一种有机薄膜晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及有机电子和光电子技术领域，具体而言，涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术

有机薄膜晶体管(organicthinfilmtransistor，otft)具有加工工艺简单、成本低廉、易封装、可与柔性衬底兼容以及可低温大面积生产等优点，在电子标签、射频识别卡和平板显示驱动等方面应用前景广阔而成为下一代显示技术研究与产业化焦点。在otft器件架构中，顶栅－底接触型结构因其具有高栅极效率、低寄生电容等优点更有利于实现otft大规模制造。

通常制备大面积otft阵列基板时，有机半导体层和有机绝缘层分别采用旋涂工艺形成，然而在旋涂过程中，旋转基板的离心力会使有机层材料流动并部分聚集到基板边缘及背面形成凸起，在后续的图案化工艺过程中，凸起的涂层材料会脱落而引起有机层脱膜，最终导致器件制备失败或电学性能减低。

现有技术中，有机层的凸起边缘通常使用溶剂法进行去除。如：使用丙二醇甲醚醋酸酯pgmea、乙二醇单甲醚乙酸酯egmea或甲苯等有机物，对环境不友好，不适合大规模显示器件生产应用，残留溶剂会影响有机半导体材料的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种有机薄膜晶体管的制备方法，能够有效地解决有机层脱膜问题，得到高质量、厚度均一的有机绝缘层。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制备得到的有机薄膜晶体管，其电学性能更佳。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、在形成有源漏极的基板上形成有机半导体层；

(2)、在有机半导体层的远离基板的一侧形成有机绝缘层；

(3)、干刻有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘；

(4)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的一侧形成栅极。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述凸起边缘的宽度为0.5－100mm；

优选地，凸起边缘的宽度为1－80mm；

优选地，凸起边缘的宽度为2－50mm。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述干刻的刻蚀气体为氧气或者氧气与氩气、氦气、四氟化碳中的至少一种组成的混合气体。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)之前，还包括：对形成有机绝缘层的基板进行第一次退火。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述第一次退火是在温度为40－75℃的条件下退火1－10min；

优选地，第一次退火是在温度为45－65℃的条件下退火2－6min。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)之后，还包括：将干刻以后的有机绝缘层进行第二次退火。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述第二次退火是在温度为80－120℃的条件下退火1－20min；

优选地，第二次退火是在温度为85－110℃的条件下退火5－15min。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述第二次退火以后，还包括：进行第三次退火。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述第三次退火是在温度为125－200℃的条件下退火5－40min；

优选地，第三次退火是在温度为130－180℃的条件下退火10－30min。

一种有机薄膜晶体管，由上述有机薄膜晶体管的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明的较佳实施例提供的有机薄膜晶体管及其制备方法的有益效果包括：

形成有机绝缘层以后，采用干刻的方式将有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘去除，有效地解决了有机层脱膜问题，得到高质量、厚度均一的有机绝缘层，使得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流比增大，提高了有机薄膜晶体管的电学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本发明的保护范围。

图1为本发明实验例提供的有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘干刻前的示意图；

图2为本发明实验例提供的有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘干刻后的示意图；

图3为本发明实验例2提供的有机绝缘层的厚度检测选取点图；

图4为本发明实验例3提供的有机绝缘层的偏光显微镜图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的有机薄膜晶体管及其制备方法进行具体说明。

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择基板，例如：玻璃基板、硅基板；聚萘二甲酸乙二醇(pen)基板、聚醚砜(pes)基板、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)基板、聚酰亚胺(pi)基板、聚乙烯醇(pva)基板等柔性塑料基板。本实施例中，基板的形状与厚度均不受限制，只要能够进行有机薄膜晶体管的制备即可。

