专利名称：一步实现图案化和自修饰界面的有机薄膜晶体管制备方法
技术领域：
本发明涉及一种有机薄膜晶体管(OTFT)的制备方法，特别涉及去润湿图案化制备OTFT的方法，具体地说是一种可去润湿自组装图案化，并同时实现相分离生成自修饰界面层的制备OTFT的一步法。
背景技术：
有机薄膜晶体管(OTFT)是一种用有机材料代替传统硅半导体材料的半导体器件。相对于硅基材料加工困难、成本很高，有机材料可以制备成溶液，在温和的条件下制备半导体器件，因而受到更多的关注，已经成为下一代显示技术中的核心环节。已有三星、索尼等多家显示巨头企业研发基于有机薄膜晶体管的集成电路。有机薄膜晶体管也因自己的柔性特点，成为了可折叠显示器、全景显示屏幕中不可缺少的技术成分。由于有机半导体薄膜通常都具有较大的体电导，如果电路中TFT器件的半导体薄膜互相连接，一方面容易在相邻器件之间产生串扰，另一方面也会使器件的漏电流大大增力口，导致开关电流比降低。这些问题的存在严重阻碍了 OTFT器件在大面积阵列及集成电路中的应用。去润湿图案化是通过具备改变基片的表面能，从而让溶液形态的半导体材料在基片的表面上有选择性的停留，实现半导体薄膜图案化的方法。这种方法可以均匀地改变基片的表面能(基片整体表面接触角跳跃小于5° )，制备精度较高的微图案，并且实现了制备速度快，制备环境温和的特点而受到学术界的重点研究，成为了研究半导体材料图案化的焦点。Byoung-Kwon Choo 等人(Journal of the Korean Physical Society, Vol. 48,No. 6，June 2006，pp. 1719_1722)对基片表面能的落差对半导体材料图案化的影响进行了研究，他们提出了当溶剂在基片上相对区域的接触角落差达到60°时，就可以很好地完成半导体薄膜的图案化这一观点。并且得到了精度在20um左右的图案。为了更好的完善这一技术,探寻更高效的反应条件，Hwa Sung Lee等人(JPhys.Chem. C2010,114，2329-2333)针对不同蒸发速率的半导体材料溶剂对图案化的影响进行了研究，他们在采用滴膜静置方法的前提下，提出了用氯苯这一溶剂进行图案化要优于其他溶剂的观点，并且得到了较好的器件性能。这种方法虽然可以很好地实现半导体材料的自组装图案化，但在器件的整体结构上存在致命的缺陷，因为半导体材料制备成溶液后，流动的溶液无法停留在表面能低的区域，只能停留在表面能很高的区域。但表面能很高的硅基片区域存在很多的羟基亲水基团，这些基团可以与载流子反应，形成载流子陷阱，阻碍了载流子的迁移，使得器件的性能大大的降低，并存在很大的磁滞效应。只有避免载流子与这些羟基基团陷阱接触，才可以提高器件的性能。在表面能较低的区域，虽然不存在羟基基团陷阱，但矛盾的是，半导体材料的溶液却无法在其上停留。为了避开这些亲水的羟基集团与载流子反应，一些报道提出了用HDMS、OTS等方法在半导体层与栅绝缘层间增加了一个新的界面，从而隔离载流子与硅基片上的羟基集团，得到了不错的效果。但这种方法使得制备工艺更加复杂化，具有更多的不可控性，器件的生产率大大下降。Wi Hyoung Lee, (Adv. Mater. 2009, 21,4243-4248)提出了一种用高分子聚合物与半导体材料形成的混合溶液进行有机薄膜半导体材料制备的方法，在溶剂蒸发的过程中，实现了小分子半导体材料与高分子聚合物绝缘层的相分离。在半导体层与删绝缘层之间增加了高分子聚合物绝缘层这一界面修饰层，让载流子的迁移行为发生在高分子聚合物绝缘层与小分子半导体层之间，避开了删绝缘层上羟基基团的载流子陷阱，得到了很好的器件性能，并且大大降低了磁滞效应。但一步法实现去润湿图案化和相分离自修饰界面层的有机薄膜晶体管器件的制备技术至今未见有任何形式的报道。
三
发明内容
本发明针对半导体材料自组装图案化方法中存在载流子陷阱的缺陷，旨在提供一种新的自组装图案化制备有机薄膜晶体管的方法，所要解决的技术问题是在半导体材料实现图案化的同时于基片和半导体材料之间通过相分离生成自修饰界面。本发明的思路是在选择性改变表面能的硅基片上，使有机半导体材料和高分子聚合物的有机溶液在基片表面低表面能的位置附着并滞留实现图案化，再通过有机溶剂的挥发实现有机半导体材料和高分子聚合物的相分离，使高分子聚合物形成绝缘层，从而隔绝载流子与基片表面羟基的反应，这就从根本上解决载流子陷阱问题。该绝缘层即是所称的自修饰界面。本发明的技术方案包括硅基片表面处理、有机半导体薄膜的形成和电极的配置，与现有技术的区别就在于图案化的半导体薄膜是这样形成的，将有机半导体材料和高分子聚合物于有机溶剂中配置浓度0. 5-5%的有机溶液，该有机溶液通过滴膜静置法均匀滴至已表面处理过的硅基片上，且硅基片呈15-30°倾角置放，将自组装完毕的器件脱溶干燥后得到图案化的并有自修饰界面的有机半导体薄膜，该薄膜与预留在硅基片上的金电极构成有机薄膜晶体管。除滴膜静置法以外，图案化的半导体薄膜还可以用高速旋涂法形成，将上述浓度
