專利名稱：場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用有機(jī)半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
如雙極性晶體管一樣，場效應(yīng)晶體管也廣泛地用作重要的開關(guān)或放大元件。場效應(yīng)晶體管具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中在半導(dǎo)體材料上布置源電極和漏電極，并通過絕緣體層布置柵電極。場效應(yīng)晶體管的工作特性由所用半導(dǎo)體的載流子遷移率μ，絕緣體層的電導(dǎo)率σ和電容Ci，及元件的結(jié)構(gòu)(源電極和漏電極之間的距離L及寬度W、絕緣體層的厚度d等)。就其中的半導(dǎo)體材料的特性而言，具有高遷移率(μ)的半導(dǎo)體材料具有良好的特性。
目前，硅廣泛地用作這種半導(dǎo)體材料。在制備過程中，以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體需要在至少300℃的高溫下處理，因而難于采用塑料基板或薄膜作為基材，而且具有制備中需要大量能量的缺點。此外，其要求真空元件制備工藝，由此需要昂貴的生產(chǎn)線設(shè)備，進(jìn)而造成高成本的缺點。
但是，采用有機(jī)半導(dǎo)體的晶體管在大多數(shù)情況下可以通過比無機(jī)半導(dǎo)體低的工藝溫度來制備，因而可以采用塑料基板或薄膜作為基材，并且可以制備重量輕且很少斷裂的元件。而且，在某些情況下還可以采用印刷法或涂布溶液法制備元件，并且可以低成本制備具有大面積的元件。此外，材料品種豐富，并且可以通過改變分子結(jié)構(gòu)，容易而簡單地改變材料特性，因而，通過組合不同的功能，還可以實現(xiàn)具有無機(jī)半導(dǎo)體所不能實現(xiàn)的功能的元件。
關(guān)于采用有機(jī)半導(dǎo)體作為半導(dǎo)體的晶體管，JP-A-61-202469公開了采用導(dǎo)電聚合物或共軛聚合物的晶體管，且日本專利JP2984370公開了采用低分子量化合物的晶體管。
采用有機(jī)半導(dǎo)體的常規(guī)晶體管的典型結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。
在圖1所示的場效應(yīng)晶體管中，柵電極2布置在支撐性基板1上，而且，其上面布置有絕緣體層3和有機(jī)半導(dǎo)體層4。為了與有機(jī)半導(dǎo)體層4接觸，源電極5和漏電極6布置在絕緣體層3上。這種場效應(yīng)晶體管被稱之為底部柵極/底部接觸型場效壓晶體管。
圖2中所示的場效應(yīng)晶體管與圖1中所示的場效應(yīng)晶體管的區(qū)別在于，源電極5和漏電極6布置在位于絕緣體層3上的有機(jī)半導(dǎo)體層4上，除了這一區(qū)別之外，其它結(jié)構(gòu)相同。這種場效應(yīng)晶體管被稱之為底部柵極/頂部接觸型場效應(yīng)晶體管。
在圖3所示的場效應(yīng)晶體管中，源電極5和漏電極6布置在支撐性基板1上，有機(jī)半導(dǎo)體層4和絕緣體層3層合在支撐性基板1上，柵電極2布置在絕緣體層3上。這種場效應(yīng)晶體管被稱之為頂部柵極/底部接觸型場效應(yīng)晶體管。
采用這種場效應(yīng)晶體管，當(dāng)柵電極2施加電壓時，位于有機(jī)半導(dǎo)體層4與絕緣體層3附近的有機(jī)半導(dǎo)體層4中的載流子密度將會發(fā)生變化，從而改變流經(jīng)源電極5和漏電極6之間的電流。
如上所述，在這種采用有機(jī)半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管(下文中有時稱之為“有機(jī)場效應(yīng)晶體管”)中，當(dāng)采用塑料基板或薄膜作為支撐性基板時，可以實現(xiàn)柔軟的且很少斷裂的晶體管。這種有機(jī)場效應(yīng)晶體管可以用作柔性顯示器中的開關(guān)元件，詳見Bell Lab.Lucent Technologies，PNAS.，98，4835。
然而，即使在采用塑料基板或薄膜作為支撐性基板的情況下，如果支撐性基板與絕緣體層間的機(jī)械特性存在顯著的差異，則存在這樣的可能性當(dāng)向有機(jī)場效應(yīng)晶體管施加應(yīng)變時，支撐性基板會變形，并且在應(yīng)變消失時恢復(fù)原狀，但是絕緣體層卻不能恢復(fù)原狀，從而破壞作為元器件的功能?？墒牵駷橹股袥]有對元器件的機(jī)械特性如柔性元件，以及元器件的特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在上述情況下作出的，其目的是優(yōu)化支撐性基板和絕緣體層的機(jī)械特性，其中支撐性基板和絕緣體層在柔性顯示器中占開關(guān)元件各組成部分的大部分面積，并且易受機(jī)械性影響，進(jìn)而在有機(jī)場效應(yīng)晶體管中獲得高遷移率，高導(dǎo)通電流和低漏電流，及高電流開/關(guān)比，本發(fā)明的目的還在于提供具有這種穩(wěn)定的晶體管特性的有機(jī)場效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管包括絕緣體層，被絕緣體層隔開的柵電極和有機(jī)半導(dǎo)體層，如此布置的使之與有機(jī)半導(dǎo)體層接觸的源電極和漏電極，及包含聚合物的支撐性基板，其中在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)。
