專利名稱：以表面浮雕結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)載流子遷移率的有機(jī)薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助于表面浮雕結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)載流子遷移率的有機(jī)薄膜晶體管，更具體地，本發(fā)明涉及一種包括襯底、柵電極、有機(jī)絕緣層、有機(jī)活性層以及源/漏電極的有機(jī)薄膜晶體管，其中有機(jī)絕緣層與有機(jī)活性層之間的界面是具有浮雕結(jié)構(gòu)的界面。
背景技術(shù)：
近來，在功能性電子和光學(xué)元件領(lǐng)域，由于成型容易、柔軟、導(dǎo)電及低生產(chǎn)成本等若干原因，已經(jīng)積極地研究采用聚合物作為新的電材料。在這些采用導(dǎo)電聚合物制備的元件中，有機(jī)薄膜晶體管(下文中稱之為TFT)的研究始于八十年代，并從此在全球范圍展開研究。最近，期望在有源矩陣顯示器、智能卡及存貨標(biāo)簽的塑料芯片的驅(qū)動(dòng)元件中采用有機(jī)TFT。
有機(jī)TFT的性能是根據(jù)載流子遷移率、開/關(guān)比例、閾值電壓和閾下電壓來評(píng)價(jià)的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)活性層中使用并五苯，可以顯著地提高有機(jī)TFT的性能，使之與α-Si TFT相匹敵。
另一方面，已經(jīng)嘗試在有機(jī)TFT的絕緣層中使用有機(jī)材料如聚酰亞胺、BCB(苯并環(huán)丁烯)和光活性丙烯(photoacryl)，但是發(fā)現(xiàn)這種絕緣層劣于無機(jī)絕緣層。近來，有機(jī)TFT的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到用于驅(qū)動(dòng)柔性顯示器和液晶顯示器的有機(jī)電致發(fā)光器件，所以需要10cm2/V-sec以上的載流子遷移率。而且，已經(jīng)嘗試通過例如濕法如全印刷或全旋涂工藝在塑料襯底上形成絕緣層。與無機(jī)絕緣層相比，有機(jī)絕緣層的優(yōu)點(diǎn)在于它們易于形成且形成條件有利。因此，人們正在積極地努力開發(fā)新的有機(jī)絕緣材料，這種材料能夠提高有機(jī)絕緣層的晶粒尺寸，進(jìn)而提高載流子遷移率。到目前為止，已經(jīng)報(bào)導(dǎo)過載流子遷移率為1～5cm2/V-sec的有機(jī)絕緣層，其通常具有3～4的介電常數(shù)，且需要-30～50V的高驅(qū)動(dòng)電壓和-15～20V的高閾值電壓。為了解決這些問題，人們嘗試提高有機(jī)絕緣材料的介電常數(shù)，例如，在絕緣聚合物中分散鐵電陶瓷顆粒(US 6586791)，或者將絕緣聚合物與高介電常數(shù)的有機(jī)金屬絡(luò)合物相混合。然而，在這些情況下，陶瓷顆?？捎绊懹袡C(jī)活性層的形成，進(jìn)而降低載流子遷移率或增加漏電流，導(dǎo)致需要額外地使用其它有機(jī)絕緣材料。因此，需要開發(fā)具有優(yōu)異絕緣性能并有助于改善有機(jī)半導(dǎo)體排列的有機(jī)絕緣材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特色是提供一種有機(jī)TFT，其通過在有機(jī)絕緣層與有機(jī)活性層之間的界面上形成浮雕結(jié)構(gòu)而具有改進(jìn)的電性能，特別是載流子遷移率。
本發(fā)明的另一特色是提供一種制備具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層的方法。
依照本發(fā)明的特色，提供一種有機(jī)TFT，其包括襯底、柵電極、有機(jī)絕緣層、有機(jī)活性層以及源/漏電極，其中有機(jī)絕緣層與有機(jī)活性層之間的界面是具有浮雕結(jié)構(gòu)的界面。
依照本發(fā)明的另一特色，提供一種形成有機(jī)絕緣層的方法，該方法包括如下步驟形成有機(jī)絕緣聚合物的薄膜；及將該薄膜暴露于入射光，該入射光來自至少一個(gè)具有特定波長(zhǎng)的光源，且呈一定周期的干涉圖案的形式，從而在曝光于相長(zhǎng)干涉的部分與曝光于相消干涉的部分之間產(chǎn)生幾何高度差，進(jìn)而提供具有所需表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層。