0.5-5 %的有机溶液通过高速旋涂法涂布到已表面处理过的硅基片上，将自组装完毕的器件脱溶干燥后得到图案化的并有自修饰层的有机半导体薄膜，在硅基片上配置金电极便得到有机薄膜晶体管。所述的有机半导体材料选自小分子半导体聚合物Tips-并五苯。所述的高分子聚合物选自聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯等。所述的有机溶剂选自氯苯、二氯苯(含对二氯苯、间二氯苯或邻二氯苯)等。有机溶液中有机半导体材料与高分子聚合物的质量比为4 1-1 1，所述的浓度0. 5-5%是有机半导体材料和高分子聚合物的总质量的质量百分浓度，优选1-4%，以2-3%为佳。本方法制备的有机薄膜晶体管由栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、高分子聚合物绝缘层和源、漏电极几部分组成。其中除了有机半导体层和高分子聚合物绝缘层外，其他的栅电极、栅绝缘层和源、漏电极的制备与现有的有机薄膜晶体管制备方法相同。本方法一步实现去润湿图案化，并且在此同时用聚合物捆绑半导体材料的方式，通过相分离生成自修饰界面层，从而提高载流子迁移率，也就是提高了有机薄膜晶体管的电学性能。 四
图I为高速旋涂法的工艺流程图。图2为本发明中基片表面处理以后，有机小分子半导体材料和高分子聚合物绝缘层材料的不同规格和尺寸的图案化金相显微镜照片。左为正常光，右为偏光；自上而下，图案直径依次为 100 Ii m, 150 u m, 200 u m, 250 u m, 300 u m。图3为本发明中有机薄膜晶体管器件沟道上层TIPS PEN结晶的原子力图。图4为本发明中有机薄膜晶体管器件被环己烷溶解掉TIPS PEN层之后的沟道下层(自修饰界面层)PMMA的原子力图。图5为实施例2器件的金相显微镜照片。左为正常光，右为偏光；自上而下依次为10倍，20倍，50倍。图6为实施例2器件的转移曲线图。图7是实施例2器件的输出曲线图。图8为实施例3器件的金相显微镜照片。左为正常光，右为偏光；自上而下依次为10倍，20倍，50倍。图9为实施例3器件的转移曲线图。图10是实施例3器件的输出曲线图。图11为实施例4器件的金相显微镜照片。左为正常光，右为偏光；自上而下依次为10倍，20倍，100倍。图12为实施例4器件的双向转移曲线图。图13是实施例4器件的输出曲线图。
五具体实施例方式非限定实施例叙述如下(一 )硅基片表面处理有以下两种方法I、金电极沟道氟化处理法在氩气的保护下用氟化硅烷蒸气处理整张已镀好金电极的硅基片，再用预先设计好的与金电极沟道配套使用的挡板覆盖在硅基片上除金电极间沟道和沟道边缘小范围金电极以外的区域，放到紫外臭氧清洗仪器中处理，得到金电极间沟道的基片表面具有很大表面能，其他区域基片表面具有很小表面能的具有有机溶液选择性的硅基片。2、空白硅基片的氟化处理法在氩气的保护下用氟化硅烷蒸气处理整张空白硅基片，再用预先设计好的挡板覆盖在硅片上，放到紫外臭氧清晰仪器中处理，得到表面能具有有机溶液选择性梯度的硅基片。( 二)有机溶液的配制
在微加热和磁力搅拌的条件下将小分子有机半导体材料与高分子聚合物绝缘体材料溶解在有机半导体和高分子聚合物的优良溶剂(如氯苯、二氯苯等)中，过夜充分溶解、静置、过滤，以得到小分子有机半导体材料和高分子聚合物绝缘体材料的有机溶液。(三)有机薄膜晶体管的制备滴膜静置法实施例I 将Tips-并五苯与聚苯乙烯(PS)按的80%/20%的比率溶解在40°C的氯苯中，静置、过滤，制成浓度为3%的溶液，然后将该溶液均匀滴至呈15° -30°倾角的已表面选择性处理的带金电极的硅片上，静置待薄膜均匀后，在120°C的热台上后烘30min，制备成膜。实施例2将Tips-并五苯与聚苯乙烯(PS)按的60%/40%的比率溶解在40°C的氯苯中，静置、过滤，制成浓度为3%的溶液，然后将该溶液均匀滴至呈15° -30°倾角的已表面选择性处理的带金电极的硅片上，静置待薄膜均匀后，在120°C的热台上后烘30min，制备成膜。