如上所述，如果使用塑料基板或薄膜作為有機(jī)場效應(yīng)晶體管中的支撐性基板，則可以獲得柔性的且很少斷裂的晶體管。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于用于柔性顯示器的具有支撐性基板和絕緣體層的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，為了有效地獲得支撐性基板的柔韌性，不僅支撐性基板本身的柔韌性是重要的，而且支撐性基板與絕緣體層的組合的柔韌性也是重要的，如此才能獲得如下的物理性質(zhì)，即當(dāng)施加應(yīng)變時，絕緣體層隨著支撐性基板一起彎曲，并且在去除應(yīng)變時恢復(fù)原狀。
根據(jù)本發(fā)明，這種物理性質(zhì)足可以通過采用下列的組合來實現(xiàn)，其中在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)，優(yōu)選伸長率ε1(％)與伸長率ε2(％)的比值(ε1/ε2)大于1并且至多為15。
據(jù)認(rèn)為，這種物理性質(zhì)與“彈性極限(去除應(yīng)變時材料回復(fù)到應(yīng)變-變形坐標(biāo)系中初始點的極限)下的伸長率ε(％)”有關(guān)。然而，測量這種“在彈性極限下的伸長率”是困難的。因此，在本發(fā)明中，采用“在屈服點下的伸長率ε(％)”作為參數(shù)，其基本上相當(dāng)于“在彈性極限下的伸長率”。因而，在本發(fā)明中，規(guī)定用支撐性基板與絕緣體層之間“在屈服點下的伸長率ε(％)”的關(guān)系代表“在彈性極限下的伸長率”的關(guān)系，而且實質(zhì)上也是這樣。
在本發(fā)明中，測量伸長率的屈服點如下。亦即，如果施加在支撐性基板或絕緣體層上的應(yīng)變增加，當(dāng)其達(dá)到超出彈性極限的某一點時，塑料變形突然增加，而應(yīng)變卻沒有顯著地增加。該點即為屈服點(屈服應(yīng)力)。在本發(fā)明中，在屈服點的伸長率％是就支撐性基板和絕緣體層而定義的。
本發(fā)明中的“在屈服點的伸長率”，是通過制備厚度和大小相同的支撐性基板和絕緣體層樣品，根據(jù)JIS K7113而得到的。換言之，純粹的拉伸應(yīng)力以預(yù)定的變形速度(或加載速度)施加給材料，以獲得拉伸應(yīng)力與材料拉伸變形之間的關(guān)系，并由該拉伸應(yīng)力-變形曲線得到屈服點，且規(guī)定在屈服點的伸長率(％)是“在屈服點得到的伸長率”。
在本發(fā)明中，絕緣體層具有良好的柔韌性，使得向有機(jī)場效應(yīng)晶體管施加應(yīng)變時，絕緣體層足以隨支撐性基板而撓曲，去除應(yīng)變時恢復(fù)原狀，以保持最初的形狀。因此，可以抑制應(yīng)變導(dǎo)致的裂縫等，進(jìn)而降低漏電流，并且可以獲得高遷移率，高導(dǎo)通電流和低漏電流，及高電流開/關(guān)比。


圖1是場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)實例的截面示意圖。
圖2是場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)實例的截面示意圖。
圖3是場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)實例的截面示意圖。
圖4是帶有絕緣膜的PET基板彎曲前后的表面狀態(tài)的示意圖。
圖5是帶有絕緣膜的PI基板彎曲前后的表面狀態(tài)的示意圖。
圖6是通過彎曲試驗測得的絕緣膜的電阻的結(jié)果。
圖7是PET基板晶體管的特性通過彎曲試驗(1)的變化的示意圖。
圖8是PET基板晶體管的特性通過彎曲試驗(2)的變化的示意圖。
圖9是PI基板晶體管的特性通過彎曲試驗(1)的變化的示意圖。
圖10是PI基板晶體管的特性通過彎曲試驗(2)的變化的示意圖。
圖11是絕緣膜在屈服點的伸長率與絕緣電阻之間的關(guān)系曲線。
符號的意義1支撐性基板2柵電極3絕緣體層4有機(jī)半導(dǎo)體層5源電極6漏電極7界面具體實施方式
現(xiàn)將參照附圖詳述本發(fā)明的的場效應(yīng)晶體管的具體實施方案。
本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管包括布置在支撐性基板上的絕緣體層，被絕緣體層隔開的柵電極和有機(jī)半導(dǎo)體層，如此布置以使之與有機(jī)半導(dǎo)體層接觸的源電極和漏電極。對其結(jié)構(gòu)沒有特殊的限制，其可以是例如圖1所示的底部柵極/底部接觸型，圖2所示的底部柵極/頂部接觸型，或者圖3所示的頂部柵極/底部接觸型。
根據(jù)本發(fā)明，在這種場效應(yīng)晶體管中，在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)。亦即，ε1＞ε2，優(yōu)選在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)與在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)的比值(ε1/ε2)的下限大于1，更優(yōu)選其至少為1.1。而且，對上限沒有特殊的限制，但優(yōu)選其至多為15，更優(yōu)選至多為13，還優(yōu)選至多為10，最優(yōu)選至多為5。
