的一種；制備方法為塑法、熱壓法、LIGA技術(shù)、激光刻蝕法或 軟光刻中的一種。
[0015] 所述源漏微通道層與界面修飾層粘貼成一體后，在源漏微通道中制備源電極和漏 電極。
[0016] 所述源電極和漏電極的材料為導(dǎo)電銀墨水、導(dǎo)電金墨水、銅墨水、石墨烯溶液或聚 3,4-乙撐二氧噻吩中的一種。
[0017] 有益效果 本發(fā)明提供的這種制備有機(jī)薄膜晶體管的方法，使用了傳統(tǒng)的頂接觸結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄 膜晶體管，能夠在保證頂接觸結(jié)構(gòu)薄膜晶體管接觸電阻小于底接觸結(jié)構(gòu)的晶體管、頂接觸 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層受柵電極電場影響面積大，具有比底接觸結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管更高遷移率且 頂接觸結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體層不受源漏電極的影響，可以在介電層表面大面積的沉積，可以通過 物理或化學(xué)方法對(duì)介電層表面進(jìn)行功能化修飾，以改善半導(dǎo)體層薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌，從而 提高薄膜晶體管載流子遷移率的優(yōu)勢(shì)的前提下，有效的避免電極沉積時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體材料表 面的影響的缺點(diǎn)，從而制備出高性能的器件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為源漏微通道層模型設(shè)計(jì)示意圖的俯視圖； 圖2為源漏微通道層模型設(shè)計(jì)示意圖的側(cè)面圖； 圖3為有機(jī)薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1、襯底，2、柵電極層，3、柵介電層，4、半導(dǎo) 體活性層，5、界面修飾層，6、微通道凹槽，7、源漏微通道層。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面的實(shí)施例可使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本 發(fā)明。
[0020] 本發(fā)明利用微流控技術(shù)，使用液體形態(tài)的導(dǎo)電材料通過制備好的微通道來代替原 有的固態(tài)源漏電極，從而完成頂接觸結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜晶體管，不僅簡化了制備方法，降低了 制備器件的成本，而且在保證頂接觸結(jié)構(gòu)有機(jī)薄膜晶體管原有的優(yōu)勢(shì)的前提下，很好的解 決了對(duì)于頂接觸結(jié)構(gòu)有機(jī)薄膜晶體管普遍存在的缺陷，即由于沉積電極時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體材料 的影響的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提1? 了器件的性能。
[0021] 如圖1所示，通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)所需的微通道模型，本圖展現(xiàn)的是一個(gè) 三通道的設(shè)計(jì)模型，由于通道的頭尾需要滴加導(dǎo)電液體，所以設(shè)計(jì)的通道的頭尾寬度需要 至少大于1mm，以方便滴加導(dǎo)電液體。在模型的中間部分所示三個(gè)通道平行區(qū)域相距間隔為 60um,左右兩邊的通道寬度分別為1mm,中間通道寬度為60um。根據(jù)不同的需要可以設(shè)計(jì)多 條通道以實(shí)現(xiàn)列陣形式的有機(jī)薄膜晶體管的制備。完成通道模型的設(shè)計(jì)后，選用固化型聚 合物一一聚二甲基硅氧烷（PDMS)通過軟光刻技術(shù)制作出柔性的具有具有通道的源漏微通 道層，如圖2所示。
[0022] 實(shí)施例1 一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟： 選絕緣玻璃片作為襯底1 ;在其上通過噴墨打印技術(shù)制備柵電極層2,將銀納米墨水通 過壓電噴墨打印機(jī)在絕緣玻璃片上完成圖形化的制備，打印好柵電極后，將絕緣玻璃片放 在熱臺(tái)上200°C加溫退火1小時(shí)制備出100nm厚的柵電極層2 ;通過壓電噴墨打印技術(shù)，將 PVP溶液打印在已制備好柵電極層2,打印完成后，將絕緣玻璃片放在熱臺(tái)上經(jīng)過200°C的 加溫退火1小時(shí)制備出600nm厚的柵介電層3 ;通過真空熱蒸發(fā)方法將鈦青銅CuPc蒸鍍?cè)?PVP柵介電層3上，形成60nm厚的半導(dǎo)體活性層4 ;通過真空熱蒸發(fā)方法將三氧化鑰蒸鍍?cè)?鈦青銅CuPc半導(dǎo)體活性層4上，形成40nm厚的界面修飾層5 ;將按照軟件設(shè)計(jì)好的微通道 模型經(jīng)過軟光刻技術(shù)，制備出具有微通道凹槽6的柔性PDMS源漏微通道層7,然后將PDMS 具有微通道凹槽6的一面經(jīng)過紫外臭氧處理10分鐘后，蓋在界面修飾層5上；在微通道凹 槽6中通入導(dǎo)電銀納米粒子制備的銀墨水，完成源電極和漏電極的制備。