(2)、在基板的表面形成源漏极，可选地，漏极和源极均形成在基板的表面。

本实施例中，源极和漏极的材料相同，可为金属包括金(au)、钛(ti)、银(ag)、铝(al)、铜(cu)、镍(ni)、钨(w)、钼(mo)、铬(cr)、钕(nd)、金浆、银浆、铜浆一种或几种；导电聚合物；金属氧化物；碳材料包括石墨烯、碳纳米管及掺杂或复合材料；纳米银线或纳米铜线。源漏极薄膜形成的方法包括磁控溅射、真空蒸镀、喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、化学气相沉积、卷对卷印刷、微接触印刷、纳米压印中的一种。电极膜厚为0.1－500nm，可选地，电极膜厚为10－300nm，可选地，电极膜厚为20－100nm。

可选地，在基板的表面形成第一金属层，对第一金属层进行图案化处理，以形成源极和漏极。本实施例中，在基板的表面形成源漏极的方法为现有的方法，此处不再详述。

(3)、在形成有源漏极的基板上形成有机半导体层。在源极上、漏极上以及基板未被漏极和源极覆盖的区域形成有机半导体层。

具体地，先制备混合溶液，再将混合溶液通过旋涂、喷涂、浸涂、刮刀涂布、接触式涂布或狭缝式涂布的方式涂布于源极、漏极上以及基板未被源极和漏极覆盖的区域，得到的有机半导体层的膜厚为5－200nm，可选地，膜厚为10－100nm，可选地，膜厚为15－50nm，此处的膜厚指的是源极和漏极上以及基板未被源极和漏极覆盖的区域形成的有机半导体层的厚度。

本实施例中，混合溶液包括有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂，其中，有机小分子为并苯类化合物、噻吩类化合物或四硫富瓦烯类化合物等半导体分子，聚合物粘合剂为二苯并五环类高分子化合物和芳胺类高分子化合物，有机溶剂为四氢化萘、均三甲苯、邻甲基苯甲醚、二甲苯、苯乙醚或溴苯的一种或几种共混物。

(4)、在有机半导体层的远离基板的一侧形成有机绝缘层。如图1，其中，1为基板，2为源漏极，3为有机半导体层，4为有机绝缘层。有机绝缘层通过旋涂、喷涂、浸涂、刮刀涂布、接触式涂布或狭缝式涂布的方式将氟聚合物类绝缘材料涂布于有机半导体层的远离基板的表面。

可选地，有机绝缘层的膜厚为10－1000nm，可选地，膜厚为50－800nm，可选地，膜厚为100－500nm。

(5)、对形成有机绝缘层的基板进行第一次退火。第一次退火是在温度为40－75℃的条件下退火1－10min；优选地，第一次退火是在温度为45－65℃的条件下退火2－6min。

在较低的温度下进行第一次退火，能够去除有机绝缘层中的大部分溶剂，使有机绝缘层的流动性减弱，且能够避免有机绝缘层分子高度交联，利于后续进行干刻。

(6)、干刻有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘，如图2，与图1相比，有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘被干刻掉。有效地解决有机层脱落问题，得到高质量、厚度均一的有机绝缘层，获得电学性能更佳的有机薄膜晶体管。

本实施例中，干刻的刻蚀气体为氧气或者氧气与氩气、氦气和四氟化碳中的至少一种组成的混合气体。干刻的方法具体为：在干刻机中放置掩模板，遮住不需要干刻的有效区域，对需要干刻的有机层边缘凸起区域进行刻蚀。刻蚀时间为10s－20min；优选地，刻蚀时间为20s－15min；优选地，刻蚀时间为30s－10min。等离子体压力为50－1000mtorr，优选地，等离子体压力为80－800mtorr；优选地，等离子体压力为100－600mtorr。等离子体功率为100－1000w；优选地，等离子体功率为200－800w；优选地，等离子体功率为300－600w。

干刻以后，有机绝缘层的覆盖面积和有机半导体层的覆盖面积一致，通过干刻方式能够精确地控制去除有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘的距离，与现有的溶剂法相比，能够避免去除有机层凸起边缘时溶剂对器件产生的不良影响，适合大面积有机薄膜晶体管的制备。