如果在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)小于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)，則絕緣體層將不能充分地隨支撐性基板而撓曲，形狀的恢復(fù)往往較差，從而不能實現(xiàn)本發(fā)明的目的。此外，如果在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)與在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)相同，則絕緣體層會隨支撐性基板而撓曲，但是當(dāng)絕緣膜局部拉伸或變形時，會導(dǎo)致絕緣膜發(fā)生變化。如果在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)遠(yuǎn)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)，則絕緣體層與支撐性基板或電極間的附著力往往較差，這會在保持元件形狀中出現(xiàn)問題。
為了選取支撐性基板與絕緣體層的組合，使之落入本發(fā)明的上述范圍，可以方便地調(diào)節(jié)形成絕緣體層的條件，使得在絕緣體層屈服點的伸長率ε1變得大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2。具體地，可以提到這樣的方法，其中使用可固化的樹脂組合物作為絕緣體層的材料，并調(diào)節(jié)加到該組合物中的彈性組分的量。
對在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)的下限沒有具體的限制，但優(yōu)選其至少為1％，更優(yōu)選其至少為1.2％。對上限也沒有特殊的限制，但是其至多為25％，更優(yōu)選其至多為10％。如果在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)太小，則不能隨支撐性基板而撓曲，從而容易導(dǎo)致裂縫或支撐性基板與電極半導(dǎo)體層間剝離。另一方面，如果伸長率ε1(％)太大，則由于絕緣體層彎曲所導(dǎo)致的伸長，使得支撐性基板、電極和半導(dǎo)體層容易剝離。此外，對在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)的下限也沒有特殊的限制，但是優(yōu)選其至少為0.5％，更優(yōu)選其至少為1％。對伸長率ε2(％)的上限也沒有具體的限制，但是優(yōu)選其至多為20％，更優(yōu)選其至多為8％。如果在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)太小，則容易因為彎曲而導(dǎo)致斷裂，而且往往難于保持整個晶體管的形狀；如果太大，則由于支撐性基板彎曲所導(dǎo)致的伸長，使得絕緣體層、電極和半導(dǎo)體層容易剝離。
在本發(fā)明中，對構(gòu)成場效應(yīng)晶體管的材料本身具體的限制，可以采用常規(guī)場效應(yīng)晶體管中常用的材料。
在本發(fā)明中，支撐性基板可以是單層的，也可以是疊層的。然而，在疊層的情況下，需要在最靠近絕緣體層的基板的屈服點的伸長率ε2(％)，低于在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)。
支撐性基板的材料可以是任何材料，該材料包含聚合物，并且能夠支撐將要形成于其上的場效應(yīng)晶體管和顯示元件，顯示面板等。優(yōu)選其為選自聚酯，聚碳酸酯，聚酰亞胺，無定形聚烯烴，聚醚砜，環(huán)氧樹脂，聚酰胺，聚苯并噁唑，聚苯并噻唑，乙烯基聚合物，聚仲班酸，聚倍半硅氧烷和硅氧烷的塑料基板。此外，從成本考慮，優(yōu)選聚酯如聚對苯二甲酸乙二酯，或者通用樹脂如聚碳酸酯；從耐熱性或耐溶劑性考慮，優(yōu)選縮聚物如聚酰亞胺，聚酰胺，聚苯并噁唑，聚苯并噻唑或聚仲班酸，或者可以通過熱處理使之不溶解化的聚乙烯基苯酚的交聯(lián)體。特別優(yōu)選聚酯，聚碳酸酯，聚酰亞胺或聚苯并噁唑，最優(yōu)選聚酯如聚對苯二甲酸乙二酯，或者聚酰亞胺。
支撐性基板的材料可以是共聚物或含上述聚合物的共混物。此外，根據(jù)場和的需要，其可以包含填料、添加劑等。
支撐性基板的材料優(yōu)選具有至少40℃的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)。如果低于40℃，則流動性往往太高，使其不適于用作基板。此外，優(yōu)選對制備絕緣體層所用溶劑具有抵抗力的材料。而且，優(yōu)選線性膨脹系數(shù)至多25×10-5·cm·cm-1·℃-1，更優(yōu)選至多10×10-5·cm·cm-1·℃-1的材料。如果線性膨脹系數(shù)大于25×10-5·cm·cm-1·℃-1，則在制備過程中可能因為熱處理而導(dǎo)致尺寸變化，從而使晶體管性能不穩(wěn)定。此外，優(yōu)選對絕緣膜和電極具有高附著力的材料。
優(yōu)選支撐性基板的厚度的上限至多為2mm，更優(yōu)選至多為1mm。此外，優(yōu)選下限至少為0.01mm，更優(yōu)選至少為0.05mm。
構(gòu)成柵電極、源電極和漏電極的材料可以是任何材料，只要它具有導(dǎo)電性，并且可以使用任何常規(guī)材料。例如，其可以是金屬如鉑、金、鋁、鉻、鎳、銅、鈦、鎂、鈣、鋇或鈉，導(dǎo)電的氧化物如InO2、SnO2或ITO，具有良好電導(dǎo)率的摻雜的導(dǎo)電性聚合物如樟腦磺酸摻雜的聚苯胺或?qū)妆交撬釗诫s的聚乙烯二氧噻吩(polyethylene dioxy thiophene)，或者具有良好電導(dǎo)率并且包含分散于粘合劑中的碳黑、細(xì)金屬顆粒、石墨粉等的導(dǎo)電性復(fù)合材料。
舉例來說，形成柵電極、源電極和漏電極的方法，可以是a真空氣相沉積法，濺射法，涂布法，印刷法或溶膠凝膠法。而且，其布圖方法可以是例如光刻法(其為用光刻膠布圖和用修邊液體或反應(yīng)性等離子修邊的組合)，印刷法(如噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷、膠印或凸版印刷)，軟平版印刷法(如微接觸印刷)，或者多種這些方法組合的方法。此外，也可以通過輻射能量射線(如激光或電子束)或者通過改變材料的電導(dǎo)率，除去材料，直接制成圖案。
