一种有机薄膜晶体管的制备方法

摘要

本发明公开了一种有机薄膜晶体管的制备方法，该器件包括：衬底、源漏电极、半导体层、绝缘层以及栅电极。衬底上方通过热蒸镀的方法形成固定高度的源漏电极，所述源漏电极上方通过旋涂的方式先后涂有半导体层以及绝缘层，最后通过掩膜板在器件的沟道位置镀上栅电极。本发明通过改变半导体溶液的浓度以及旋涂的转速，获得了与源漏电极高度相匹配的半导体层厚度，以保证底接触结构的有机晶体管最大的电极电荷注入面积，同时在不影响器件的迁移率的情况下，最小化器件的亚阈值摆幅、阈值电压以及接触电阻。本发明不仅优化了有机薄膜晶体管的电学参数，同时可以降低半导体材料的使用成本。

权利要求

1.一种有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下具体步骤：步骤1：溶液的制备

A1：半导体溶液的配置

将半导体材料与高沸点的有机溶剂以4.5mg/ml～5.5mg/ml的质量体积比进行配置；所述半导体材料为高分子量的有机共轭聚合物，具体为：1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)、IDT-BT或P(NDI2OD-T2)；所述高沸点的有机溶剂为氯苯或对二氯苯；

A2：绝缘层溶液的配置

将绝缘层材料与高溶解性的有机溶剂以50mg/ml～100mg/ml的质量体积比进行配置；

所述绝缘层材料为高分子聚合物，具体为聚甲基丙烯酸甲酯或聚四氟乙烯；所述高溶解性的有机溶剂为乙酸或乙酸甲酯；

A3：溶液的溶解

将配置的半导体溶液与绝缘层溶液放在加热板上60℃静置溶解24小时；

步骤2：器件的制备

B1：衬底的清洗

选择衬底，将衬底置于去离子水、丙酮、酒精中分别超声20分钟，后用氮气枪吹干；

B2：源漏电极的制备

采用常规的真空热蒸发法利用不锈钢掩膜版在衬底上先蒸镀得5-10nm的钛再蒸镀30-

35nm的金作为源漏电极；将制备有源漏电极的衬底放在紫外臭氧清洗机，在60℃下清洗1小时；

B3：半导体薄膜的制备

通过移液枪将已配置好的半导体溶液在衬底上表面铺满，先在500rpm的转速下匀胶5秒，再在2000rpm至3000rpm的转速下匀胶30-90秒，以确保制得的半导体薄膜厚度范围为

35nm-40nm与源漏电极厚度几乎一致；将涂膜过后的制有半导体层的衬底放置在纯氩气环境下加热板50-60℃加热退火3小时；

B4：绝缘层薄膜的制备

通过移液枪将已配置好的绝缘层溶液在半导体薄膜上表面铺满，先在300rpm的转速下匀胶5秒，再在1500rpm至2000rpm的转速下匀胶30-90秒；将涂膜过后的制有绝缘层的衬底放置在纯氩气环境下加热板40-50℃加热退火16小时；

B5：栅极的制备

通过光学显微镜的校准，使不锈钢掩膜版的开口位置与源漏电极之间的沟道重叠，再利用常规的真空热蒸发法在绝缘层上方制备60-80nm的金作为栅电极；得到所述有机薄膜晶体管， 至此，一种高性能的顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管已制备完毕。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述热蒸发电流为60-200A，蒸发速率为0.02-0.01nm/s。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高分子有机共轭聚合物为1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)、IDT-BT或P(NDI2OD-T2)，其对应的CAS号分别为

1260685-66-2、1209012-41-8、1100243-40-0，其具有下式结构：DPPT-TT

IDT-BT

说明书

一种有机薄膜晶体管的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子材料及器件技术领域，特别涉及一种有机薄膜晶体管的制备方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的进步与半导体制造工艺的发展，半导体芯片的面积越来越小，市场对半导体器件的性能要求越来越高，如何提高器件的性能，减小器件的工艺成本成为了目前电子工艺界急需要解决的重要问题。有机薄膜晶体管由于其性能优秀、制备成本低、可大面积生产等特点，迎合了市场以及制造业的需求，已广泛适用于低投资成本大面积应用的消费类电子以及有源矩阵显示阵列。然而，其基本制造工艺业界仍没有统一的标准，如何在最简单的工艺下制作出性能最优的有机薄膜晶体管，这个问题有待解决。