結(jié)合附圖，從以下的詳細(xì)說明，使得本發(fā)明的上述的和其它的目的、特征以及其它優(yōu)點(diǎn)更加容易理解，其中圖1是常規(guī)的有機(jī)TFT器件結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2是本發(fā)明的有機(jī)TFT器件結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3是制備表面浮雕光柵的裝置的示意圖；圖4a和4b是根據(jù)實(shí)施例1制備的具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層的AFM影像；
圖5a和5b是根據(jù)實(shí)施例3制備的有機(jī)TFT器件中的源/漏電極的方向的示意圖；圖6是根據(jù)實(shí)施例3制備的有機(jī)TFT器件的電流-偏移曲線；及圖7是根據(jù)實(shí)施例3制備的有機(jī)TFT器件的載流子遷移率曲線。
具體實(shí)施例方式
下面將更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
圖1是常規(guī)的有機(jī)TFT的結(jié)構(gòu)的截面圖，圖2是本發(fā)明的有機(jī)TFT的結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖1和圖2中，有機(jī)TFT包括柵極絕緣層101、有機(jī)活性層102、襯底103、柵電極104及源/漏電極105。如圖2所示，本發(fā)明的有機(jī)TFT的特征是在有機(jī)絕緣層與有機(jī)活性層之間形成的表面浮雕結(jié)構(gòu)。但是，圖2僅示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它具有不結(jié)構(gòu)的TFT，條件是不妨礙本發(fā)明的目的。此外，表面浮雕結(jié)構(gòu)不限于圖2所示的實(shí)施方案。
有機(jī)絕緣層的表面浮雕結(jié)構(gòu)可通過機(jī)械摹拓、靜電力控制(poling)、表面浮雕光柵、光刻或者采用模具的蓋印或壓紋來形成。
下面將更詳細(xì)描述以表面浮雕光柵(下文中稱之為SRG)的方式形成表面浮雕結(jié)構(gòu)的方法，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明的范圍并不局限于此。
圖3示出了通過SRG形成表面浮雕結(jié)構(gòu)的示例性方法，其中使用聚合物作為絕緣材料在襯底上形成有機(jī)絕緣層，然后暴露于具有涉及聚合物的物理或化學(xué)反應(yīng)的波長(zhǎng)的激光束。更具體地，從激光1發(fā)出的光束通過光束分路器2分為兩束光，每一光束在鏡面3反射并且穿過包括物鏡和針孔的空間濾光器6，導(dǎo)致其幅度放大。這時(shí)，放大了的光束的最終幅度和強(qiáng)度，可通過改變初始激光束的強(qiáng)度和物鏡來控制。利用準(zhǔn)直透鏡7，分別使兩束放大了的光束平行，并將樣品玻璃襯底8放置在兩個(gè)平行光束的交匯處。將玻璃襯底8粘結(jié)在能夠圍繞垂直于玻璃襯底8的軸旋轉(zhuǎn)360℃旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)9上?？紤]到聚合物薄膜的粘附性及后續(xù)蝕刻工藝的便利性，優(yōu)選玻璃襯底8上面具有SiO2的薄涂膜。根據(jù)布拉格定律，可以在0～90°的范圍調(diào)整兩個(gè)平行光束對(duì)玻璃襯底8的入射角(θ)。這兩束平行光束的強(qiáng)度可利用半波或四分之一波片4來控制，而且，它們的偏振可以利用偏振器5來改變。通過這兩束平行光束形成的相長(zhǎng)/相消干涉，給出正弦方式的光強(qiáng)度分布。
按照布拉格定律，兩束波長(zhǎng)(λ)相同的入射光給出的干涉周期(Λ)可以通過下面的等式(1)來計(jì)算2Λsinθ＝λ .........(1)本發(fā)明中，控制Λ小于最終顯示器的發(fā)射波長(zhǎng)。通過上述的曝光處理，在有機(jī)絕緣層上規(guī)則地產(chǎn)生間隔為Λ的柵格圖案。