可选地，凸起边缘的宽度为0.5－100mm；优选地，凸起边缘的宽度为1－80mm；优选地，凸起边缘的宽度为2－50mm。其中，凸起边缘的宽度是指在干刻放置掩模板以后，掩模板的边缘与基板边缘的距离，使去除有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘的控制更加精确。

(7)、将干刻后的有机绝缘层进行第二次退火。第二次退火是在温度为80－120℃的条件下退火1－20min；优选地，第二次退火是在温度为85－110℃的条件下退火5－15min。

对干刻后的有机绝缘层进行中温退火，可进一步去除有机绝缘层的剩余溶剂，形成致密性更高的薄膜。

(8)、第二次退火以后，还包括：进行第三次退火。第三次退火是在温度为125－200℃的条件下退火5－40min；优选地，第三次退火是在温度为130－180℃的条件下退火10－30min。

对干刻后的有机绝缘层依次进行中温退火和高温退火，能够有效地去除有机绝缘层中残留的溶剂，形成高度交联、高度致密性、高质量、厚度均一的有机绝缘层薄膜，避免有机绝缘层薄膜中存在气泡或麻点，也避免脱膜，使得到的有机薄膜晶体管的电学性能更佳。

(9)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的一侧形成栅极。通过真空蒸镀技术在有机绝缘层表面形成栅极。

本实施例中，栅极的材料为金属，包括金(au)、钛(ti)、银(ag)、铝(al)、铜(cu)、镍(ni)、钼(mo)、铬(cr)、钕(nd)、氧化铟锡(ito)一种或几种。通过真空蒸镀方式沉积于上述有机绝缘层的表面。电极膜厚为5－1000nm，可选地，电极膜厚为10－500nm，可选地，电极膜厚为20－200nm。

具体地，栅极的制备方法包括：通过真空蒸镀技术在有机绝缘层的表面沉积第二金属层，第二金属层表面涂布光阻层，进行曝光、显影工艺之后进行蚀刻处理得到栅极。

可选地，通过蚀刻对第二金属层进行图案化处理，然后通过干刻对有机绝缘层和有机半导体层进行可控反应离子刻蚀，形成otft器件。

在其他实施例中，通过干刻对第二金属层、有机绝缘层和有机半导体层进行图案化处理，形成otft器件。干刻和蚀刻的方法为现有的方法，此处不再详述。

通过上述制备方法得到的有机薄膜晶体管，其有机绝缘层的薄膜厚度更加均一，致密性好，不会存在气泡或麻点，避免脱膜，最后得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压降低，电流比增大，大大提高了有机薄膜晶体管的电学性能。

实施例1

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘进行干刻。

(5)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实施例2

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、在温度为50℃的条件下进行第一次退火5min。

(5)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，在干刻机中放置掩膜板，遮住不需要干刻的有效区域，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘在干刻时间为5min、等离子体压力为300mtorr、等离子体功率为500w的条件下进行干刻。

(6)、在温度为90℃的条件下进行第二次退火10min，在温度为150℃的条件下进行第三次退火10min。

(7)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实施例3

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、在温度为50℃的条件下进行第一次退火5min。

(5)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，在干刻机中放置掩膜板，遮住不需要干刻的有效区域，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘在干刻时间为5min、等离子体压力为300mtorr、等离子体功率为500w的条件下进行干刻。

(6)、在温度为100℃的条件下进行第二次退火10min，在温度为135℃的条件下进行第三次退火10min。

(7)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实施例4

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、在温度为50℃的条件下进行第一次退火5min。

(5)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，在干刻机中放置掩膜板，遮住不需要干刻的有效区域，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘在干刻时间为5min、等离子体压力为300mtorr、等离子体功率为500w的条件下进行干刻。

(6)、在温度为90℃的条件下进行第二次退火10min，在温度为180℃的条件下进行第三次退火10min。

(7)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实施例5

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、在温度为50℃的条件下进行第一次退火5min。

(5)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，在干刻机中放置掩膜板，遮住不需要干刻的有效区域，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘在干刻时间为5min、等离子体压力为300mtorr、等离子体功率为500w的条件下进行干刻。

