一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬薄膜有機薄膜晶體管【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種柔性聚吡咯有機薄膜作為半導(dǎo)體溝道層構(gòu)成的薄膜晶體管及其制備方法。本發(fā)明解決其關(guān)鍵問題所采用的技術(shù)方案是在柔性塑料襯底上，根據(jù)選擇頂柵結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)，從下至上依次制備有機薄膜溝道層、源電極、漏電極、柵介質(zhì)層、柵電極或柵電極、柵介質(zhì)層、有機薄膜溝道層、源電極、漏電極。通過該方法制作的有機薄膜晶體管具有響應(yīng)速度快、低功耗等特點；另外本制作方法具有操作簡便，適于大面積連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點。
【專利說明】一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬薄膜有機薄膜晶體管【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種柔性聚吡咯有機薄膜作為半導(dǎo)體溝道層構(gòu)成的薄膜晶體管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息時代的發(fā)展，傳統(tǒng)低載流子遷移率的非晶硅薄膜(一般小于1.5cm2/Vs)很難提供發(fā)光器件所需的較大驅(qū)動電流，像素開口率達(dá)不到100%，為獲得足夠的亮度，需要給其增加光源強度，從而增加了功率損耗；而多晶硅薄膜存在晶間間界，晶粒尺寸大小不一等問題，導(dǎo)致多晶硅薄膜晶體管均勻性差，制備成本高，且隨著晶體管尺寸縮小后，由于較低的導(dǎo)通能力導(dǎo)致的信號延遲和輸出電壓信號失真的現(xiàn)象，使其不能適應(yīng)大面積顯示技術(shù)的要求，因此傳統(tǒng)無機硅薄膜晶體管性能的進(jìn)一步開發(fā)遭遇了前所未有的瓶頸；有機薄膜晶體管是采用有機半導(dǎo)體作為有源層的一種具有邏輯開關(guān)特性的場效應(yīng)器件，它的基本結(jié)構(gòu)和功能與傳統(tǒng)的無機薄膜晶體管(TFT)基本相同，與無機薄膜晶體管相比，有機薄膜晶體管具有以下優(yōu)點:(I)有機材料來源廣泛，質(zhì)輕；(2)制作工藝簡單(加工溫度低，可溶液加工等)，成本低；(3)低彈性模量，可在樹脂、塑料等柔性且輕質(zhì)的基板上制備，因而作為下一代柔性電子技術(shù)的開發(fā)受到了極大地關(guān)注。
[0003]目前，對于有機薄膜晶體管的研究大多集中在絕緣層，如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等(專利號:200610087273.X)和半導(dǎo)體溝道層，如并戊苯、無金屬酞菁、酞箐銅等(專利號:200980123072.2)的選擇以及器件性能的優(yōu)化方向；本發(fā)明提供了一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管及制備方法，通過該方法制作的有機薄膜晶體管具有響應(yīng)速度快、低功耗(工作電壓小于IV)等特點；另外本制作方法具有操作簡便，適于大面積連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管及制備方法，以提高有機薄膜晶體管具有響應(yīng)速度快和降低有機薄膜晶體管功率損耗，它具有“制備效率高、成本低和制作簡單”等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明采用柔性塑料為襯底，其有機薄膜晶體管組成包括:源電極、漏電極、柵電極、柵介質(zhì)層、有機薄膜溝道層；當(dāng)采用頂柵結(jié)構(gòu)時，有機薄膜溝道層位于襯底上方，源電極和漏電極分別位于有機薄膜溝道層上方兩側(cè)，柵介質(zhì)層位于有機薄膜溝道層上方中間，柵電極位于柵介質(zhì)層上方；當(dāng)采用底柵結(jié)構(gòu)時，柵電極位于襯底上方，柵介質(zhì)層位于柵電極上方，有機薄膜溝道層位于柵介質(zhì)層上方，源電極和漏電極分別位于有機薄膜溝道層上方兩側(cè)。
[0006]本發(fā)明解決其關(guān)鍵問題所采用的技術(shù)方案是在柔性塑料襯底上，根據(jù)選擇頂柵結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)，從下至上依次制備有機薄膜溝道層、源電極、漏電極、柵介質(zhì)層、柵電極或柵電極、柵介質(zhì)層、有機薄膜溝道層、源電極、漏電極。
[0007]據(jù)此以頂柵結(jié)構(gòu)為例，其核心加工工藝如下:1、有機薄膜溝道層制備；
2、源電極和漏電極制備；
3、柵介質(zhì)層制備； 4、柵電極制備。
