一种有机薄膜晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种有机薄膜晶体管及其制备方法，其特征在于：晶体管是在设置有栅电极的基板上覆盖有绝缘层，在绝缘层上覆盖有表面修饰层，表面修饰层经紫外光照射后发生交联反应，在发生交联反应后的表面修饰层上设置有有机半导体层和与有机半导体层呈欧姆接触的源电极和漏电极，源电极和漏电极通过有机半导体层连通。本发明有机薄膜晶体管利用紫外光照表面修饰层，使高分子聚合物发生交联反应，在半导体层与栅绝缘层之间增加了高分子聚合物界面修饰层，从而避开了栅绝缘层上羟基基团的载流子陷阱，得到了很好的器件性能，并且大大降低了迟滞效应。
【专利说明】一种有机薄膜晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有机薄膜晶体管，属于半导体器件领域。
【背景技术】
[0002]有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor,简称0TFT)是一种用有机材料代替传统硅半导体材料的半导体器件。有机材料相对于硅基材料加工困难、成本很高，但有机薄膜晶体管(OTFT)因具有成本低、质量轻、可低温加工、适于制作柔性显示器件等优点，平板显示中有非常大的应用前景，因此受到科研工作者的重视。自从1987年第一个有机薄膜晶体管诞生以来，无论是对OTFT绝缘材料、半导体材料、电极材料的研究，还是对器件结构的改良，都取得了长足的发展。在影响OTFT性能诸多因素当中，绝缘层与有源层之间的界面对整个有机薄膜晶体管的性能有至关重要的影响。因此选择一种合适的表面修饰对制作高性能的OTFT有很大影响。
[0003]由于有机半导体薄膜通常都具有使用寿命，如果在集成电路中使用薄膜晶体管器件，一方面容易造成器件性能下降，降低显示效果，另一方面也会使器件出现坏点，还会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。
[0004]紫外光照栅绝缘层通过发生交联反应，从而改变半导体材料的沉积模式，实现半导体薄膜成膜特点发生变化。这种方法可以使器件的偏压稳定性增强，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，成为了研究的焦点。
[0005]目前主要采用增加表面修饰层分子量的方法提高偏压稳定性。增加表面修饰层的分子量对制作的器件在结构上存在致命的缺陷，因为分子量的加成制作有很大难度。
[0006]现有技术的缺陷在于，采用其他工艺，制作难度大，偏压稳定性差，并且很难获得高的电学性能。
【发明内容】
[0007]本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种制备工艺简单的有机薄膜晶体管及其制备方法，以期可以有效提高有机薄膜晶体管的偏压稳定性。
[0008]本发明解决技术问题，采用如下技术方案:
[0009]本发明有机薄膜晶体管，其特点在于:所述晶体管是在设置有栅电极的基板上覆盖有绝缘层，在绝缘层上覆盖有表面修饰层，所述表面修饰层经紫外光照射后发生交联反应，在发生交联反应后的表面修饰层上设置有有机半导体层和与所述有机半导体层呈呈欧姆接触的源电极和漏电极，所述源电极和漏电极通过有机半导体层连通。
[0010]本发明有机薄膜晶体管，其特点也在于:所述基板为硅片、玻璃或者塑料。
[0011]所述紫外光的波长为100nm-280nm，所述紫外光的照射时间为30s-180min，所述紫外光的强度为 IOOuw/cm2-100000uw/cm2。
[0012]所述栅电极为Ta电极、Ti电极、W电极、Al电极、ITO电极、Cr电极、Au电极、Ag电极或Mo电极。