優(yōu)選這類柵電極、源電極或漏電極的厚度的下限至少為0.01μm，更優(yōu)選至少為0.02μm。而優(yōu)選其上限至多為2μm，更優(yōu)選至多為1μm。
此外，源電極與漏電極之間的距離(通道長度L)一般至多為100μm，優(yōu)選至多為50μm，通道寬度W一般至多為2000μm，優(yōu)選至多為500μm，且L/W一般至多為0.1，優(yōu)選至多為0.05。
作為絕緣體層的絕緣體，可以采用任何常規(guī)的絕緣體，只要其具有大于ε2的ε1，絕緣性能優(yōu)異，并且具有較大的介電常數(shù)，使其能夠防止電流泄漏至柵電極并且能夠以低柵極電壓驅(qū)動場效應(yīng)晶體管。舉例來說，其可以為聚合物例如丙烯酸樹脂(如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、聚乙烯基苯酚、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚氨酯、聚砜、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚偏二氟乙烯或含氰基或硝基的烴樹脂，或者具有這些聚合物組合的共聚物，氧化物例如二氧化硅、氧化鋁或氧化鈦，氮化物例如氮化硅，鐵電體氧化物例如SrTiO3或BaTiO3，或者其中分散有上述氧化物、氮化物或鐵電體氧化物的聚合物薄膜。其中，優(yōu)選環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、丙烯酸樹脂或含氰基或硝基的烴樹脂。作為含氰基或硝基的烴樹脂，優(yōu)選其中氰基或硝基取代的烴與羥基結(jié)合的多糖，更優(yōu)選氰基支鏈淀粉。
此外，作為絕緣體的前體材料，可以涂布單體，然后用光照射進(jìn)行固化，得到構(gòu)成絕緣體的光固化樹脂，聚合物或單體也可以通過交聯(lián)劑或交聯(lián)基團(tuán)進(jìn)行熱固化，以得到固化的樹脂。這種情況下，通過調(diào)節(jié)欲引入的彈性組分的量，可以很容易地將絕緣體層的伸長率調(diào)節(jié)至如上所述的與支撐性基板一致的范圍，這是優(yōu)選的。
對絕緣體層沒有特殊的限制，其可以是單層，也可以是疊層。然而，為了穩(wěn)定地使用高度介電常數(shù)的絕緣膜，可以將低介電常數(shù)的絕緣膜層合。當(dāng)果絕緣體層為疊層時，需要該層在屈服點的最小伸長率ε1(％)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)。
優(yōu)選絕緣體層具有至少80℃的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)。如果Tg低于80℃，則絕緣體層不能保持，因為流動性太高，膜厚度往往不均勻，或者表面常常不規(guī)則。此外，優(yōu)選其在不溶解支撐性基板的溶劑中是可溶的，而且其具有耐溶劑性，以便在制備涂布型半導(dǎo)體層時不被溶劑所侵蝕。再者，優(yōu)選其為這樣的材料，使得絕緣體層的表面粗糙度至多為300nm，更優(yōu)選至多為10nm。如果絕緣體層的表面粗糙度超過300nm，則絕緣體層與有機(jī)半導(dǎo)體層間的界面往往粗糙，使得晶體管特性易于惡化。此外，優(yōu)選線性膨脹系數(shù)至多為25×10-5·cm·cm-1·℃-1，更優(yōu)選至多為10×10-5·cm·cm-1·℃-1。如果線性膨脹系數(shù)超過25×10-5cm·cm-1·℃-1，則在制備的熱處理期間容易發(fā)生尺寸變化，由此導(dǎo)致晶體管性能不穩(wěn)定。另外，優(yōu)選對基板和電極具有高附著力的絕緣體層。作為形成絕緣體層的方法，可以采用適于材料特性的形成方法，例如涂布法(如旋涂或刮涂)，氣相沉積法，濺射法，或者印刷法(如絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷)。優(yōu)選涂布法或印刷法。
優(yōu)選如此形成的絕緣體層在室溫下具有至多10-12S/cm，更優(yōu)選至多10-14S/cm的的電導(dǎo)率，以及至少2.0，更優(yōu)選至少2.5的相對介電常數(shù)，因為這種性質(zhì)關(guān)系到對柵電極的漏電流或者場效應(yīng)晶體管的低柵極電壓驅(qū)動。
優(yōu)選這種絕緣體層的厚度的上限至多為4μm，更優(yōu)選至多為2μm。優(yōu)選其下限至少為0.1μm，更優(yōu)選至少為0.2μm。
對形成有機(jī)半導(dǎo)體層的有機(jī)半導(dǎo)體沒有特殊的限制，可以使用任何已知的材料，只要其為π共軛的低分子量或高分子量半導(dǎo)體。例如，其可以是π共軛的低分子量化合物，如并五苯，低聚噻吩，具有取代基的低聚噻吩，雙二噻吩并噻吩，具有取代基的二烷基蒽并二噻吩，金屬酞菁，苯并卟啉，氟化銅酞菁，N，N′-二烷基-萘-1，4，5，8-四羧酸二酰亞胺取代的化合物，3，4，9，10-苝四羧酸二酐，N，N′-二烷基-3，4，9，10-苝四羧酸二酰亞胺，或富勒烯，或π共軛聚合物，例如高共軛的共聚物如以區(qū)域規(guī)則的聚(3-己基噻吩)或9，9′-二烷基芴-二噻吩共聚物為代表的區(qū)域規(guī)則聚(3-烷基噻吩)。在這種π共軛低分子量和高分子量化合物中，優(yōu)選形成有機(jī)半導(dǎo)體層時，在源電極-漏電極方向上具有至多10-4S/cm且至少10-12S/cm電導(dǎo)率的化合物，更優(yōu)選具有至多10-6S/cm且至少10-11S/cm電導(dǎo)率的化合物，特別優(yōu)選具有至多10-7S/cm且至少10-10S/cm電導(dǎo)率的化合物。此外，在這些π共軛低分子量和高分子量化合物中，優(yōu)選形成有機(jī)半導(dǎo)體層時具有至少107cm-3且至多1018cm-3載流子密度的化合物，更優(yōu)選具有至少108cm-3且至多1017cm-3載流子密度的化合物，該載流子密度是由場效應(yīng)遷移率、在源電極-漏電極方向上的電導(dǎo)率和電荷量得到的。此外，在這些π共軛低分子量和高分子量化合物中，優(yōu)選形成有機(jī)半導(dǎo)體層時，在大部分室溫下具有至多0.2eV電荷遷移活化能的化合物，特別優(yōu)選具有至多0.1eV電荷遷移活化能的化合物，電荷遷移所需的活化能是由場效應(yīng)遷移率的溫度相關(guān)性得到的。
