阵列基板及显示装置的制作方法

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阵列基板及显示装置的制造方法

本发明属于显示技术领域,具体地说,尤其涉及一种阵列基板及显示装置。



背景技术:

目前使用的液晶显示装置或有机发光二极管显示装置中都含有铟、铜、钼、锡等昂贵的重金属。这些重金属材料资源有限、成本高,而且具有一定的环境污染危害,因此减少显示装置中的金属、甚至不用金属元素是未来发展的趋势。比如ITO(Indium tin oxide,氧化铟锡)电极,其机械稳定性差,并且铟资源日益缺少导致其成本不断提高,同时也带来金属环境问题,因此急需一些可替代的环保电极材料。

另外,随着传统硅半导体器件的尺寸不断缩小,一些不可避免的制约因素不断显现出来,如短沟道效应、小尺寸下掺杂浓度的统计涨落造成器件性质不均匀性。



技术实现要素:

为解决以上问题,本发明提供了一种阵列基板及显示装置,用以构建绿色、廉价器件,减少金属元素对环境和人体的潜在危害。

根据本发明的一个方面,提供了一种阵列基板,包括薄膜晶体管,所述薄膜晶体管包括:

第一导电层,其设置于基底上;

绝缘层,其设置于所述第一导电层和裸露的基底上;

有源层,其设置于所述绝缘层上;

第二导电层,其设置于所述有源层上;

钝化层,其设置于所述第二导电层和裸露的绝缘层上,

其中,所述第一导电层、所述有源层和所述第二导电层采用透明可导电的碳化合物材料制成。

根据本发明的一个实施例,还包括:

第一平坦层,其设置于所述钝化层上;

第三导电层,其设置于所述第一平坦层上,并采用透明可导电的碳化合物材料制成。

根据本发明的一个实施例,所述第一导电层、所述第二导电层和所述第三导电层采用石墨烯材料制成。

根据本发明的一个实施例,所述有源层采用半导体型碳纳米管材料制成。

根据本发明的一个实施例,还包括有机发光二极管,所述有机发光二极管包括:

第二平坦层,其设置于所述第三导电层和裸露的第一平坦层上;

阳极,其设置于所述第二平坦层上;

发光层,其设置于所述阳极上;

阴极,其设置于所述发光层上。

根据本发明的一个实施例,所述阳极和所述阴极采用掺杂石墨烯材料制成。

根据本发明的一个实施例,所述掺杂石墨烯材料包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯、硅掺杂石墨烯、硼掺杂石墨烯和功能化石墨烯。

根据本发明的一个实施例,所述发光层采用硅量子点材料、碳量子点材料或石墨烯量子点材料制成。

根据本发明的一个实施例,所述有机发光二极管还包括:

空穴注入层,其设置于所述阳极上;

空穴传输层,其设置于所述空穴注入层和所述发光层之间;

电子传输层,其设置于所述发光层和所述阴极之间。

根据本发明的另一个方面,还提供了一种显示装置,包括以上所述的阵列基板。

本发明的有益效果:本发明以碳基材料替代显示装置中的金属元素,以具有优良导电性能和透光率的石墨烯代替金属和ITO作为导电电极,以具有高迁移率的半导体型碳纳米管作为TFT器件的有源层,以具有良好发光效率的碳点作为QLED发光层,可以不需要金属元素,减少金属元素对环境和人体的潜在危害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍:

图1是根据本发明的一个实施例的碳基薄膜晶体管结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的阵列基板示意图;

图3是根据本发明的一个实施例的有源发光二极管及其驱动电路示意图;

图4是根据本发明的一个实施例的有源发光二极管阵列基板驱动电路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

碳元素是目前拥有纳米结构和特性最为丰富的材料之一,如富勒烯、碳量子点、碳纳米管、石墨烯等由于具有优异的化学、物理、机械和电子性能而引起了科研人员的极大研究兴趣和实验应用。结合纯碳形式或者杂化结构的纳米碳材料的维度和量子限制效应所产生的独特的性质,能够产生前所未有的物理性能和机械性能,为碳基器件的构建都提供了一个潜在的途径。

因此,本发明提供了一种采用碳基材料取代金属材料的阵列基板。如图1所示为根据本发明的一个实施例的阵列基板上的碳基开关元件薄膜晶体管TFT的结构示意图,图2是根据本发明的一个实施例的阵列基板剖面结构示意图,以下参考图1和图2来对本发明进行详细说明。