[0003] 目前，制作有机薄膜晶体管最常用的成膜方法为旋涂法，它具有设备简单、生产能力强、制备的薄膜面积大、厚度均匀等特点。其旋涂薄膜的厚度很大程度受旋涂的速度以及溶液浓度的影响，导致不同的工艺参数下获得了不同厚度的半导体薄膜，因此对顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管产生了不同的影响。对于顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管来说，国际上目前普遍采用40nm左右厚度的金属作为底接触电极，这是人们长期制作晶体管的经验工艺参数，并没有与相应的半导体薄膜厚度达到最匹配的程度。一方面，较厚的半导体层，增加了电极中电荷垂直传输至电荷沟道的距离，不仅阻碍了电荷的传输同时还造成了半导体材料的浪费，增大了工业生产成本。另一方面，较薄的半导体层，减小了半导体层与电极覆盖的面积，甚至不能形成足够厚度的沟道电荷积累区，甚至会严重影响器件的工作。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种有机薄膜晶体管的制备方法。结合目前使用的顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管器件，给出了合适的半导体溶液配比浓度以及旋涂速度，由此可获得与底电极匹配的半导体层厚度，在增强晶体管性能的同时，更易于工艺成本的降低。

[0005] 实现本发明目的的具体技术方案：

[0006] 一种有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下具体步骤：

[0007] 步骤1：溶液的制备

[0008] A1：半导体溶液的配置

[0009] 将半导体材料与高沸点的有机溶剂以4.5mg/ml～5.5mg/ml的质量体积比进行配置；所述半导体材料为高分子量的有机共轭聚合物，具体为：1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)、IDT-BT或P(NDI2OD-T2)；所述高沸点的有机溶剂为氯苯或对二氯苯；

[0010] A2：绝缘层溶液的配置

[0011] 将绝缘层材料与高溶解性的有机溶剂以50mg/ml～100mg/ml的质量体积比进行配置；所述绝缘层材料为高分子聚合物，具体为聚甲基丙烯酸甲酯或聚四氟乙烯；所述高溶解性的有机溶剂为乙酸或乙酸甲酯；

[0012] A3：溶液的溶解

[0013] 将配置的半导体溶液与绝缘层溶液放在加热板上60℃静置溶解24小时；

[0014] 步骤2：器件的制备

[0015] B1：衬底的清洗

[0016] 选择衬底，将衬底置于去离子水、丙酮、酒精中分别超声20分钟，后用氮气枪吹干；

[0017] B2：源漏电极的制备

[0018] 采用常规的真空热蒸发法利用不锈钢掩膜版在衬底上先蒸镀得5-10nm的钛再蒸镀30-35nm的金作为源漏电极；将制备有源漏电极的衬底放在紫外臭氧清洗机，在60℃下清洗1小时；

[0019] B3：半导体薄膜的制备

[0020] 通过移液枪将已配置好的半导体溶液在衬底上表面铺满，先在500rpm的转速下匀胶5秒，再在2000rpm至3000rpm的转速下匀胶30-90秒，以确保制得的半导体薄膜厚度范围为35nm-40nm与源漏电极厚度几乎一致；将涂膜过后的制有半导体层的衬底放置在纯氩气环境下加热板50℃-60℃加热退火3小时；

[0021] B4：绝缘层薄膜的制备

[0022] 通过移液枪将已配置好的绝缘层溶液在半导体薄膜上表面铺满，先在300rpm的转速下匀胶5秒，再在1500rpm至2000rpm的转速下匀胶30-90秒；将涂膜过后的制有绝缘层的衬底放置在纯氩气环境下加热板40℃-50℃加热退火16小时；