再者，就這些高共軛低分子量化合物中分子長度至多40的化合物而言，優(yōu)選的化合物具有這樣的特性，使得當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體層形成于與場效應(yīng)晶體管所采用的絕緣體層相同的絕緣體層上時，在通過以相對于層表面法線成60°角引入入射光而測得的偏振光吸收中，p偏振光分量/s偏振光分量，亦即p偏振光分量與s偏振光分量的吸收峰強度之比至少為0.5，更優(yōu)選至少為2.0，特別優(yōu)選至少為3.0，所述吸收峰強度源于這種π共軛低分子量化合物沿分子軸方向的躍遷矩(transition moment)。
另一方面，對于分子長度超過40的π共軛高分子量化合物，優(yōu)選具有這樣特性的化合物，使得當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體層形成于與場效應(yīng)晶體管所用絕緣體層相同的絕緣體上時，在通過以垂直于層表面的方向引入入射光而測得的偏振光吸收中，源電極-漏電極方向的分量/垂直方向的分量，亦即沿源電極-漏電極方向的分量及與其垂直方向的分量的吸收峰強度之比至少為3.5，更優(yōu)選至少為4.5，特別優(yōu)選至少為5.0，所述吸收峰強度源于這種π共軛高分子量化合物沿其主鏈方向的躍遷矩。
再者，在這些π共軛低分子量和高分子量化合物中，優(yōu)選具有這樣特性的化合物，使得當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體層形成于與場效應(yīng)晶體管所用絕緣體層相同的絕緣體層上時，最靠近的分子或聚合物間的距離至多為3.9，更優(yōu)選至多為3.85，特別優(yōu)選至多為3.8。
優(yōu)選這種有機(jī)半導(dǎo)體層的厚度的下限至少為1nm，更優(yōu)選至少為10nm。而優(yōu)選其上限至多為10μm，更優(yōu)選至多其500nm。
作為利用這種有機(jī)半導(dǎo)體形成有機(jī)半導(dǎo)體層的方法，對于低分子量有機(jī)半導(dǎo)體而言，例如，可以提及通過真空氣相沉積法，將其沉積在絕緣體層上或支撐性基板上的方法，或者將其溶解于溶劑，然后通過流延、浸漬、旋涂等方式形成有機(jī)半導(dǎo)體層的方法。對于高分子量有機(jī)半導(dǎo)體而言，例如，可以提及將其溶解于溶劑，然后通過流延、浸漬、旋涂等方式形成有機(jī)半導(dǎo)體層的方法。此外，還可以提及的方法是利用符合需要的低分子量前體或者符合需要的高分子量前體，通過適當(dāng)?shù)纳鲜龇椒ㄐ纬蓪?，然后通過熱處理等方法，將其轉(zhuǎn)化成所需的有機(jī)半導(dǎo)體層。
本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)包括布置在支撐性基板上的絕緣體層，被絕緣體層隔開的柵電極和有機(jī)半導(dǎo)體層，及如此布置使之與有機(jī)半導(dǎo)體層接觸的源電極和漏電極。其具體結(jié)構(gòu)，可以提及圖1至圖3中所示的結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管并不限于具有圖1至圖3中所示結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，除了圖1至圖3中所示的層之外，還可以形成其它的層。
例如，對于具有暴露的有機(jī)半導(dǎo)體層的場效應(yīng)晶體管而言，如圖1或圖2所示的場效應(yīng)晶體管，其上面可進(jìn)一步形成保護(hù)膜，以減小有機(jī)半導(dǎo)體上面的外部空氣的影響。這種情況下，保護(hù)膜的材料可以是例如聚合物(如環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺或聚乙烯醇)，或者無機(jī)氧化物或氮化物(如氧化硅、氮化硅或氧化鋁)。形成保護(hù)膜的方法，例如可以是涂布法或真空氣相沉積法。
實施例現(xiàn)將參照實施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明決不受下列實施例的限制。
采用下列樹脂進(jìn)行各種評價。
聚對苯二甲酸乙二酯(PET)SP-976-3(Mitsubishi Kasei Corporation制造)聚酰亞胺(PI)KAPTON(E.I.du Pont de Nemours & Company，Inc.制造)聚苯乙烯(PS)ALDRICH Chemical Company，Inc.制造，Mw＝28000(GPC法)氰基支鏈淀粉(CYEPL)CYANORESIN CR-S，Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.制造聚碳酸酯(PC)ALDRICH Chemical Company，Inc.制造，Mw＝64000(GPC法)聚乙烯基苯酚(PVP)ALDRICH Chemical Company，Inc.制造，Mw＝20000(GPC法)在屈服點處的伸長率下列材料1～7在屈服點處的伸長率均為10次拉伸試驗(根據(jù)JIS-K7113)的平均值。