在本发明的一个实施例中,该阵列基板包括薄膜晶体管,该薄膜晶体管包括依次设置的第一导电层、绝缘层、有源层、第二导电层和钝化层。第一导电层设置于基底上。绝缘层设置于第一导电层和裸露的基底上。有源层设置于绝缘层上。第二导电层设置于有源层上。钝化层设置于第二导电层和裸露的绝缘层上。其中,第一导电层、有源层和第二导电层全部采用透明可导电的碳化合物材料制成。也就是说,该阵列基板采用碳基材料代替金属材料作为导电材料来进行导电。碳基材料来源丰富,化学性质稳定,且没有毒性,有利于构建绿色、廉价器件。并且,采用碳基材料来制作阵列基板,而不需要金属元素,可以减少金属元素对环境和人体的潜在危害。

该开关元件可以为底栅结构的薄膜晶体管,此处的第一导电层为栅极层,第二导电层为对应的源漏极层。或者,该开关元件可以为顶栅结构的薄膜晶体管,第一导电层为源漏极层,第二导电层为对应的栅极层。本发明以底栅结构的薄膜晶体管为例进行说明,但不限于此。如图1所示,第一导电层包括设置于基底11上的栅极12。绝缘层13设置于栅极12和裸露的基底11上,用于对栅极12进行绝缘保护。有源层14设置于绝缘层13上,并对应栅极12设置,用于形成开关元件的导电沟道。第二导电层设置于有源层14上,包括用于形成开关元件的源漏极15以及数据线(未示出),数据线与开关元件的源极连接。钝化层16设置于第二导电层(源漏极、数据线)和裸露的绝缘层13上,用于保护第二导电层。

在本发明的一个实施例中,该阵列基板还包括依次设置的第一平坦层和第三导电层。其中,第一平坦层设置于钝化层上。第三导电层设置于第一平坦层上,并采用透明可导电的碳化合物材料制成。具体的,如图2所示,第一平坦层17设置于钝化层16上。第三导电层18设置于第一平坦层17上,用作像素电极或将开关元件的漏极与有机发光二极管连接的中间电极。

在本发明的一个实施例中,该第一导电层、第二导电层和第三导电层全部采用石墨烯材料制成。石墨烯是一种以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密排列的碳原子所构成的层状二维碳材料,由于具有高导电性、透明性、可弯曲性、空气与高温稳定性等优异性能,其作为一种新型的柔性电子与电极材料得到了广泛认同。因此,在本发明中,采用石墨烯材料来制备第一导电层、第二导电层和第三导电层。具体的,如图2所示,采用石墨烯材料来制备栅极12、源漏极15和第三导电层18。当然,也可以采用其他透明导电碳基材料来制备第一导电层、第二导电层和第三导电层,本发明不限于此。

在本发明的一个实施例中,该有源层采用半导体型碳纳米管制成。半导体碳纳米管被认为是最有应用价值的电学材料之一,因其优良的力学、热学、电学性能和化学稳定性,可以用于高频器件,提高器件的频率响应范围。单壁碳纳米管由于免掺杂即可制备出n型或p型晶体管进而应用于集成电路,有可能取代硅基半导体应用而受到重视。因此,本发明采用导体型碳纳米管来制作开关元件的有源层。当然,也可以采用其他碳基材料来制备开关元件的有源层,本发明不限于此。

以下以采用石墨烯材料制备底栅结构薄膜晶体管为例,说明采用碳基原料来制备该阵列基板上的开关元件的方法。

首先制备石墨烯第一导电层(即栅极12)。具体的,把通过化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯,并通过转印技术将石墨烯转移到基底11上。再用氧气等离子体以光刻法和反应型离子刻蚀法制备出石墨烯栅极图案,以形成栅极12。

接着制备绝缘层。具体的,在第一导电层制备基础上,采用化学气相沉积法沉积一层二氧化硅薄膜,作为栅极绝缘层13。用丙酮、甲醇和异丙醇浸泡冲洗该生成第一导电层的阵列基板后,再用高纯氮气吹干该阵列基板。

然后制备碳纳米管有源层14。具体的,采用高纯氮气吹干制备绝缘层后的阵列基板。再将该阵列基板浸入到碳纳米管溶液中,以在该阵列基板的表面沉积碳纳米管薄膜。沉积碳纳米管薄膜后,将该阵列基板取出并在150℃下烘烤30分钟,得到碳纳米管网络状薄膜。采用光刻胶对用于开关器件的沟道部分进行保护,其余部分用氧离子刻蚀后去除光刻胶,制备出碳纳米管沟道薄膜。该碳纳米管沟道薄膜用作开关元件的有源层14。

