直接在SiO₂介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方法

专利名称：直接在SiO₂介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方法
技术领域：
本发明涉及一种并五苯薄膜晶体管的制备方法，特别涉及一种直接在
Si02介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方法；该并五苯薄膜晶体管的迁移率 可高达1 cm2V-1s-1。
背景技术：
有机电子器件可以通过真空镀膜、溶液旋涂、喷墨打印、图案压印等方 法制备,具有制备工艺简单、低成本(仅为硅芯片的1%-10%)、易封装、可与 柔性衬底兼容以及可在室温条件下处理和可大面积批量生产等优点。当要求 大覆盖面积、机械弹性(柔性)、低温处理尤其是低成本时，有机电子器件有 望满足低端电子产品产业化的需求，因此近年来引起人们极大的研究兴趣。 有机薄胰晶体管是有机电子器件的核心元件，它的童要器件参数包括载流
子迁移率、电流开关比、阈值电压和亚阁值斜率。其中载流子迁移率决定晶 体管的速度和饱合电流，是评判有机薄膜晶体管优劣的最重要的器件指标。
由于良好的稳定性和相对高的场效应迁移率，并五苯(Pentacene C22H") 成为最为广泛的有机p型半导体材料。并五苯多晶薄膜在薄膜晶体管中作为 导电沟道层一般是釆用真空蒸镀的方法制备而成。介电层是并五苯基薄膜晶 体管中重要的组成部分，可选择多种介电材料，其中最为广泛应用的是在硅 衬底上热氧化生成的二氧化硅层(Si02 )。对有机小分子半导体薄膜的研究表 明，导电沟道主要存在于有机薄膜的最初几个分子层之中，因此并五苯薄膜 的初始生长状态对器件载流子迁移率的影响最大。 一般而言沉积并五苯的衬 底要尽量平整,有机薄膜沉积速率足够慢，以利于并五苯分子初始生长时形成 连续完整的膜。同时高的真空度和一定的生长温度都有利于高质量高迁移率 薄膜的获得。然而,即使是在非常平整的热氧化二氧化硅介电层上生长的并五 苯薄膜，目前文献报道的生长模式、薄膜结构以及场效应迁移率的差别也非 常大。这主要是由于并五苯薄膜的生长对衬底的表面清洁度、表面能、界面偶极等非常敏感。不同的表面清洗工艺包括湿法清洗、干法清洗和表面处理
工艺(如引入长链烷烃自组装层十八烷基三氯硅烷0TS等)都能对有机薄膜 晶体管迁移率产生很大影响。目前在未加修饰的Si02表面制备的并五苯场效 应晶体管的迁移率普遍不高，从O. lcmY's-i到0. 5cmV、—i不等，这主要是 由于与硅片清洗具有完整的工业化流程如(SC-1， SC-2等)不同，人们迄今 为止还没找到 一种普遍认可的有利于并五苯生长的S i 02清洗工艺。
目前，基于SiO厂OTS并五苯有机薄膜晶体管的载流子迁移率可达到1 cmTY1以上，但这类方法需要涉及比较复杂的单分子自组装层的制备工艺， 在处理过程中还会使用许多有毒试剂如曱苯、氯仿等，对人体和环境皆存在 潜在危害。而且在修饰过OTS和未加修饰的二氧化硅表面生长的并五苯薄膜 的形貌完全不同，预示着两种情况的并五苯生长^t式也不相同。所以^v实际 应用和基础科学研究的角度，都需要一种能够直接在二氧化硅表面上获得高 迁移率的并五苯薄膜晶体管的方法。

发明内容
本发明的目的在于提出一种新的、环境友好的、易于执行的直接在二氧 化硅介质层上制备高迁移率并五苯有机薄膜晶体管的方法.