(6)、在温度为110℃的条件下进行第二次退火5min，在温度为180℃的条件下进行第三次退火10min。

(7)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实施例6

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、在温度为60℃的条件下进行第一次退火2min。

(5)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，在干刻机中放置掩膜板，遮住不需要干刻的有效区域，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘在干刻时间为5min、等离子体压力为300mtorr、等离子体功率为500w的条件下进行干刻。

(6)、在温度为100℃的条件下进行第二次退火10min，在温度为150℃的条件下进行第三次退火15min。

(7)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实施例7

有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：

(1)、选择玻璃基板，在玻璃基板的表面形成厚度为50nm的源漏极。

(2)、在源极、漏极以及基板未被源极和漏极覆盖的区域的表面涂布由有机小分子、聚合物粘合剂和有机溶剂组成的混合溶液形成厚度为30nm的有机半导体层。

(3)、在有机半导体层的远离基板的表面涂布氟聚合物类材料形成厚度为300nm的有机绝缘层。

(4)、在温度为60℃的条件下进行第一次退火2min。

(5)、以氧气和氩气的混合气体作为干刻刻蚀气体，在干刻机中放置掩膜板，遮住不需要干刻的有效区域，对有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘在干刻时间为5min、等离子体压力为300mtorr、等离子体功率为500w的条件下进行干刻。

(6)、在温度为100℃的条件下进行第二次退火15min，在温度为180℃的条件下进行第三次退火20min。

(7)、在有机绝缘层的远离有机半导体层的表面真空蒸镀第二金属层，在第二金属层的表面涂布光阻层，再进行曝光、显影、蚀刻处理得到栅极，得到有机薄膜晶体管。

实验例1

在实施例7的条件下，不进行步骤(5)干刻和不进行步骤(6)中的第三次退火得到的有机薄膜晶体管为对比例1。

在实施例7的条件下，不进行步骤(5)干刻得到的有机薄膜晶体管为对比例2。

检测实施例1－7以及对比例1和对比例2得到的有机绝缘层的薄膜性能以及得到的有机薄膜晶体管的电学性能得到表1：

表1有机绝缘层的薄膜性能和有机薄膜晶体管的电学性能

从表1可以看出，与对比例1和对比例2相比，有机半导体层和有机绝缘层的凸起边缘经过干刻以后，有机层不脱膜，经过三阶退火以后，有机绝缘层不存在气泡或麻点，且最后得到的有机薄膜晶体管的载流子迁移率升高，阈值电压减小，电流开关比增大，电学性能更佳。

实验例2

实施例1得到的有机绝缘层的厚度的目标值为300nm，检测有机绝缘层的薄膜厚度如图3，在有机绝缘层上选取9个点，分别对9个选取点进行厚度测试，得到如下数据：选取点1的厚度为305nm；选取点2的厚度为302nm；选取点3的厚度为304nm；选取点4的厚度为304nm；选取点5的厚度为300nm；选取点6的厚度为302nm；选取点7的厚度为306nm；选取点8的厚度为303nm；选取点9的厚度为306nm，得到的有机绝缘层厚度的平均值为304nm，最大值为306nm，最小值为300nm，均一性达到了99％。所以，采用边缘凸起干刻的方法得到的有机绝缘层不脱模且厚度均一。

实验例3

将实施例1得到的有机绝缘层和实施例2得到的有机绝缘层分别进行偏光显微镜检测，得到偏光显微镜图片，如图4，其中，左侧为实施例2得到的有机绝缘层形貌，右侧为实施例1得到的有机绝缘层形貌。从图中可以看出，实施例2得到的有机绝缘层未含有气泡或麻点，实施例1得到的有机绝缘层含有气泡和麻点，所以，通过边缘凸起干刻和三次退火以后得到的有机绝缘层的性能更佳。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。