接着制备石墨烯第二导电层(源漏极15)。具体的,把通过化学气相沉积法生长在铜箔上的石墨烯通过转印技术转移到形成有碳纳米管有源层14的阵列基板上,再用氧气等离子体以光刻法和反应型离子刻蚀法制备出石墨烯源漏极图案。该源漏极图案对应薄膜晶体管的源漏极15。

接着制备钝化层16。具体的,采用化学气相沉积法在形成有第二导电层的阵列基板上覆盖上二氧化硅模板以作为钝化层16。然后通过涂布光刻胶、曝光、蚀刻、去光阻制备出对应开关元件漏极的接触孔,得到完整的碳基材料开关元件。

此处采用的基底包括但不仅仅限于硅片、石英、玻璃、柔性塑料等基板,绝缘层包括但不限于SiO2、氧化石墨烯、SiNx、有机绝缘材料等。

在本发明的一个实施例中,该阵列基板还包括有机发光二极管。如图3所示,该有机发光二极管包括第二平坦层(未示出)、阳极21、发光层24和阴极26。其中,第二平坦层设置于第三导电层18和裸露的第一平坦层17上。阳极21设置于第二平坦层上。发光层24设置于阳极21上。阴极26设置于发光层24上。

该有机发光二极管的阳极21与开关元件TFT的漏极连接,通过该漏极向发光二极管提供阳极电压。具体的,如图3所示为一个像素单元中由两个开关元件DT和ST构成的有机发光二级管的驱动电路示意图,图4所示为对应图3的阵列基板电路驱动示意图。

如图4所示,以虚线框内标注的像素为例进行说明。在该像素进行显示时,向扫描线VScan输入扫描信号,以打开开关元件ST。此时,数据线VData输出数据信号。数据信号经开关元件ST到达DT的栅极,以打开开关元件DT并同时对电容Cs进行充电。在数据信号到达DT的栅极并打开开关元件DT时,驱动电压VDD通过开关元件DT向发光二极管QLED输出驱动电压。在开关元件ST关闭时,由于电容Cs存储有电荷,可以使得开关元件DT继续保持打开状态,使得驱动电压VDD通过开关元件DT向发光二极管QLED输出驱动电压。开关元件DT继续保持打开状态的时间与电容Cs存储的电荷量有关,电容Cs存储的电荷量与数据线VData输出的数据信号有关。

在本发明的一个实施例中,该有机发光二极管的阳极21和阴极26采用掺杂石墨烯材料制成。也就是说,在石墨烯材料中掺杂其他材料,改变石墨烯材料的某些性能,以更适合做有机发光二极管的阴极和阳极。

在本发明的一个实施例中,该掺杂石墨烯材料包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯、硅掺杂石墨烯、硼掺杂石墨烯和功能化石墨烯。功能化石墨烯通过引入特定的官能团,可以赋予石墨烯新的性质,进一步拓展其应用领域。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段。氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯、硅掺杂石墨烯、硼掺杂石墨烯是通过向石墨烯中添加对应的离子实现。

在本发明的一个实施例中,该发光层采用硅量子点材料、碳量子点材料或石墨烯量子点材料制成。在众多碳纳米材料中,碳量子点是一种三维尺寸小于10nm的准零维纳米颗粒,因其具有低成本、低毒性、长期稳定性、粒径大小可调节光学响应和高效多样的载流子生成能力,且易于制备而成为传统半导体量子点的理想替换材料。本发明还可以采用石墨烯量子点或现有技术中的硅量子点等材料来制备有机发光二极管的发光层。

在本发明的一个实施例中,该有机发光二极管进一步包括空穴注入层、空穴传输层和电子传输层。如图3所示,空穴注入层22设置在阳极21上,通常采用PEDOT(PSS)(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))、2T-NATA(4,4',4”-三(2-萘基苯基氨基)三苯基胺)或m-MTDATA(4,4′,4″-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺)等材料制成。空穴传输层23设置在空穴注入层22和发光层24之间,通常采用TFB(1,2,4,5-四(三氟甲基)苯)、PVK(聚乙烯咔唑)、CBP(4,4’-N,N’-二咔唑联苯)、NPB(N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺)或Poly-TPD(聚(双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺))等材料制成。如图3所示,该电子传输层25设置在发光层24和阴极26之间,通常采用TPBi(1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯)、BBOT(2,5-双(5-叔丁基-2-苯并恶唑基)噻吩)、BCP(2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲罗啉)或BND(5-溴-5-硝基-1,3-二恶烷)等材料构成。

