制备有机薄膜晶体管的方法.pdf

本发明公开了一种制备有机薄膜晶体管的方法，该有机薄膜晶体管包括按此顺序形成于衬底上的栅极、栅绝缘膜、源极/漏极和有机半导体层，其中其上面形成有源极/漏极的栅绝缘膜的表面用无机或有机酸浸渍，随后进行退火。根据该方法，被光刻法损坏的栅绝缘膜表面能够有效地恢复。另外，能够制得具有高载流子迁移率和高开/关电流比的有机薄膜晶体管。

1.  一种制备有机薄膜晶体管的方法，该有机薄膜晶体管包括按此顺序形成于衬底上的栅极、栅绝缘膜、源极/漏极和有机半导体层，
其中其上面形成有源极/漏极的栅绝缘膜的表面用无机或有机酸浸渍，随后进行退火。

2.  根据权利要求1的方法，其中所述无机酸选自：HI，HBr，HCl，HF，HNO₃，H₃PO₄，H₂SO₄，及其混合物。

3.  根据权利要求1的方法，其中所述有机酸为下式1所示的酸：
RCOOH    (1)
式中R为H；C_1～12烷基、链烯基或炔基；C_3～30环烷基；C_6～30芳基；或者氟取代的官能团。

4.  根据权利要求1的方法，其中所述酸处理进行如下：在15～35℃下，用无机或有机酸浸渍栅绝缘膜O.5～10秒。

5.  根据权利要求1的方法，其中所述退火在90～200℃下进行1～10分钟。

6.  根据权利要求1的方法，其中所述栅绝缘膜由选自下列的物质制成：有机材料，包括聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯基苯酚及其衍生物；及无机材料，包括SiN_x(O＜x＜4)、SiO₂和Al₂O₃。

7.  根据权利要求1的方法，其中所述有机半导体层由选自下列的物质制成：并五苯，铜酞菁，聚噻吩，聚苯胺，聚乙炔，聚吡咯，聚亚乙烯基苯，及其衍生物。

8.  根据权利要求1的方法，其中所述栅极和源极/漏极由选自下列的物质制成：金(Au)，银(Ag)，铝(Al)，镍(Ni)，钼(Mo)，钨(W)，氧化铟-锡(ITO)，聚噻吩，聚苯胺，聚乙炔，聚吡咯，聚亚乙烯基苯，及聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)/聚磺苯乙烯(PSS)混合物。