在曝光處理之后，可將有機(jī)絕緣層進(jìn)一步暴露于一定波長(zhǎng)的光，或者進(jìn)行一定時(shí)間的加熱或冷卻處理，以穩(wěn)定其表面浮雕結(jié)構(gòu)。
當(dāng)彼此相鄰沉積的源/漏電極位于一定的方向時(shí)，本發(fā)明的具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層可以最大程度地提高最終有機(jī)TFT的電性能。具體地，優(yōu)選表面浮雕結(jié)構(gòu)的主軸平行于源電極與漏電極之間的通道(即最短路線，下文中稱之為S-D通道)。
在本發(fā)明中，有機(jī)絕緣層可由選自聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯(polyacryl)、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亞胺及其衍生物的聚合物制成。如果以SRG方式形成有機(jī)絕緣層，則優(yōu)選這樣的聚合物，其主鏈或側(cè)鏈上具有下面各式所示的能夠參與光致異構(gòu)化、光致交聯(lián)或光致聚合的部分 特別優(yōu)選能夠進(jìn)行光致異構(gòu)化或“2+2”光誘導(dǎo)環(huán)加成的部分，例如1，2-二苯乙烯、丁二烯、二苯甲酰乙烯、視紫紅質(zhì)和偶氮苯。包含偶氮苯部分的聚合物的特別有利之處在于，利用SRG，通過用特定波長(zhǎng)的電磁波以一定周期的干涉圖案的形式輻射薄膜，可以很容易地在聚合物薄膜中形成曝光于相長(zhǎng)干涉的部分與曝光于相消干涉的部分之間的幾何高度差。
為了進(jìn)一步穩(wěn)定如此形成的表面浮雕結(jié)構(gòu)，用作絕緣材料的聚合物可以具有能夠通過暴露于光或熱而引發(fā)自由基聚合或光聚合的其它部分。
在本發(fā)明中，有機(jī)絕緣層可通過諸如浸涂、旋涂、印刷、噴涂、輥涂等常規(guī)的濕法來形成。
在本發(fā)明中，有機(jī)活性層可由常用的材料制成，該材料包括并五苯、酞菁銅、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亞苯基亞乙烯基及其衍生物。
在本發(fā)明中，柵電極以及源/漏電極可由常用的金屬或?qū)щ娋酆衔镏瞥伞ｋ姌O金屬材料的優(yōu)選實(shí)例包括金、銀、鋁、鎳、ITO、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亞苯基亞乙烯基及PEDOT(聚亞乙二氧基噻吩)/PSS(聚苯乙烯磺酸鹽)，但并不限于此。
下文中將參照如下的實(shí)施例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。但是，這些實(shí)施例僅用于說明的目的而不是限制性的。
實(shí)施例1具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層的形成在預(yù)先沉積了柵電極的硅襯底上，通過旋涂法涂布厚度為500nm的10wt％的甲基丙烯酸4-硝基苯基偶氮苯氧基苯基酯-甲基丙烯酸羥乙酯共聚物(Mw＝35000，MWD＝2.5)的環(huán)己酮溶液。然后在100℃干燥所涂布的襯底10分鐘，以蒸發(fā)溶劑。利用具有Ar+激光器的激光干涉儀，將干燥的襯底暴露于具有488nm的波長(zhǎng)的光。此時(shí)，激光束的入射角被調(diào)節(jié)到50°，以提供間隔周期(Λ)為500nm、深度為50nm的單軸柵格圖案。圖4a與4b示出了所得有機(jī)絕緣層的AFM影像。
實(shí)施例2使用具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層制備有機(jī)TFT器件在得自上述實(shí)施例1的具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層上，通過旋涂法涂布厚度為70nm的1wt％的二辛基芴(fulorene)-并噻吩共聚物的甲苯溶液。然后在100℃干燥所涂布的襯底30分鐘，以蒸發(fā)溶劑。在所得的有機(jī)活性層上沉積源/漏電極，辦法是使用通道長(zhǎng)度為100μm、通道寬度為2mm的遮光板，進(jìn)而得到有機(jī)TFT器件。此時(shí)，通道長(zhǎng)度的方向等同于有機(jī)絕緣層之表面浮雕結(jié)構(gòu)的主軸方向。