以下以采用石墨烯材料制备有机发光二极管为例,说明采用碳基原料来制备该阵列基板上的有机发光二极管的方法。

首先,制备第二平坦层。把PI(聚酰亚胺)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)溶解于DMAc(二甲基乙酰胺)中,形成PI或PET溶液。然后将该溶液均匀涂布到干净的含碳基材料开关元件的基板上,以形成PI薄膜或PET薄膜。加热除去薄膜中的水分以使PI薄膜或PET薄膜固化。采用氧气等离子体蚀刻出接触孔,得到附着在阵列基板上的第二平坦层21。

接着,制备有源发光二极管的阳极。将生长在铜箔上的掺杂石墨烯-1通过压印技术压印在第二平坦层21上面。然后滴加铜蚀刻液在铜箔上。待蚀刻液把铜箔蚀刻完后,用去离子水多次清洗,完全去除蚀刻液残留。在100℃条件下,对形成有第二平坦层21的阵列基板烘干处理2h,得到掺杂石墨烯附着型TFT基板。

接着,制备空穴注入层。具体的,在掺杂石墨烯附着型TFT基板上,以PEDOT:PSS为材料制备空穴注入层。将PEDOT:PSS溶液以3000rpm的转速在该掺杂石墨烯附着型TFT基板上旋涂60s,后在手套箱中200℃下加热10min去除水分,得到以PEDOT为HIL层。

接着,制备空穴传输层。具体的,以Poly-TPD制备空穴传输层,同样将Poly-TPD溶液以旋涂的方式在空穴注入层层上制备空穴传输层薄膜,得到Poly-TPD/PEDOT/掺杂石墨烯-1/TFT基板。

接着,制备量子点发光层。具体的,将溶解于正己烷中的碳量子点以2000rpm的转速在Poly-TPD/PEDOT/掺杂石墨烯-1/TFT基板上旋涂20s,形成20nm厚的量子点发光层,放在80℃的真空干燥箱中干燥1小时,得到C-QDs/Poly-TPD(聚(N,N’-双(3-甲基苯基)-N,N’-二苯基-1,1’-联苯-4,4’-二胺))/PEDOT(聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)/掺杂石墨烯-1/TFT基板。

接着,制备电子传输层。具体的,将以上多层薄膜置于蒸镀机中,热蒸镀一层40nm厚的TPBi作为ETL,得到TPBi/C-QDs/Poly-TPD/PEDOT/掺杂石墨烯-1/TFT基板(ETL/EML/HTL/HIL/anode/TFT基板)。

最后,制备有机发光二极管的阴极。具体的,把生长在铜模上的掺杂石墨烯-2转移到以上所得到的多层薄膜上作为阴极,从而得到由掺杂石墨烯-2/TPBi/C-QDs/Poly-TPD/PEDOT/掺杂石墨烯-1/TFT基板(阴极/ETL/EML/HTL/HIL/阳极/TFT基板)组成的完整显示器件。

根据本发明的另一个方面,还提供了一种显示装置,该显示装置包括以上所述的阵列基板。该阵列基板采用碳基材料代替金属材料作为导电材料来进行导电。碳基材料来源丰富,化学性质稳定,且没有毒性,有利于构建绿色、廉价器件。并且,采用碳基材料来制作阵列基板,而不需要金属元素,可以减少金属元素对环境和人体的潜在危害。并且,该阵列基板采用有机发光二极管进行发光时,该有机发光二极管的阳极和阴极均采用掺杂石墨烯材料制成,量子点发光层采用碳基材料制成,而不采用金属材料,可以进一步构建绿色、廉价器件,减少金属元素对环境和人体的潜在危害。

本发明以碳基材料替代显示装置中的金属元素,以具有优良导电性能和透光率的石墨烯代替金属和ITO作为导电电极,以具有高迁移率的半导体型碳纳米管作为TFT器件的有源层,以具有良好发光效率的碳点作为QLED发光层,可以不需要金属元素,减少金属元素对环境和人体的潜在危害。

虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

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