9.  根据权利要求1的方法，其中所述衬底由选自下列的物质制成：玻璃，硅，及塑料。

10.  一种根据权利要求1的方法制备的有机薄膜晶体管。

11.  一种显示器件，包括根据权利要求1的方法制备的有机薄膜晶体管。

制备有机薄膜晶体管的方法
技术领域
本发明涉及一种制备有机薄膜晶体管的方法，更具体地，本发明涉及一种制备有机薄膜晶体管的方法，该有机薄膜晶体管包括按顺序形成在衬底上的栅极、栅绝缘膜、源极/漏极和有机半导体层，其中上面形成源极/漏极的所述栅绝缘膜的表面用无机或有机酸浸渍，随后进行退火。
背景技术
自从具有半导体特性的作为共轭有机聚合物的聚乙炔开发出来以来，根据多样的制备方法、容易浇铸成纤维和薄膜、优良的柔软性、高电导率和低制造成本，有机半导体已经被积极地研究作为很多应用，如功能性的电子器件和光学器件中的新的电气材料和电子材料。
在通过利用这些导电聚合物制得的器件中，对于利用有机材料作为活性层制得的有机薄膜晶体管的研究自1980年就已经开展了。在这方面，许多研究现正在世界范围内积极地进行。就它们的结构而言，有机薄膜晶体管与硅(Si)薄膜晶体管基本相同，但是因为使用有机材料代替硅(Si)作为半导体区域的材料，所以也有不同之处。另外，这种有机薄膜晶体管的优点在于它们可以在常压下利用印刷法来制备，以代替常规的硅加工工艺，如等离子体-增强的化学气相沉积(CVD)法。
期望有机薄膜晶体管用于智能卡和盘存标签的有源显示器及塑料芯片的驱动装置，并且在它们的性能方面可以比得上α-Si薄膜晶体管。
另一方面，一般有机薄膜晶体管(OTFT)包括衬底，栅极，栅绝缘膜，源极/漏极，及有机半导体层。有机薄膜晶体管可以分为其中有机半导体层形成在源极/漏极上的底部-接触型OTFT，及其中源极-漏极通过掩模沉积形成在有机半导体层上的顶部-接触型OTFT。
为了在栅绝缘膜上形成源极-漏极，底部-接触型OTFT的制备包括在沉积后形成图案的光刻法。此时，栅绝缘膜暴露于光致抗蚀剂剥除剂，并且由剥除剂产生的氮吸附于栅绝缘膜的表面，导致对栅绝缘膜的损坏，因而不可能制得绝缘性优良的OTFT。
曾经提出若干尝试以减少对栅绝缘膜表面的损坏。例如，栅绝缘膜的受损的表面利用非反应性的气体等离子体进行物理处理，或者栅绝缘膜通过自组装单层(SAM)形成为双层。
上述尝试是以物理方式简单地平整栅绝缘膜的受损表面，或者需要额外的材料以形成双层。
发明内容
因此，鉴于现有技术的上述问题创造了本发明，本发明的目的在于提供一种改善的制备有机薄膜晶体管的方法，通过用酸处理其上形成源极/漏极的栅绝缘膜的表面，经过简单的化学方法使该栅绝缘膜的受损的表面能够有效地恢复，并且使得有机薄膜晶体管具有优良的电气性质，具体地具有高载流子迁移率和高开/关电流比(I_on/I_off比)。
为了实现上述目的，根据的本发明的一个方面，提供一种制备有机薄膜晶体管的方法，该有机薄膜晶体管包括按顺序形成在衬底上的栅极、栅绝缘膜、源极/漏极和有机半导体层，其中上面形成源极/漏极的所述栅绝缘膜的表面用无机或有机酸浸渍，随后进行退火。
根据本发明的另一方面，提供一种通过该方法制得的有机薄膜晶体管。
根据本发明的另一方面，提供一种利用所述有机薄膜晶体管制得的显示器件。
附图说明
从下面结合附图的详述中，将会更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特点和优点，附图中：
图1为在本发明一个实施例中制得的有机薄膜晶体管结构的剖面示意图；及
图2为在本发明实施例4和5与对比例1中制得的有机薄膜晶体管的电流转移特性图。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地描述本发明。
根据本发明的制备有机薄膜晶体管的方法，可以应用于底部-接触型结构。图1为在本发明一个实施例中制得的有机薄膜晶体管结构的剖面示意图。参考图1，栅极形成在衬底上，栅绝缘膜形成在其上，源极/漏极形成在该栅绝缘膜上，有机半导体层形成在其上。
本发明的方法的特征在于，图1所示的有机薄膜晶体管通过下列步骤制备：用无机或有机酸浸渍上面形成源极/漏极的栅绝缘膜的表面，随后进行退火。
即，本发明的方法包括下列步骤：(i)在衬底上形成栅极；(ii)在其上形成栅绝缘膜；(iii)在该栅绝缘膜上形成源极/漏极；(iv)用酸处理所述栅绝缘膜；及(v)在其上形成有机半导体层。
将基于各步骤解释本发明的方法。
步骤(i)：
根据常规方法洗涤衬底除去杂质，并通过沉积或形成图案在该衬底上形成栅极。
步骤(ii)：
在形成栅极后，通过真空沉积或溶液法在其上形成栅绝缘膜。例如，涂布厚度为450～650nm的包含交联剂的聚乙烯基苯酚，并在60～150℃下软焙约1～10分钟。
步骤(iii)：
在栅绝缘膜上形成源极/漏极。例如，通过热蒸发法在栅绝缘膜上涂布ITO从而形成薄膜，然后通过将形成源极和漏极的区域(和可能除了源极和漏极以外的区域)经掩膜曝光来显影。此后，利用乙腈等进行蚀刻，并利用光致抗蚀剂剥除剂除去光致抗蚀剂，从而在栅绝缘膜上形成源极/漏极。