[0008]上述制備方案中，步驟I中所用有機薄膜溝道層采用的材料為聚吡咯有機薄膜，聚吡咯薄膜采用化學(xué)方法制備；對柔性塑料襯底首先需進(jìn)行除油工藝處理，然后浸泡在硅烷偶聯(lián)劑溶液中5 min,晾干待用，硅烷偶聯(lián)劑優(yōu)先選用KH550、KH560，對于底柵結(jié)構(gòu)則無需此步驟；取一定量的吡咯單體(pyrrole)在常壓下經(jīng)二次蒸餾提純以去除其中的雜質(zhì)，將提純后吡咯單體與無水乙醇配制成質(zhì)量百分比濃度為25%-40%的吡咯溶液，摻雜物:氧化劑:去離子水按照質(zhì)量百分比1:3:6配置成混合溶液，摻雜物優(yōu)先選用對甲苯磺酸鈉(pTSNa)、多聚磷酸鈉(PP)和高氯酸鋰(LiClO4)中的其中一種，氧化劑優(yōu)先選用三氯化鐵；室溫下先將硅烷偶聯(lián)劑處理的襯底樣片或沉積有柵介質(zhì)層的襯底樣片浸入吡咯溶液中，3-5 min后取出，再放入混合溶液中進(jìn)行聚合反應(yīng)10 _15min后取出，先后用大量去離子水、無水乙醇清洗，晾干，即可在襯底或柵介質(zhì)層表面獲得厚度為10-50 μ m的有機薄膜溝道層PPy薄膜。
[0009]上述制備方案中，步驟2中所用源電極和漏電極為金屬或?qū)щ姷慕饘傺趸?；?yōu)選金屬銀，制備所用靶材為銀靶(直徑為100 mm，厚度為5 -1Omm)，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6X 10_4Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;所用濺射時間為5 min ;其中采用掩模版尺寸:電極圖案長度為800~1000 μ m ；電極圖案寬度為40~100ym,電極間距為60^150 μ m0
[0010]上述制備方案中，步驟3中所用柵介質(zhì)層為納米硅薄膜，采用選取掩膜版圖案長度為800~1000 μ m、寬度為60-150 μ m，在源漏電極之間采用自對準(zhǔn)掩模工藝；所用設(shè)備為等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(PECVD)，反應(yīng)氣體為硅烷(濃度為5%，流量為5~20SCCm)、氫氣流量為(5(Tl50SCCm);其生長條件為:直流負(fù)偏壓為10(T250V，溫度為25~280°C，射頻功率為50~300W，沉積壓強為30~150Pa。
[0011]上述制備方案中，步驟4中所用柵電極為金屬或?qū)щ姷慕饘傺趸?；?yōu)選ΙΤ0，所用靶材為ITO靶材(直徑為100 mm，厚度為5_10 mm)，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6X 10_4Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為1(T80 sccm ;所用濺射時間為10-25min ;其中采用掩模板尺寸:電極圖案長度為800 μ π ?ΟΟΟ μ m ;電極圖案寬度為30 μ π ?20μ m0
[0012]本發(fā)明的有益效果是提供了一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管及制備方法，通過該方法制作的有機薄膜晶體管具有響應(yīng)速度快、低功耗等特點；另外本制作方法具有操作簡便，適于大面積連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的聚吡咯有機薄膜晶體管頂柵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的聚吡咯有機薄膜晶體管底柵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]I為柵極；2為柵介質(zhì)層；3為源極；4為漏極，5為有機薄膜溝道層；6為襯底。
[0016]圖3為本發(fā)明的頂柵結(jié)構(gòu)聚吡咯有機薄膜晶體管的測試數(shù)據(jù)?！揪唧w實施方式】
[0017]在柔性塑料襯底上，如圖1和2所示，根據(jù)選擇頂柵結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)，依次制備有機薄膜溝道層、源電極、漏電極、柵介質(zhì)層、柵電極或柵電極、柵介質(zhì)層、有機薄膜溝道層、源電極、漏電極；圖3給出了典型柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的移特性曲線，源漏電壓偏置固定為1.5V，柵源電壓從I V掃至-0.5V再從-0.5V回掃至I V。從圖3可以看出器件開關(guān)比大于105，亞閾值斜率小于100 mV/dec。對Ids1/2_Vgs進(jìn)行直線擬合得到的直線與Vgs坐標(biāo)軸的交點即為器件的閾值電壓Vth，其值為0.6 V。
[0018]實施實例一
O以聚酰亞胺為柔性襯底，切成IOmmXlOmm的樣品，表面經(jīng)乙醇超聲清洗后浸入KH550水溶液5分鐘。