[0023] 實(shí)施例2 一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟：： 選絕緣玻璃片作為襯底1;經(jīng)過10分鐘的uvo3處理后，將鋁通過真空熱蒸發(fā)方法在絕 緣玻璃片上完成圖形化的制備，形成100nm厚的鋁柵電極層2 ;通過旋涂的方法，將PVP溶 液旋涂在已制備好柵電極層2上，轉(zhuǎn)速為4000RPM，時(shí)間為30S，再將絕緣玻璃片放在熱臺(tái)上 經(jīng)過200°C的加溫退火1小時(shí)制備出600nm厚的柵介電層3 ;通過真空熱蒸發(fā)方法將鈦青銅 CuPc蒸鍍?cè)赑VP柵介電層3上，形成60nm厚的半導(dǎo)體活性層4 ;通過真空熱蒸發(fā)方法將三 氧化鑰蒸鍍?cè)阝伹嚆~CuPc半導(dǎo)體活性層上，形成40nm厚的界面修飾層5 ;將按照軟件設(shè)計(jì) 好的微通道模型經(jīng)過軟光刻技術(shù)，制備出具有微通道凹槽6的柔性PDMS源漏微通道層7,然 后將PDMS具有微通道凹槽6的一面經(jīng)過紫外臭氧處理10分鐘后，蓋在界面修飾層上；在微 通道凹槽6中通入導(dǎo)電銀納米粒子制備的銀墨水，完成源電極和漏電極的制備。
[0024] 實(shí)施例3 一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟： 選絕緣玻璃片作為襯底1 ;經(jīng)過10分鐘的UV03處理后，將聚3,4-乙撐二氧噻吩溶液 按照轉(zhuǎn)速2000rpm，持續(xù)時(shí)間30s的條件下旋涂在襯底1上，形成200nm厚的聚3,4_乙撐 二氧噻吩柵電極層2;通過旋涂的方法，將PVP溶液旋涂在已制備好柵電極層2上，轉(zhuǎn)速 為4000RPM，時(shí)間為30S，再將絕緣玻璃片放在熱臺(tái)上經(jīng)過200°C的加溫退火1小時(shí)制備出 600nm厚的柵介電層3 ;通過壓電噴墨打印技術(shù)將P3HT做為半導(dǎo)體活性材料制備在PVP柵 介電層3上；選單個(gè)噴嘴，在35V電壓、40 μ m點(diǎn)間距的條件下打印單層P3HT層，打印按照 堅(jiān)排進(jìn)行，形成60nm厚的半導(dǎo)體活性層4,打印完成后在手套箱中的熱臺(tái)上，在氮?dú)猸h(huán)境下 按照70°C的溫度退火1小時(shí)；通過真空熱蒸發(fā)方法將三氧化鑰蒸鍍?cè)赑3HT半導(dǎo)體活性層4 上，形成40nm厚的界面修飾層5 ;將按照軟件設(shè)計(jì)好的微通道模型經(jīng)過軟光刻技術(shù)，制備出 具有微通道凹槽6的柔性PDMS源漏微通道層7,然后將PDMS具有微通道凹槽6的一面經(jīng)過 紫外臭氧處理10分鐘后，蓋在界面修飾層5上；在微通道凹槽6中通入導(dǎo)金銀納米粒子制 備的金墨水，完成源電極和漏電極的制備。
[0025] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，包括以下步驟： 選襯底； 在所述襯底上制備柵電極層； 在所述柵電極層上制備柵介電層； 在所述柵介電層上制備半導(dǎo)體活性層； 在半導(dǎo)體活性層上制備帶微通道凹槽的源漏微通道層； 在所述源漏微通道層上制備源電極和漏電極， 其特征在于：所述源電極和漏電極之間的間距小于等于200 μ m，是將源漏微通道層的 微通道凹槽上方鑿孔，再用環(huán)氧樹脂膠將孔與等直徑的空心導(dǎo)管粘連成一體，最后在導(dǎo)管 的一端注入材料，另一端加壓抽取，最終在源漏微通道層上形成源電極和漏電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：在所述半導(dǎo)體活性 層上制備界面修飾層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述柵電極層的材 料為銀、金、鋁、銅、聚3,4-乙撐二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸鹽中的一種；制備方法為真空熱 物理沉積、噴墨打印、旋涂、電子束沉積或?yàn)R射中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述柵介電層的材 料為氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉭、聚酰亞胺、聚乙烯吡硌烷酮或聚甲基丙稀酸甲酯中的 一種；制備方法為低壓化學(xué)氣相沉積、噴墨打印、濺射、原子層沉積、電子束蒸發(fā)、離子輔助 沉積或旋涂技術(shù)中的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述半導(dǎo)體活性層 的材料為聚3-已基噻吩P3HT、并五苯或鈦青銅中的一種；制備方法為真空熱蒸發(fā)、旋涂、噴 墨打印或滴涂中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述界面修飾層的 材料為氧化鑰M〇03 ;制備方法為真空熱蒸發(fā)、旋涂或噴墨打印中的一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述源漏微通道層 的材料為聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷 中的一種；制備方法為塑法、熱壓法、LIGA技術(shù)、激光刻蝕法或軟光刻中的一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述源漏微通道層 與半導(dǎo)體活性層粘貼成一體后，在源漏微通道中制備源電極和漏電極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)薄膜晶體管的制備方法，其特征在于：所述源電極和漏電 極的材料為導(dǎo)電銀墨水、導(dǎo)電金墨水、銅墨水、石墨烯溶液或聚3,4_乙撐二氧噻吩中的一 種。
【文檔編號(hào)】H01L51/40GK104218152SQ201410437792
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】葛·瑞金, 謝業(yè)磊, 楊昕, 黃維, 王洋 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)