[0013]所述有机半导体层为并五苯半导体层、红荧烯半导体层，酞菁铜半导体层，酞菁锌半导体层，酞菁镍半导体层，氟代酞菁铜半导体层、氟代酞菁铬半导体层、苯并噻吩并[3，2-b]苯并噻吩半导体层、二萘并[2，3-b:2’，3’ -f]噻吩并[3，2-b]噻吩半导体层、C60半导体层、萘二酰亚胺半导体层或茈二酰亚胺半导体层。
[0014]所述绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层、氧化钛层、氧化铊层、环氧树脂层、聚酰亚胺层、聚甲基丙烯酸甲酯层、聚乙烯醇层、聚偏氟乙烯层、聚乙烯基苯酚层或聚硅氧烷层中的一种或任意两种复合。
[0015]所述源电极和漏电极为Ta电极、Ti电极、W电极、Al电极、ITO电极、Cr电极、Au电极、Ag电极、Mo电极或石墨烯电极中的同一种或任意不同的两种。
[0016]所述表面修饰层为聚苯乙烯薄膜层、聚乙烯基肉桂酸酯薄膜层或聚α -甲基苯乙烯薄膜层。
[0017]所述聚苯乙烯薄膜层按如下方法进行制备:以甲苯为溶剂、以聚苯乙烯为溶质，配制聚苯乙烯溶液，震荡30min，用旋涂仪以1000-4500rad/min的速度将所述聚苯乙烯溶液旋涂到绝缘层，然后在100-200°C条件下烘10-60min，获得聚苯乙烯薄膜，所述聚苯乙烯薄膜的厚度为10ηπι-2μπι;
[0018]所述聚乙烯基肉桂酸酯薄膜层按如下方法进行制备:以甲苯为溶剂、以聚乙烯基肉桂酸酯为溶质，配制聚乙烯基肉桂酸酯溶液，震荡30min，用旋涂仪以1000-4500rad/min的速度将所述聚乙烯基肉桂酸酯溶液旋涂到绝缘层，然后在100-200°C条件下烘10-60min,获得聚乙烯基肉桂酸酯薄膜,所述聚乙烯基肉桂酸酯薄膜的厚度为10nm_2 μ m ；
[0019]所述聚α-甲基苯乙烯薄膜层按如下方法进行制备:以甲苯为溶剂、以聚α-甲基苯乙烯为溶质，配制聚α -甲基苯乙烯溶液，震荡30min，用旋涂仪以1000_4500rad/min的速度将所述聚α -甲基苯乙烯溶液旋涂到绝缘层，然后在100-200°C条件下烘10-60min，获得聚α -甲基苯乙烯薄膜，所述聚α -甲基苯乙烯薄膜的厚度为10nm-2ym。
[0020]本发明有机薄膜晶体管的制备方法，其特点在于:按如下步骤进行:
[0021]a、通过光刻、镀膜的方式在基板的上表面设置栅电极；
[0022]b、在设置有栅电极的基板上制备绝缘层，使绝缘层覆盖在栅电极及基板上表面；
[0023]C、在绝缘层上设置表面修饰层，然后用紫外光照射表面修饰层使其发生交联反应；
[0024]d、在表面修饰层的上表面蒸镀半导体层，然后成对设置与所述半导体层呈欧姆接触的电极作为半导体层的源电极和漏电极；
[0025]或在表面修饰层的上表面成对设置源电极和漏电极，然后再蒸镀连接所述源电极与漏电极的半导体层。
[0026]优选的，当以聚苯乙烯薄膜层作为表修饰层，以并五苯半导体层作为有机半导体层，按如下步骤进行制备:
[0027]a、通过光刻、镀膜的方式在基板的上表面设置栅电极；
[0028]b、在基板上制备绝缘层，使绝缘层覆盖在栅电极及基板上表面；
[0029]C、以甲苯为溶剂、以聚苯乙烯为溶质,配制浓度为5mg/ml的聚苯乙烯溶液,震荡30min,用旋涂仪以3500rad/min的速度将所述聚苯乙烯溶液旋涂到绝缘层(3)上,然后在120°C热台上烘30min，获得厚度为20nm的聚苯乙烯薄膜层；
[0030]d、将设置有聚苯乙烯薄膜层的基板放入手套箱中，用256nm紫外光照射聚苯乙烯薄膜的表面30s-10min ；
[0031]e、在经紫外光照射的聚苯乙烯薄膜的表面通过蒸镀设备蒸镀60nm并五苯半导体层；
[0032]f、在所述并五苯半导体层的上表面成对设置65nm的金电极作为并五苯半导体层的源电极和漏电极。
[0033]聚苯乙烯(PS)在100nm-280nm紫外光源照射下发生交联反应，使表面特性发生改变，有助于半导体层形成的方向发展，反应式如图2所示。