用于除去光致抗蚀剂的光致抗蚀剂剥除剂，通常包含4～12％的四甘醇、20～40％的四氢噻吩、30～50％的N-甲基吡咯烷酮(NMP)和5～20％的二甘醇单乙醚。光致抗蚀剂剥除剂可以引起氮吸附到栅绝缘膜的表面上，使得栅绝缘膜呈弱碱性，导致对栅绝缘膜的损坏。在本发明的示例性方法中，栅绝缘膜的弱碱性表面用无机或有机酸处理以中和它，使栅绝缘膜的受损表面能够有效恢复。
步骤(iv)：
在形成源极/漏极后，被光致抗蚀剂剥除剂损坏的栅绝缘膜，在15～35℃下用无机或有机酸浸渍0.5～10秒。为了改善源极和漏极的附着，通过在90～200℃下热处理退火1～10分钟。
示例性无机酸的具体实例包括，但不限于：HI，HBr，HCl，HF，HNO₃，H₃PO₄，H₂SO₄，及其混合物。作为混合酸，可以举例包含HCl和HNO₃的ITO蚀刻剂。
用于本发明的方法的示例性有机酸由下式1表示：
式1
RCOOH
式中R为H；C_1～12烷基，链烯基或炔基；C_3～30环烷基；C_6～30芳基；或者氟代的官能团。
步骤(v)：
最后，通过热蒸发在其上涂布有机半导体材料(例如，并五苯)，从而形成有机半导体层。
用于栅绝缘膜的材料的实例包括，但不限于：有机材料，如聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯基苯酚及其衍生物；及无机材料，如SiN_x(0＜x＜4)，SiO₂和Al₂O₃。
适于通过本发明方法制得的有机薄膜晶体管的有机半导体层的材料实例包括，但不限于：并五苯，铜酞菁，聚噻吩，聚苯胺，聚乙炔，聚吡咯，聚亚乙烯基苯(polyphenylene vinylene)，及其衍生物。
适于栅极和源极/漏极的材料为常用于本领域的金属和导电聚合物，并且它们的具体实例包括，但不限于：金(Au)，银(Ag)，铝(Al)，镍(Ni)，钼(Mo)，钨(W)，氧化铟-锡(ITO)，聚噻吩，聚苯胺，聚乙炔，聚吡咯，聚亚乙烯基苯，及聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)/聚磺苯乙烯(PSS)混合物。
衬底可以由，但不限于玻璃、硅、塑料等制成。
通过本发明的示例性方法制得的有机薄膜晶体管，可以用于制造显示器件，如电致发光器件、液晶器件和电泳装置。
现在将参考下面的实施例更详细地描述本发明。然而，给出这些实施例是为了说明目的，而不应该认为限制本发明的范围。
实施例1：
首先，通过溅镀技术在洗涤过的玻璃衬底上沉积Al，形成厚度为1500的栅极。以1000rpm的转速，在其上旋涂厚度为5000的包含交联剂的聚乙烯基苯酚，并在100℃下软焙5分钟，从而形成栅绝缘层。接着，通过热蒸发法在该绝缘层上沉积厚度为1000的ITO，然后经受光刻法，从而形成ITO电极图案。此时，在2×10^-7托的真空压力、50℃的衬底温度和0.85/秒的沉积速度下，进行蒸发。然后，在室温下，用ITO蚀刻剂浸渍栅绝缘膜2秒，接着在130℃下退火3分钟。在2×10^-7托的真空、50℃的衬底温度和0.85/秒的沉积速度下，通过热蒸发法在其上沉积厚度为1000的并五苯，从而制得有机薄膜晶体管。
实施例2：
按照与实施例1相同的方法制得有机薄膜晶体管，所不同的是，Mo用作源极/漏极的材料。
实施例3：
按照与实施例1相同的方法制得有机薄膜晶体管，所不同的是，Au用作源极/漏极的材料。
实施例4：
按照与实施例1相同的方法制得有机薄膜晶体管，所不同的是，栅绝缘膜的表面用HNO₃处理。
实施例5：
按照与实施例1相同的方法制得有机薄膜晶体管，所不同的是，栅绝缘膜的表面用HCl处理。
对比例1：
按照与实施例1相同的方法制得有机薄膜晶体管，所不同的是，栅绝缘膜的表面没有用酸处理。
对比例2：
按照与实施例2相同的方法制得有机薄膜晶体管，所不同的是，栅绝缘膜的表面没有用酸处理。
利用KEITHLEY半导体分析仪(4200-SCS)评价在实施例4和5与对比例1中制得的有机薄膜晶体管的电流转移特性，结果示于图2中。
根据下面的过程，测量在实施例1至5与对比例1和2中制得的有机薄膜晶体管的电气性质。所得到的结果示于表1中。
^*由得自饱和区域中的下面电流方程式的表示(I_SD)^1/2和V_G之间关系图的斜率，计算载流子迁移率：
I SD = W C 0 2 L μ ( V G - V T ) 2 ]]>
I SD = μ C 0 W 2 L ( V G - V T ) ]]>


式中I_SD：源电流-漏电流，μ和μ_FET：载流子迁移率，C_o：氧化物膜的电容，W：沟道宽度，L：沟道长度，V_G：栅电压，V_T：阈电压。
由导通状态的最大电流与截止状态的最小电流的比值确定I_on/I_off比。I_on/I_off比由下面方程式表示：
I on I off = ( μ σ ) C 0 2 q N A t 2 V D 2 ]]>
式中I_on：最大电流，I_off：截止状态漏电流，μ：载流子迁移率，σ：薄膜的电导率，q：电荷，N_A：电荷密度，t：半导体膜的厚度，C₀：氧化物膜的电容，V_D：漏电压。
表1