[0019]2)取一定量的吡咯單體(pyrrole)在常壓下經(jīng)二次蒸餾提純以去除其中的雜質(zhì)，將提純后吡咯單體與無水乙醇配制成質(zhì)量百分比濃度為25%的吡咯溶液20ml，稱取2克對甲苯磺酸鈉(PTSNa)、6克三氯化鐵與去離子水按照質(zhì)量百分比1:3:6配置成混合溶液20ml ;室溫下先將硅烷偶聯(lián)劑處理的襯底樣片浸入吡咯溶液中，3min后取出，再放入混合溶液中進(jìn)行聚合反應(yīng)IOmin后取出，依次用大量去離子水、無水乙醇清洗，晾干，在襯底表面獲得有機薄膜溝道層5。
[0020]3)選取長度為800 μ m、寬度為40 μ m,電極間距為60 μ m的溝道層掩膜板,將其蓋于有機薄膜溝道層表面，并放入磁控濺射臺內(nèi)，靶材選用純度為99.99%的銀靶(直徑為100mm,厚度為6 mm)，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6 X 10_4 Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣,流量為80 sccm ;所用派射時間為5 min,制備出源極3與漏極4 ；
4)利用等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(PECVD)，在源漏電極之間采用自對準(zhǔn)掩模工藝生成圖案，掩模板長度為800 μ m,寬度為60 μ m,反應(yīng)氣體為硅烷(濃度為5%，流量為IOsccm)、氫氣流量為lOOsccm，施加直流負(fù)偏壓為100V，溫度為50°C，射頻功率為50W，沉積壓強為50Pa，反應(yīng)時間為20min，制得納米硅柵介質(zhì)層2。
[0021]5)選取掩膜板圖案長度為800 μ m、寬度為50 μ m，將其覆蓋于柵介質(zhì)層2表面，并放入磁控濺射臺內(nèi)，靶材選用純度為99.99%的ΙΤ0(直徑為100 mm,厚度為5mm)，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6 X 10_4 Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為80 sccm ；所用濺射時間為lOmin，制備出柵極I。
[0022]6)取出樣品，去除掩膜版及可得到本發(fā)明圖1所示的頂柵結(jié)構(gòu)晶體管。
[0023]實施實例二
I)以聚酰亞胺為柔性襯底，切成IOmmXlOmm的樣品，表面經(jīng)乙醇超聲清洗晾干。
[0024]2)柔性襯底置入磁控濺射系統(tǒng)中，靶材選用純度為99.99%的ΙΤ0(直徑為100 mm,厚度為6 mm)，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6X 10_4 Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為80 sccm;所用濺射時間為15min，制備出柵電極1，將其取出。
[0025]3)置入等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體為硅烷(濃度為5%，流量為15SCCm)、氫氣流量為150SCCm，施加直流負(fù)偏壓為200V，溫度為100°C，射頻功率為300W，沉積壓強為lOOPa，反應(yīng)時間為15min，制得納米硅柵介質(zhì)層2。
[0026]4)取一定量的吡咯單體(pyrrole)在常壓下經(jīng)二次蒸餾提純以去除其中的雜質(zhì)，將提純后吡咯單體與無水乙醇配制成質(zhì)量百分比濃度為35%的吡咯溶液20ml，稱取2克多聚磷酸鈉、6克三氯化鐵與去離子水按照質(zhì)量百分比1:3:6配置成混合溶液20ml，室溫下，將樣片浸入吡咯溶液中，5 min后取出，再放入混合溶液中進(jìn)行聚合反應(yīng)15 min后取出，依次用大量去離子水、無水乙醇清洗，晾干，在襯底表面獲得有機薄膜溝道層5。
[0027]5)選取寬度為100 μ m、長度為1000 μ m,電極間距為80 μ m的溝道層掩模板,將其蓋于有機薄膜溝道層5表面，并放入磁控濺射臺內(nèi)，靶材選用純度為99.99%的銀靶(直徑為100 _，厚度為6 mm)，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6 X 10_4 Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;所用濺射時間為5 min，制備出源極3與漏極4。
[0028]6)取出樣品，移除掩膜版即可得到本發(fā)明圖2所示的底柵結(jié)構(gòu)晶體管。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管，包括:源電極、漏電極、柵電極、柵介質(zhì)層、溝道層，其特征在于:所述溝道層為有機薄膜溝道層，有機薄膜溝道層采用的材料為聚吡咯有機薄膜，當(dāng)采用頂柵結(jié)構(gòu)時，有機薄膜溝道層位于襯底上方，源電極和漏電極分別位于有機薄膜溝道層上方兩側(cè)，柵介質(zhì)層位于有機薄膜溝道層上方中間，柵電極位于柵介質(zhì)層上方。