將聚苯乙烯(PS)以15wt％的濃度溶解于氯仿，接著用0.45μm的過濾器過濾。將該PS溶液以5ml的量放置在10×10cm2的玻璃板上，接著以1000rpm的速度旋涂120秒。在真空干燥器中進(jìn)行真空干燥24小時，然后，將附有PS膜的玻璃板浸于純水中，以對PS膜進(jìn)行剝離處理。將剝離的PS膜在真空干燥器中真空干燥24小時，然后用千分尺(Anritsu制造)測量PS膜的厚度，測得厚度為20μm。測量該薄膜在屈服點的伸長率，結(jié)果示于表1中。
按與上述材料1相同的方式制備CYEPL膜，所不同的是在上述材料1中，替代聚苯乙烯，將氰基支鏈淀粉(CYEPL)以5wt％的濃度溶解于二甲基甲酰胺(DMF)∶乙腈(1∶1)的混合溶劑中，并測量在屈服點的伸長率。結(jié)果示于表1中。薄膜厚度為30μm。
在上述材料1中，替代聚苯乙烯，將聚碳酸酯(PC)以15wt％的濃度溶解于氯仿。薄膜厚度為20μm。
將聚乙烯基苯酚(PVP)，作為交聯(lián)劑的聚(蜜胺-共-甲醛)甲基丙烯酸酯(ALDRICH Chemical Company，Inc.制造)(混合比4∶1)以15wt％的濃度溶解于四氫呋喃(THF)，然后通過0.45μm的過濾器進(jìn)行過濾。將5ml該PVP溶液放置在10×10cm2的玻璃板上，并以1000rpm的速度旋涂120秒。然后，在120℃下熱處理3分鐘，得到PVP熱交聯(lián)薄膜。在真空干燥器中真空干燥24小時之后，將附有PVP膜的玻璃板浸于純水中，對PVP交聯(lián)薄膜進(jìn)行剝離處理。剝離的PVP交聯(lián)薄膜在真空干燥器中真空干燥24小時，然后利用千分尺(Auritsu制造)測量PVP交聯(lián)薄膜的厚度，測得厚度為20μm。作為低交聯(lián)的PVP膜，測量該薄膜在屈服點的伸長率，結(jié)果示于表1中。
按與上述材料4相同的方式制備高交聯(lián)的PVP膜，只是在上述材料4中，聚乙烯基苯酚(PVP)與作為交聯(lián)劑的聚(蜜胺-共-甲醛)甲基丙烯酸酯(ALDRICH Chemical Company，Inc.制造)的混合比變?yōu)?∶2，且濃度變?yōu)?％。側(cè)量在屈服點的伸長率，結(jié)果示于表1中。薄膜厚度為20μm。
將聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜(薄膜厚度200μm)切割成10×10cm2的尺寸，并測量在屈服點的伸長率。結(jié)果示于表1中。
將聚酰亞胺(PI)膜(薄膜厚度100μm)切割成10×10cm2的尺寸，并測量在屈服點的伸長率。結(jié)果示于表1中。
此外，在表1中，各樹脂材料在屈服點的伸長率與文獻(xiàn)值一起示出，并且還給出了相對介電常數(shù)。
表1

就下列各項，對晶體管進(jìn)行評價。
根據(jù)JIS K6744的彎曲試驗將帶有絕緣膜的支撐性基板固定在根據(jù)JIS K6744制備的V型金屬塊上，并通過改變載荷進(jìn)行彎曲試驗，直至基板剛好達(dá)到屈服點之前為止。對于PET基板，彎曲試驗如此進(jìn)行，使得在屈服點的伸長率變?yōu)?.6％，對于PI基板，彎曲試驗如此進(jìn)行，使得在屈服點的伸長率變?yōu)?.7％，由此作出下列判斷。
○未觀察絕緣膜從支撐性基板上剝離。
×觀察絕緣膜從支撐性基板上剝離，或者在表面觀察裂縫。
表面形狀的觀察通過Seiko Instruments Inc.制造的原子力顯微鏡(AFM)，根據(jù)JIS K6744，觀察彎曲試驗前后的表面形狀。
通過彎曲試驗測量絕緣膜的電阻根據(jù)JIS K6744，測量絕緣膜在彎曲試驗前后的電阻。使用寬度為1mm的影孔板(shadow mask)跨越柵電極，并借助于ULVAC制造的真空氣相沉積機(jī)EX-400(真空度10-6Torr)，真空沉積1000的鋁電極，由此，利用Agilent制造的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀4155，在電極之間進(jìn)行測量，得到電壓-電流曲線，進(jìn)而計算出電導(dǎo)率。
晶體管特性在經(jīng)受根據(jù)JIS K6744之彎曲試驗的基本上和未經(jīng)受這種彎曲試驗的基板上，利用ULVAC制造的真空氣相沉積機(jī)EX-400(真空度10-6Torr)，以1/秒的速度，由坩堝中真空沉積厚度為1000并五苯，作為半導(dǎo)體層。為了在該半導(dǎo)體層上形成源電極/漏電極，利用通道(L1000μm，W50μm)的影孔板，氣相沉積厚度為1000的金，得到有機(jī)晶體管。該晶體管元件通過Agilent制造的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀4155進(jìn)行測量，得到電壓-電流曲線，由此評價彎曲前后晶體管特性的變化。
實施例1將厚度200μm的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜切割成2.5×2.5cm2的尺寸。用該PET膜作為支撐性基板，待將其用寬度1mm的影孔板覆蓋之后，借助于ULVAC制造的真空氣相沉積機(jī)EX-400(真空度10-6Torr)，氣相沉積厚度為1000的鋁，制得柵電極。在其上面放置5ml的氰基支鏈淀粉(CYEPL)溶液(以5wt％的濃度溶解于二甲基甲酰胺(DMF)∶乙腈＝1∶1的混合溶劑，接著以0.45μm的過濾器過濾)，并以3000rpm的速度旋涂120秒，制得絕緣膜。通過厚度儀(Alpha-Step500，Tencor制造)測量PS層的厚度，測得厚度為5000。