對(duì)比例使用無表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層制備有機(jī)TFT器件在預(yù)先沉積了柵電極的硅襯底上，通過旋涂法涂布厚度為500nm的10wt％的甲基丙烯酸4-硝基苯基偶氮苯氧基苯基酯-甲基丙烯酸羥乙酯共聚物的環(huán)己酮溶液(Mw＝35000，MWD＝2.5)。然后在100℃下干燥所涂布的襯底10分鐘，以蒸發(fā)溶劑，進(jìn)而得到無表面浮雕結(jié)構(gòu)的絕緣層。接下來的工序按與上述實(shí)施例2相同的方式進(jìn)行，進(jìn)而得到有機(jī)TFT器件。
根據(jù)其電流-偏移曲線，確定在上述實(shí)施例2和對(duì)比例中制備的有機(jī)TFT器件的電性能，所述電流-偏移曲線是采用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(HP4155A)繪制的，詳情如下·器件的載流子遷移率是通過下面的等式(5)，由代表(ISD)1/2與VG之間的關(guān)系曲線的斜率計(jì)算出來的，其中所述曲線是根據(jù)如下的飽和區(qū)中的電流等式(2)和(3)繪制的，且所述斜率是根據(jù)如下的等式(4)計(jì)算出來的ISD=WC02Lμ(VG-VT)2...(2)]]>ISD=μC0W2L(VG-VT)...(3)]]> 在上述等式(2)～(5)中，ISD源-漏極電流；μ或μFET載流子遷移率；C0絕緣層電容；W通道寬度；L通道長(zhǎng)度；VG柵極電壓；VT閾值電壓。
·閾值電壓(VT)得自VG軸與代表(ISD)1/2與VG之間關(guān)系曲線之線性部分的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。由于閾值電壓的絕對(duì)值近似為零，所以電功耗降低。
·通過乘以斜率的倒數(shù)來得到閾下電壓(VS)，其中該斜率在電流斷路狀態(tài)斜率增加10倍。如這里使用的，副閾值是指有機(jī)TFT達(dá)到閾值電壓之前的狀態(tài)，副閾值斜率是指達(dá)到閾值電壓之前依照柵極電壓的變化的漏電流的變化。一般地，閾下電壓由用于漏電流的十倍增長(zhǎng)所必需的柵極電壓的變化來表示，并且以V/dec為單位表示。由于閾下電壓下降，與柵極電壓有關(guān)的通道導(dǎo)電率的控制變得更好。
·Ion/Ioff比率由以下等式(6)來表示IonIoff=(μσ)C02qNAt2VD2...(6)]]>
在上述等式(6)中，Ion最大電流；Ioff短路狀態(tài)漏電流；μ載流子遷移率；σ活性層的導(dǎo)電率；q電荷；NA電荷密度；t絕緣層的厚度；C0絕緣層電容；VD漏電壓。從該等式中可看出，具有大介電常數(shù)和薄的介質(zhì)膜厚度時(shí)，得到大的Ion/Ioff比率。因此，介質(zhì)膜的厚度和種類是用于決定Ion/Ioff比率的決定性因素。短路狀態(tài)的漏電流與Ion/Ioff比率成反比。
·短路狀態(tài)漏電流(Ioff)指在短路狀態(tài)流經(jīng)的電流，并通過斷路狀態(tài)的最小電流乘以Ion/Ioff比率來決定。
如此確定的電性能見下面的表1表1

實(shí)施例3有機(jī)TFT器件的電性能依照表面浮雕結(jié)構(gòu)的方向的變化依照與上述實(shí)施例1和2中相同的方式制造其表面浮雕結(jié)構(gòu)的主軸和S-D通道排列如圖5a與5b中所示的方向的兩個(gè)有機(jī)TFT器件。這些器件的電流傳導(dǎo)曲線和載流子遷移率曲線分別繪制在圖6與圖7中。作為控制，上述對(duì)比例中制造的器件的電流傳導(dǎo)曲線和載流子遷移率曲線同時(shí)由此繪制。