本发明的技术方案是这样完成的
本发明提供的直接在Si02介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方法，包
括
在衬底层上制备栅电极； 在栅电极制备Si02介电层；
在Si02介电层上制备并五苯薄膜；和在并五苯薄膜上分别制备源电极和 漏电极；其特征在于，所述的在Si02介电层上制备并五苯薄膜为直接在Si02 介电层上制备并五苯薄膜；其步骤为
先用浓度5wt % ~ 29wt %的氨水溶液超声清洗Si02介电层；
再采用真空蒸镀的方法在经超声清洗Si02介电层沉积蒸镀并五苯薄膜， 其沉积速度为0. 001 ~ 0. 04nm/s，真空度为1 x 10_5mbar ~ 1 x l(T'mbar，温度 为室温到6(TC，沉积的并五苯薄膜厚度为30-100nm。
所述的衬底层为硅片、ITO(氧化铟锡)玻璃片、PS(聚苯乙烯)柔性片、 PI(聚酰亚胺)柔性片、P腿A (聚曱基丙烯酸曱酯)柔性片。。所述的栅电极为金属电极或B、 P掺杂的硅片。
所述Si02介电层为热氧化或者采用等离子增强化学气相沉积法制备的 Si02介电层，其厚度为lOOnm-500nm。
在上述方案中所述的源电极为Au电极、Pt电极、Ag电极或Al电极； 所述的漏电极为为Au电极、Pt电极、Ag电极或Al电极。
本发明提出的环境友好、易于并五苯成膜的Si02介电层表面处理清洗工 艺用氨水溶液对Si02介电层表面进行处理，在不改变硅片粗糙度的同时能 提供更亲水的表面以利于并五苯分子在表面成膜；其原理是(1 )选用与APM 清洗方法类似的NHJU)/H20溶液清洗Si02介电层表面，可有效的去除Si02 介电层表面的颗粒和金属沾污；(2 )上述处理的Si02介电层表面可获得大的 并五苯迁移(扩散)长度，获得完整的，无众多畴边界缺陷的二维膜。
本发明相对已有4支术具有如下优点
本发明所提出的制备并五苯有机薄膜晶体管的方法相对于目前制备基于 二氧化硅的并五苯有机薄膜晶体管的方法来说更环保，更简单，更安全.本发 明所提供的方法能在未加修饰的二氧化硅上制备迁移率高达1. QcmWi并 五苯有机薄膜晶体管。


图1为本发明方法制备的并五苯薄膜晶体管的结构示意图。
图2a、图2b和图2c为在相同并五苯沉积条件下沉积的名义厚度为0. 5
单分子层的并五苯薄膜在不同表面处理工艺处理的Si02介电层表面的
AFM形貌图。
其中图2a为0. 5ML并五苯在采用丙酮、乙醇和超纯水清洗处理的Si02 介电层表面的AFM形貌图2b为0. 5ML并五苯在采用传统的APM ( SC-1 NH4OH\H202\H20 )和 HPM(SC-2 HC1VH20AH20清洗处理的SiOz介电层表面的AFM形貌图 图2c为0. 5ML并五苯在采用实施例1的表面处理的Si02介电层表 面的AFM形貌图。
五苯薄膜晶;管):输ii性质曲线。、5 、、,，"图4为采用不同表面处理方式所获得器件(并五苯薄膜晶体管)的转移曲线。
在图3和图4中
曲线a为釆用丙酮、乙醇、超纯水清洗Si02介电层表面所获得的并五 苯薄膜晶体管的转移曲线；
曲线b为采用传统的APM和HPM清洗Si02介电层表面所获得的并五苯
薄膜晶体管的转移曲线；
曲线c采用实施例1的表面处理工艺清洗Si02介电层表面所获得的并 五苯薄膜晶体管的转移曲线。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例进一步描述本发明 实施例1
参考图1.首先在衬底上制作栅电极，本实施例中采用n型重掺杂硅片作 为衬底同时作为栅极；Si02介电层釆用热氧化Si02介电层，厚度在100~ 500腿均可；Si02介电层表面的清洗是在氨水溶液中超声清洗，其中氨水 溶液浓度13wt%，经AFM测试本实施例的经氨水处理前后的Si02介电层表 面的粗糙度没有变化；接触角测试表明处理后接触角变小；随后在表面处理 后的Si02介电层上釆用真空蒸镀的方法制备并五苯薄膜，沉积速度0. 001 ~ 0. 04nm/s,真空度为1 x l(T5mbar~l x 10—7mbar，衬底温度为室温到60°C,厚 度为30 ~ 100nm;再在并五苯薄膜上分别制备源电极和漏电极，其中源漏电极 采用的材料可以是Au、 Pt、 Ag或者Al;
2a、图2b和图2c为在相同并五苯沉积条件下沉积的名义厚度为0.5 单分子层的并五苯薄膜在不同表面处理工艺处理的Si02介电层表面的 AFM形貌图
图2a为0. 5ML并五苯在采用丙酮、乙醇和超纯水清洗处理的Si02介电 层表面的AFM形貌图2b为0. 5ML并五苯在采用传统的APM ( SC-1 NH4OH\H202\H20 )和 HPM(SC-2 HC1\H202\H20清洗处理的Si02介电层表面的AFM形貌图 图2c为0. 5ML并五苯在采用本实施例的表面处理的Si02介电层表面的 AFM形貌图。
实验结果表明，采用本发明所提出的二氧化硅表面处理方法可以使并五苯分子初始生长是以层状模式而不是以岛状模式生长，这相对于一般的 清洗工艺而言大大改善了并五苯薄膜的连续性，使其载流子迁移率达到