對如此制備的帶有絕緣膜的支撐性基板，根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。此外，觀察表面形狀，沒有觀察到彎曲前后表面狀態(tài)有任何差異。另外，對經(jīng)受彎曲試驗的絕緣膜的電阻進(jìn)行測量，由此測得彎曲前的電導(dǎo)率為6×10-14S/cm，彎曲后的電導(dǎo)率為5×10-14S/cm，前后的變化很小。
實施例2按與實施例1相同的方式制備帶有PC絕緣膜的PET支撐性基板，只是在實施例1中，將CYEPL溶液換成溶解于氯仿中濃度為5wt％的聚碳酸酯(PC)溶液。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。PC層的膜厚度為4000。
實施例3按與實施例1相同的方式制備帶有CYEPL絕緣膜的PI支撐性基板，只是在實施例1中，將PET膜換成聚酰亞胺(PI)膜。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。CYEPL層的厚度為5000。此外，觀察表面形狀，沒有觀察到彎曲前后表面狀態(tài)有任何差異。另外，對經(jīng)受彎曲試驗的絕緣膜的電阻進(jìn)行測量，由此測得彎曲前的電導(dǎo)率為6×10-14S/cm，而彎曲后的電導(dǎo)率為5×10-14S/cm，前后變化很小。
實施例4
按與實施例1相同的方式制備帶有PC絕緣膜的PI支撐性基板，只是在實施例1中，將PET膜換成聚酰亞胺(PI)膜，將CYEPL溶液換成溶解于氯仿中濃度為5wt％的聚碳酸酯(PC)溶液。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。PC層的厚度為4000。
實施例5按與實施例1相同的方式制備帶有低交聯(lián)PVP絕緣膜的PI支撐性基板，只是在實施例1中，將PET膜換成聚酰亞胺(PI)膜，并將CYEPL溶液換成PVP和聚(蜜胺-共甲醛)甲基丙烯酸酯(ALDRICH Chemical Company，Inc.制造)(混合比4∶1)以5wt％的濃度溶解于四氫呋喃(THF)中的溶液，并在旋涂該溶液之后，于120℃下熱處理3分鐘，得到PVP熱交聯(lián)薄膜。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。低交聯(lián)PVP層的膜厚度為300。
對比例1按與實施例1相同的方式制備帶有PS絕緣膜的PET支撐性基板，只是在實施例1中，將CYEPL溶液換成聚苯乙烯(PS)以5wt％的濃度溶解于氯仿中的溶液。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。PS層的厚度為3000。此外，觀察表面形狀，在彎曲后的表面上觀察到不平整或裂縫，而表面在彎曲前卻是平整的。此外，對經(jīng)受彎曲試驗的絕緣膜的電阻進(jìn)行測量，由此測得彎曲前的電導(dǎo)率為5×10-14S/cm，而在彎曲之后，由于電介質(zhì)破壞，所以直到-1.5V時的電導(dǎo)率為1×10-12S/cm。
對比例2按與實施例1相同的方式制備帶有低交聯(lián)PVP絕緣膜的PET支撐性基板，只是在實施例1中，將CYEPL溶液換成這樣的溶液，即聚乙烯基苯酚(PVP)與作為交聯(lián)劑的聚(蜜胺-共-甲酰胺)甲基丙烯酸酯(ALDRICH ChemicalCompany，Inc.制造)(混合比4∶1)以5wt％的濃度溶解于THF中的溶液，此外，在旋涂該溶液之后，在120℃下進(jìn)行3分鐘的熱處理，形成PVP熱交聯(lián)薄膜。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。低交聯(lián)PVP層的厚度為3000。
對比例3按與實施例1相同的方式制備帶有高交聯(lián)PVP絕緣膜的PET支撐性基板，只是在實施例1中，將CYEPL溶液換成這樣的溶液，即聚乙烯基苯酚(PVP)與作為交聯(lián)劑的聚(蜜胺-共-甲醛)甲基丙烯酸酯(ALDRICH ChemicalCompany，Inc.制造)(混合比3∶2)以5wt％的濃度溶解于THF中的溶液，此外，在旋涂該溶液之后，于120℃下熱處理3分鐘，得到PVP熱交聯(lián)薄膜。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。高交聯(lián)的PVP層的厚度為3000。
對比例4按與實施例1相同的方式制備帶有PS絕緣膜的PI支撐性基板，只是在實施例1中，將PET膜換成PI膜，將CYEPL溶液換成聚苯乙烯(PS)以5wt％的濃度溶解于氯仿中的溶液。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。PS層的厚度為3000。此外，觀察表面形狀，在彎曲后的表面上觀察到不平整或裂縫，而彎曲前的表面卻是平整的。另外，對進(jìn)行彎曲試驗的絕緣膜的電阻進(jìn)行測量，由此測得彎曲前的電導(dǎo)率為5×10-14S/cm，而在彎曲之后，由于電介質(zhì)破壞，所以直到-1.5V時的電導(dǎo)率為1×10-12S/cm。
對比例5按與實施例1相同的方式制備帶有高交聯(lián)PVP絕緣膜的PI支撐性基板，只是在實施例1中，將PET膜換成PI膜，將CYEPL溶液換成這樣的溶液，即聚乙烯基苯酚(PVP)與作為交聯(lián)劑的聚(蜜胺-共-甲醛)甲基丙烯酸酯(ALDRICH Chemical Company，Inc.制造)(混合比3∶2)以5wt％的濃度溶解于THF中的溶液，此外，在旋涂該溶液之后，于120℃下熱處理3分鐘，形成PVP熱交聯(lián)薄膜。根據(jù)JIS K6744進(jìn)行彎曲試驗和晶體管特性測量。結(jié)果示于表2中。高交聯(lián)的PVP層的厚度為3000。
表2