如圖6和7中可看出，器件(II)顯示出比器件(I)的載流子遷移率高，其中，器件(II)中的表面浮雕結(jié)構(gòu)的主軸與S-D通道彼此平行，器件(I)中表面浮雕結(jié)構(gòu)的主軸與S-D通道彼此垂直。另一方面，器件(I)顯示出與不具有發(fā)明的表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層的器件相同的或高級(jí)的電性能。該結(jié)果暗示了發(fā)明的表面浮雕結(jié)構(gòu)有效地改進(jìn)了完成的有機(jī)TFT器件的性能，并且其方向?qū)ζ骷奶匦砸簿哂芯薮蟮挠绊憽?br> 盡管由于說明的目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以鑒別不脫離附隨的權(quán)利要求書所公開的發(fā)明的精神和范圍可以進(jìn)行各種的修改、補(bǔ)充和置換。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)TFT，包括襯底、柵電極、有機(jī)絕緣層、有機(jī)活性層和源/漏電極，其中有機(jī)絕緣層與有機(jī)活性層之間的界面是具有浮雕結(jié)構(gòu)的界面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述有機(jī)絕緣層是利用選自聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亞胺及其衍生物的聚合物形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的有機(jī)TFT，其中所述聚合物在其主鏈或側(cè)鏈上具有如下各式所示的能夠參與光致異構(gòu)化、光致交聯(lián)或光致聚合的部分
4.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述有機(jī)絕緣層是通過浸涂、旋涂、印刷、噴涂或輥涂形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述有機(jī)絕緣層的表面浮雕結(jié)構(gòu)，是通過機(jī)械摹拓、靜電力控制(poling)、表面浮雕光柵、光刻或者采用模具的蓋印或壓紋形成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述表面浮雕結(jié)構(gòu)的主軸平行于源電極與漏電極之間的通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述有機(jī)活性層可由選自并五苯、酞菁銅、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亞苯基亞乙烯基及其衍生物的材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述柵電極以及源/漏電極是由金、銀、鋁、鎳、ITO、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亞苯基亞乙烯基或PEDOT(聚亞乙二氧基噻吩)/PSS(聚苯乙烯磺酸鹽)制成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的有機(jī)TFT，其中所述襯底為玻璃或塑料襯底。
10.一種形成有機(jī)絕緣層的方法，包括如下步驟形成有機(jī)絕緣聚合物的薄膜；及將該薄膜暴露于入射光，該入射光來自至少一個(gè)具有特定波長(zhǎng)的光源，且呈一定周期的干涉圖案的形式，從而在曝光于相長(zhǎng)干涉的部分與曝光于相消干涉的部分之間產(chǎn)生幾何高度差，進(jìn)而提供具有所需表面浮雕結(jié)構(gòu)的有機(jī)絕緣層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述有機(jī)絕緣聚合物在其側(cè)鏈或主鏈上具有偶氮苯部分，當(dāng)暴露于一定波長(zhǎng)的入射光時(shí)，該偶氮苯部分發(fā)生光致異構(gòu)化。
全文摘要
本申請(qǐng)公開了一種有機(jī)薄膜晶體管，包括襯底、柵電極、有機(jī)絕緣層、有機(jī)活性層和源/漏電極，其中有機(jī)絕緣層與有機(jī)活性層之間的界面是具有浮雕結(jié)構(gòu)的界面。依照本發(fā)明，不管是否使用有機(jī)絕緣材料，都可得到電性能增強(qiáng)的有機(jī)薄膜晶體管。
文檔編號(hào)H01L21/314GK1617367SQ20041010050
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者慎重漢, 韓國(guó)珉, 徐銀美, 巴馬托夫·伊夫吉尼, 希貝夫·瓦萊里 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社