2.一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管，包括:源電極、漏電極、柵電極、柵介質(zhì)層、溝道層，其特征在于:所述溝道層為有機薄膜溝道層，有機薄膜溝道層采用的材料為聚吡咯有機薄膜，當(dāng)采用底柵結(jié)構(gòu)時，柵電極位于襯底上方，柵介質(zhì)層位于柵電極上方，有機薄膜溝道層位于柵介質(zhì)層上方，源電極和漏電極分別位于有機薄膜溝道層上方兩側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，在柔性塑料襯底上，從下至上依次制備有機薄膜溝道層、源電極、漏電極、柵介質(zhì)層、柵電極，其特征在于:所述有機薄膜溝道層的制備方法為:取一定量的吡咯單體在常壓下經(jīng)二次蒸餾提純以去除其中的雜質(zhì)，將提純后吡咯單體與無水乙醇配 制成質(zhì)量百分比濃度為25%-40%的吡咯溶液，摻雜物:氧化劑:去離子水按照質(zhì)量百分比1:3:6配置成混合溶液，摻雜物選用對甲苯磺酸鈉、多聚磷酸鈉和高氯酸鋰中的其中一種，氧化劑選用三氯化鐵；室溫下先將硅烷偶聯(lián)劑處理的襯底樣片浸入吡咯溶液中，3-5 min后取出，再放入混合溶液中進(jìn)行聚合反應(yīng)10_15min后取出，先后用大量去離子水、無水乙醇清洗，晾干，即可在襯底表面獲得厚度為10-50 μ m的有機薄膜溝道層PPy薄膜。
4.如權(quán)利要求3所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述硅烷偶聯(lián)劑處理的襯底樣片指對柔性塑料襯底首先需進(jìn)行除油工藝處理，然后浸泡在硅烷偶聯(lián)劑溶液中5 min,晾干待用，硅烷偶聯(lián)劑選用KH550或KH560。
5.如權(quán)利要求2所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，在柔性塑料襯底上，從下至上依次制備柵電極、柵介質(zhì)層、有機薄膜溝道層、源電極、漏電極，其特征在于:所述有機薄膜溝道層的制備方法為:取一定量的吡咯單體在常壓下經(jīng)二次蒸餾提純以去除其中的雜質(zhì)，將提純后吡咯單體與無水乙醇配制成質(zhì)量百分比濃度為25%-40%的吡咯溶液，摻雜物:氧化劑:去離子水按照質(zhì)量百分比1:3:6配置成混合溶液，摻雜物選用對甲苯磺酸鈉、多聚磷酸鈉和高氯酸鋰中的其中一種，氧化劑選用三氯化鐵；室溫下先將沉積有柵介質(zhì)層的襯底樣片浸入吡咯溶液中，3-5 min后取出，再放入混合溶液中進(jìn)行聚合反應(yīng)10-15min后取出，先后用大量去離子水、無水乙醇清洗，晾干，即可在柵介質(zhì)層表面獲得厚度為10-50 μ m的有機薄膜溝道層PPy薄膜。
6.如權(quán)利要求3或5所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述柔性塑料襯底為聚酰亞胺。
7.如權(quán)利要求3或5所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述源電極和漏電極為金屬或?qū)щ姷慕饘傺趸?，濺射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6X10_4Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為80 sccm ;所用濺射時間為5 min ;其中采用掩模版尺寸:電極圖案長度為800~1000 μ m ；電極圖案寬度為40 "100 μ m,電極間距為 60~150 μ m。
8.如權(quán)利要求3或5所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述柵介質(zhì)層為納米硅薄膜，采用選取掩膜版圖案長度為800~1000 μ m、寬度為60-150ym，在源漏電極之間采用自對準(zhǔn)掩模工藝；所用設(shè)備為等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，反應(yīng)氣體為硅烷，濃度為5%，流量為5~20SCCm、氫氣流量為50~l50sCCm ;其生長條件為:直流負(fù)偏壓為10~250V，溫度為25~280°C，射頻功率為5(T300W，沉積壓強為30~150Pa。
9.如權(quán)利要求3或5所述的一種柔性聚吡咯有機薄膜晶體管的制備方法，其特征在于:所述柵電極為金屬或?qū)щ姷慕饘傺趸铮瑸R射生長前腔室壓強預(yù)抽至1.6X10_4 Pa，腔室在室溫條件下，所用保護(hù)氣體為Ar氣，流量為10~80 sccm;所用濺射時間為10~25 min ;其中采用掩模板尺寸:電極圖案長度為800 μm~1ΟΟΟμm;電極圖案寬度為30 μm~120 μ m。
【文檔編號】H01L51/05GK103996791SQ201410231422
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】程廣貴, 丁建寧, 郭立強, 張忠強, 凌智勇 申請人:江蘇大學(xué)