根據(jù)JIS C2103的耐折疊試驗按照用于評價絕緣漆的JIS C2103的耐折疊試驗，對PS和CYEPL的伸長率(％)與絕緣電阻之間的關(guān)系進(jìn)行研究。
根據(jù)JIS C2103，在與制備晶體管的條件相同的條件下，將PS或CYEPL作為絕緣膜旋涂在金屬板上，然后作為反電極，利用ULVAC制造的真空氣相沉積機(jī)EX-400(真空度10-6Torr)氣相沉積厚度為1000的金。在反電極上，通過DOTITE膠粘劑(FUJIKURAKASEI CO.，LTD.制造)安裝引線，并使之與測量電流的探針相連。一邊逐步地彎曲基板，一邊利用Agilent制造的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀4155測量電流，并將如此得到的結(jié)果作圖。
結(jié)果，自PS在屈服點的伸長率為1.1％時，觀察到絕緣電阻的惡化。另一方面，對于CYEPL，自其伸長率超過3.5％時，觀察到絕緣電阻的惡化。
工業(yè)實用性如前面所詳述的，根據(jù)本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，占柔性顯示器中開關(guān)元件組成部分大部分面積的并且易受機(jī)械影響的支撐性基板和絕緣體層的機(jī)械特性得到了優(yōu)化，從而可以在有機(jī)場效應(yīng)晶體管中實現(xiàn)高遷移率，高導(dǎo)通電流和低漏電流，及高電流開/關(guān)比，并且可以提供具有穩(wěn)定的這種晶體管特性的有機(jī)場效應(yīng)晶體管。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括絕緣體層，被絕緣體層隔開的柵電極和有機(jī)半導(dǎo)體層，如此布置使之與有機(jī)半導(dǎo)體層接觸的源電極和漏電極，及包含聚合物的支撐性基板，其中在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的場效應(yīng)晶體管，其中在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)與在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)的比值(ε1/ε2)至少為1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的場效應(yīng)晶體管，其中在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)與在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)的比值(ε1/ε2)至多為15。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述絕緣體層的厚度為0.1～4μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述支撐性基板的厚度為0.01～2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述柵電極布置在支撐性基板上，所述有機(jī)半導(dǎo)體層通過絕緣體層布置在柵電極上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述源電極和漏電極與絕緣體層接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述源電極和漏電極布置在有機(jī)半導(dǎo)體層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述源電極和漏電極布置在支撐性基板上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述支撐性基板為選自聚酯，聚碳酸酯，聚酰亞胺，無定形聚烯烴，聚醚砜，環(huán)氧樹脂，聚酰胺，聚苯并噁唑，聚苯并噻唑，乙烯基聚合物，聚仲班酸，聚倍半硅氧烷及硅氧烷的塑料基板。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～10中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述絕緣體層中的相對介電常數(shù)至少為0.2。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～11中任一項的場效應(yīng)晶體管，其中所述絕緣體層中的電導(dǎo)率至多為10-12S/cm。
全文摘要
優(yōu)化支撐性基板的機(jī)械特性與有機(jī)場效應(yīng)晶體管的絕緣體層，由此在有機(jī)場效應(yīng)晶體管中獲得高遷移率，高導(dǎo)通電流和低漏電流，以及高電流開/關(guān)比。場效應(yīng)晶體管包括提供于支撐性基板(1)上的絕緣體層(3)，被絕緣體層(3)隔開的柵電極(2)和有機(jī)半導(dǎo)體層(4)，如此布置使之與有機(jī)半導(dǎo)體層(4)接觸的源電極(5)和漏電極(6)，其中在絕緣體層屈服點的伸長率ε1(％)大于在支撐性基板屈服點的伸長率ε2(％)。所提供的良好柔韌性，可以限制為減小漏電流而施加的應(yīng)力可能導(dǎo)致的裂縫，進(jìn)而獲得高遷移率，高導(dǎo)通電流和低漏電流，以及高電流開/關(guān)比。
文檔編號H01L51/05GK1672264SQ0381783
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者小橋昌浩, 半田敬信, 荒牧?xí)x司, 酒井良正 申請人:三菱化學(xué)株式會社