实施例3将Tips-并五苯与聚苯乙烯(PS)按的50%/50%的比率溶解在40°C的氯苯中，静置、过滤，制成浓度为3%的溶液，然后将该溶液均匀滴至呈15° -30°倾角的已表面选择性处理的带金电极的硅片上，静置待薄膜均匀后，在120°C的热台上后烘30min，制备成膜。高速旋涂法实施例4如附图I所示，图中①-④是基片的处理工作，其中图①-②是空白硅基片的氟化处理过程，图③-④是UV-ZONE选择性还原的过程，在其上进行旋涂，将Tips-并五苯与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)按50% /50%的比率溶解在40°C的二氯苯中，过夜充分溶解、静置、过滤，制成2%的溶液,然后用初速度600rpm,6s,恒定速度4000rpm,210s的转速在硅片删制备薄膜，然后置于真空中过夜干燥。在溶剂挥发过程中实现相分离，得到上层为Tips-PEN、下层为 PMMA(ps)薄膜。金属挡板遮盖已自组装完毕的器件,用热蒸镀法制备厚度为50_100nm的金电极，完成器件制作。
权利要求
1.一种一步实现图案化和自修饰界面的有机薄膜晶体管的制备方法，包括硅基片的表面处理、有机半导体薄膜的形成和电极的配置，其特征在于所述的有机半导体薄膜的形成是将有机半导体材料Tips-并五苯和高分子聚合物按4 1-1 I的质量比混合溶解于有机溶剂中配成质量百分浓度0. 5-5%的有机溶液，该有机溶液通过滴膜静置法均匀滴至已表面处理过并预留有金电极且呈15-30°倾角置放的硅基片上，脱溶干燥后得到图案化的并有自修饰界面的有机半导体薄膜。
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于所述的高分子聚合物选自聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求I或2所述的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂选自氯苯或二氯苯。
4.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于=Tips-并五苯和高分子聚合物在有机溶剂中的质量百分浓度为1_4%。
5.根据权利要求I或4所述的制备方法，其特征在于=Tips-并五苯和高分子聚合物在有机溶剂中的质量百分浓度为2-3%。
6.一种一步实现图案化和自修饰界面的有机薄膜晶体管的制备方法，包括硅基片的表面处理、有机半导体薄膜的形成和电极的配置，其特征在于所述的有机半导体薄膜的形成是将有机半导体材料Tips-并五苯和高分子聚合物按4 1-1 I的质量比混合溶解于有机溶剂中配成质量百分浓度0. 5-5%的有机溶液，该有机溶液通过高速旋涂法涂布到已表面处理过的硅基片上，脱溶干燥后得到图案化的并有自修饰界面的有机半导体薄膜。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述的高分子聚合物选自聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂选自氯苯或二氯苯。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述的Tips-并五苯和高分子聚合物在有机溶剂中的质量百分浓度为1_4%。
10.根据权利要求6或9所述的制备方法，其特征在于所述的Tips-并五苯和高分子聚合物在有机溶剂中的质量百分浓度为2-3%。
全文摘要
一种一步实现图案化和自修饰界面的有机薄膜晶体管的制备方法，包括硅基片的表面处理、有机半导体薄膜的形成和电极的配置，其特征在于所述的有机半导体薄膜的形成是将有机半导体材料Tips-并五苯和高分子聚合物按4∶1-1∶1的质量比混合溶解于有机溶剂中配成质量百分浓度0.5-5％的有机溶液，该有机溶液通过滴膜静置法均匀滴至已表面处理过并预留有金电极且呈15-30°倾角置放的硅基片上，脱溶干燥后得到图案化的并有自修饰界面的有机半导体薄膜。本方法一步实现去润湿图案化，并通过相分离生成自修饰界面层，从而提高载流子迁移率，也就是提高了有机薄膜晶体管的电学性能。
文档编号H01L51/40GK102623639SQ201210102398
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者冯翔, 吕国强, 林广庆, 邱龙臻 申请人:合肥工业大学