[0034]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0035]1、本发明有机薄膜晶体管利用紫外光照表面修饰层，使高分子聚合物发生交联反应，在半导体层与栅绝缘层之间增加了高分子聚合物界面修饰层，从而避开了栅绝缘层上羟基基团的载流子陷阱，得到了很好的器件性能，并且大大降低了迟滞效应，紫光光照稳定性好，方便快捷，使机薄膜晶体管具有较高迁移率及较高的偏压稳定性，提高了器件的使用寿命，且制备工艺简单、电学性能稳定，良率高；
[0036]2、本发明有机薄膜晶体管的制备方法简单，适用于大规模工业生产；
[0037]3、本发明有机薄膜晶体管可以采用柔性基底，易于柔性器件的制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明有机薄膜晶体管的结构示意图；
[0039]图2为聚苯乙烯发生交联反应图示。
[0040]图3为不同表面修饰层器件输出特性曲线和转移特性曲线。
[0041]图4为不同表面修饰层偏压应力曲线。
[0042]图5为偏压应力下不同表面修饰OTFT器件Ids (t)/Ids (O)与时间的关系。
[0043]图中标号:1基底；2栅电极；3绝缘层；4表面修饰层；5有机半导体层；6源电极；7漏电极。
具体实施例
[0044]实施例1
[0045]如图1所示，本实施例有机薄膜晶体管是在设置有栅电极2的基板I上覆盖有绝缘层3，在绝缘层3上覆盖有表面修饰层4，表面修饰层4经紫外光照射后发生交联反应，在发生交联反应后的表面修饰层上设置有有机半导体层5和与有机半导体层呈欧姆接触的源电极6和漏电极7，源电极6和漏电极7通过有机半导体层5连通。图1 (a)中半导体层与源电极6和漏电极7为顶接触形式，也可以采用图1 (b)中所示的底接触形式。
[0046]本实施例有机薄膜晶体管以按如下步骤进行制备:
[0047]a、以甲苯为溶剂、以聚苯乙烯为做溶质，配制浓度为5mg/ml的聚苯乙烯溶液,震荡30min，使聚苯乙烯充分溶解；取基底为N型重掺杂硅片作为基底，以其作为栅电极，在其热氧化生长一层二氧化硅层作为绝缘层，用旋涂仪以3500rad/min的速度将聚苯乙烯溶液旋涂到绝缘层上，然后在120°C热台上烘30min，获得厚度为20nm的聚苯乙烯薄膜；[0048]b、将设置有聚苯乙烯薄膜的基板放入手套箱中，用256nm紫外光照射聚苯乙烯薄膜的表面，光强为15000uw/cm2,分别照射不同时间0min、30s、3min、IOmin使栅绝缘层发生不同时间的光化学反应；
[0049]为表征不同照射时间发生交联反应的程度，用表面能和接触角进行表示，采用geometric mean method 公式(1+cos Θ t) y t=2 {( y td y sd)1/2+ ( y tp y sp)1/2}计算表面能，其中Θ是接触角，^和^分别为固体液体界面的表面能，对不同修饰的表面特性进行定量表征，并通过水和二碘甲烷表述接触角。表1反应了发生交联反应程度不同所对应的接触角和表面能，把栅绝缘层的表面性质给定量化。不同的表面性质对半导体的生长有很大影响，最终影响OTFT的电学性能和偏压稳定性。
[0050]表1紫外光照不同时间PS表面水和二碘甲烷的接触角，以及表面能
【权利要求】
1.一种有机薄膜晶体管，其特征在于:所述晶体管是在设置有栅电极(2)的基板(I)上覆盖有绝缘层(3 )，在绝缘层(3 )上覆盖有表面修饰层(4 )，所述表面修饰层(4 )经紫外光照射后发生交联反应，在发生交联反应后的表面修饰层上设置有有机半导体层(5)和与所述有机半导体层呈欧姆接触的源电极(6)和漏电极(7)，所述源电极(6)和漏电极(7)通过有机半导体层(5)连通。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述基板(I)为硅片、玻璃或者塑料。