1. 00 cm2V—Y1，远大于图2a和图2b方法处理的载流子迁移率0. 22 cm2V—'s—1 和0. 17 cm2V—、—1。
实施例2
参考图1.首先在衬底上制作栅电极，本实施例中采用n型重掺杂硅片作为 衬底同时作为栅极；介电层采用热氧化Si02介电层，厚度约250nm;介电层 表面清洗的方法是在氨水溶液中超声清洗，其中氨水溶液浓度5wt%;随 后在表面处理后的Si02介电层上，采用真空蒸镀的方法制备并五苯薄膜，沉 积速度0. 001 ~ 0. 04nm/s,真空度为1 x 10—5mbar—1 x 10_7mbar,衬底温度为 室温到60°C,厚度为30 100nm;再在并五苯薄膜上分别制备源电极和漏电 极，其中源漏电极采用的材料可以是Au、 Pt、 Ag或者Al;
实施例3
参考图1。衬底采用ITO(氧化铟锡)玻璃；栅电极为Au，厚度为150腿；Si02 绝缘层采用PECVD方法制备，厚度为200nrn; Si02介电层表面清洗的方法是 在氨水溶液超声清洗，其中氨水溶液浓度29wt。/。；随后在表面处理后的Si02 绝缘层上，沉积速度0. 001 ~ 0. 04腿/s，真空度为1 x 10—5mbar~l x 10—7mbar， 衬底温度为室温到60°C，厚度为30 100nm;再在并五苯薄膜上分别制备源 电极和漏电才及，其中源漏电才及采用的材料可以是Au、 Pt、 Ag或者Al;
本发明涉及的实施方式还可以多样化。衬底除了采用硅片外还可以是ITO(氧 化铟锡)玻璃，柔性衬底如PS(聚苯乙烯)、PI(聚酰亚胺)、P画A(聚曱基 丙埽酸曱酯)等；栅电极除了 B、 P掺杂的硅片还可以采用Au、 Ag、 Pt、 In 等金属；源漏电极除了采用Au外，还可以采用Pt、 Ag、 Al等；并五苯薄膜 的沉积条件真空度1 x l(r5mbar ~ 1 x 10-7mbar，衬底温度可为室温到60°C, 沉积速度0. 001 ~ 0. 04nm/s;各层的厚度不唯一，Si02介电层厚度为 lOOnm-500nm,并五苯薄膜厚度30-1G0nm。
权利要求
1.一种直接在SiO2介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方法，包括在衬底层上制备栅电极；在栅电极制备SiO2介电层；在SiO2介电层上制备并五苯薄膜；和在并五苯薄膜上分别制备源电极和漏电极；其特征在于，所述的在SiO2介电层上制备并五苯薄膜的步骤为先用浓度5wt％～29wt％的氨水溶液超声清洗SiO2介电层；再采用真空蒸镀的方法在经氨水溶液清洗的SiO2介电层上蒸镀并五苯薄膜，其沉积速度为0.001～0.04nm/s，真空度为1×10-5mbar～1×10-7mbar，温度为室温到60℃，沉积的并五苯薄膜厚度为30-100nm。
2. 按权利要求1所述的直接在Si02介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方 法，其特征在于，所述的衬底层为硅片、ITO (氧化铟锡)玻璃片、PS(聚苯 乙烯)柔性片、PI(聚酰亚胺)柔性片、P画A (聚曱基丙烯酸曱酯)柔性片。
3. 按权利要求1所述的直接在Si02介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方 法，其特征在于，所述的栅电极为金属电极或B、 P掺杂的硅片。
4. 按权利要求1所述的直接在Si02介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方 法，其特征在于，所述Si02介电层为热氧化或者采用等离子增强化学气相沉 积法制备的Si02介电层，其厚度为lOOnm-500nm。
5. 按权利要求1所述的直接在Si02介电层上制备并五苯薄膜晶体管的 方法，其特征在于，所述的源电极为Au电极、Pt电极、Ag电极或Al电极； 所述的漏电极为Au电极、Pt电极、Ag电极或Al电极。
全文摘要
一种直接在SiO₂介电层上制备并五苯薄膜晶体管的方法，包括在衬底层上制备栅电极；在栅电极上制备SiO₂介电层；在SiO₂介电层上制备并五苯薄膜；和在并五苯薄膜上分别制备源电极和漏电极；在SiO₂介电层上制备并五苯薄膜的步骤为先用浓度5wt％～29wt％的氨水溶液超声清洗SiO₂介电层；再采用真空蒸镀的方法在经超声清洗SiO₂介电层沉积蒸镀并五苯薄膜，其沉积速度为0.001～0.04nm/s，真空度为1×10^-5mbar～1×10^-7mbar，温度为室温到60℃，沉积的并五苯薄膜厚度为30-100nm。该方法简单，安全和环保，且能获得高迁移率的晶体管。
文档编号H01L51/40GK101587940SQ20081011197
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者余爱芳, 潮 江, 琼 祁 申请人:国家纳米科学中心