3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述表面修饰层(4)为聚苯乙烯薄膜层、聚乙烯基肉桂酸酯薄膜层或聚α-甲基苯乙烯薄膜层。
4.根据权利要求1或3所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述紫外光的波长为100nm-280nm，所述紫外光的照射时间为30s_180min，所述紫外光的强度为IOOuw/cm2-100000uw/cm2。
5.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述栅电极(2)为Ta电极、Ti电极、W电极、Al电极、ITO电极、Cr电极、Au电极、Ag电极或Mo电极。
6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述有机半导体层为并五苯半导体层、红荧烯半导体层，酞菁铜半导体层，酞菁锌半导体层，酞菁镍半导体层，氟代酞菁铜半导体层、氟代酞菁铬半导体层、苯并噻吩并[3，2-b]苯并噻吩半导体层、二萘并[2，3-b:2’，3’ -f]噻吩并[3，2-b]噻吩半导体层、C60半导体层、萘二酰亚胺半导体层或茈二酰亚胺半导体层。
7.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层、氧化钛层、氧化铊层、环氧树脂层、聚酰亚胺层、聚甲基丙烯酸甲酯层、聚乙烯醇层、聚偏氟乙烯层、聚乙烯基苯酚层或聚硅氧烷层中的一种或任意两种复合。
8.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于:所述源电极(6)和漏电极(7)为Ta电极、Ti电极、W电极、Al电极、ITO电极、Cr电极、Au电极、Ag电极、Mo电极或石墨烯电极中的同一种或任意不同的两种。
9.一种权利要求1所述有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于:按如下步骤进行: a、通过光刻、镀膜的方式在基板的上表面设置栅电极； b、在设置有栅电极的基板上制备绝缘层，使绝缘层覆盖在栅电极及基板上表面； C、在绝缘层上设置表面修饰层，然后用紫外光照射表面修饰层使其发生交联反应； d、在表面修饰层的上表面蒸镀半导体层，然后成对设置与所述半导体层呈欧姆接触的电极作为半导体层的源电极和漏电极； 或在表面修饰层的上表面成对设置源电极和漏电极，然后再蒸镀连接所述源电极与漏电极的半导体层。
10.一种权利要求1所述有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于:以聚苯乙烯薄膜层作为表修饰层，以并五苯半导体层作为有机半导体层，按如下步骤进行制备: a、通过光刻、镀膜的方式在基板的上表面设置栅电极； b、在基板上制备绝缘层，使绝缘层覆盖在栅电极及基板上表面； C、以甲苯为溶剂、以聚苯乙烯为溶质，配制浓度为5mg/ml的聚苯乙烯溶液，震荡30min,用旋涂仪以3500rad/min的速度将所述聚苯乙烯溶液旋涂到绝缘层(3)上,然后在120°C热台上烘30min，获得厚度为20nm的聚苯乙烯薄膜层； d、将设置有聚苯乙烯薄膜层的基板放入手套箱中，用256nm紫外光照射聚苯乙烯薄膜的表面 30s_10min ； e、在经紫外光照射的聚苯乙烯薄膜的表面通过蒸镀设备蒸镀60nm并五苯半导体层； f、在所述并五苯半导体层的上表面成对设置65nm的金电极作为并五苯半导体层的源电极和漏 电极。
【文档编号】H01L51/10GK103730574SQ201310744365
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】邱龙臻, 林广庆, 李鹏, 朱闵, 陈梦婕, 王迎, 陆红波, 吕国强 申请人:合肥工业大学