[0023] B5：栅极的制备

[0024] 通过光学显微镜的校准，使不锈钢掩膜版的开口位置与源漏电极之间的沟道重叠，再利用常规的真空热蒸发法在绝缘层上方制备60-80nm的金，作为栅电极；得到所述有机薄膜晶体管。至此，一种高性能的顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管已制备完毕。

[0025] 步骤2中，所述热蒸发电流为60-200A，蒸发速率为0.02-0.01nm/s。

[0026] 所述高分子有机共轭聚合物1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)、IDT-BT或P(NDI2OD-T2)，其对应的相应的CAS号分别为1260685-66-2、1209012-41-8、1100243-40-0，其具有下式结构：

[0027]

[0028] 本发明在研究了多种高分子共轭聚合物旋涂时的溶液配比和转速情况下，与目前普遍使用的40nm源漏底电极相结合，确定了只有当半导体厚度与其电极高度相接近时，才能获得电学性能最优的有机薄膜晶体管器件，并且给出了能获得该厚度半导体层薄膜的相对应的工艺参数。与现有制备工艺相比，在保证器件工作状态最佳的情况下，确认了可以使用的最薄半导体层厚度，大大减小了半导体材料的使用浪费，优化了有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅、阈值电压以及接触电阻。

附图说明

[0029] 图1为本发明制备的有机薄膜晶体管的结构示意图；

[0030] 图2为本发明不同厚度有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅与阈值电压均值统计图；

[0031] 图3为本发明不同厚度有机薄膜晶体管的接触电阻均值统计图；

[0032] 图4为本发明是不同厚度有机薄膜晶体管的迁移率均值统计图；

[0033] 图5为本发明涂有23nm半导体薄膜源漏电极与裸露源漏电极截面对比图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

[0035] 参阅图1，本发明所述的有机薄膜晶体管为顶栅底接触结构，包括衬底5、源漏电极4、半导体层3、绝缘层2以及栅电极1；其中，所述衬底5为片状固体材料；所述衬底5上方通过热蒸镀的方法形成的源漏电极4作为器件源极与漏极；所述电极上方通过旋涂的方式涂有半导体层3作为器件的有源层；所述半导体层3上方通过旋涂的方式涂有绝缘层2作为器件的介电层；所述介电层上方通过热蒸镀的方法形成覆盖沟道的栅电极1。

[0036] 以下本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。

[0037] 在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

[0038] 实施例1

[0039] 1)将1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)与二氯苯分别以2mg/ml、3mg/ml、5mg/ml、7mg/ml、9mg/ml的质量体积比进行配置；将聚甲基丙烯酸甲酯与乙酸丁酯以50mg/ml的质量体积比进行配置；将配置的所有溶液放在加热板上60℃静置溶解24小时。

[0040] 2)大小约为1.5cm×1.5cm的玻璃片经过去离子水、丙酮、乙醇等分别超声20分钟，后用氮气枪吹干；氮气吹干后作为衬底。

[0041] 3)采用热蒸发的方式利用掩膜版在衬底上镀出沟道长100μm，宽为1200μm且厚度为40nm的钛金电极以作为源漏电极。将所得的源漏电极放到紫外臭氧清洗机里在60℃清洗60分钟，以调解电极的功函数。

[0042] 4)将已配制好的浓度配比分别为2mg/ml、3mg/ml、5mg/ml、7mg/ml、9mg/ml的1,4-二氧并二吡咯和噻吩的聚合物(DPPT-TT)溶液，各自以1200rpm、1500rpm、2000rpm、3000rpm、4500rpm、6000rpm、10000rpm的转速在步骤3)所处理过后的源漏电极上进行旋涂。
旋涂完成后，将样品放在50℃的加热板上纯氩气环境下加热退火3小时。

[0043] 5)步骤4)中所制得的半导体薄膜厚度如表1所示。由表1可知，半导体薄膜厚度很大程度受溶液配比浓度以及旋涂转速影响，可以依据表中所提供的参数，有序的制备出厚度均值范围从10nm至180nm的半导体薄膜。

[0044] 表1

[0045]

[0046] 6)结合步骤5)所得的结论，重复步骤2)、3)、4)的所有步骤，确定制得半导体薄膜厚度均值分别为7nm、15nm、34nm、47nm、64nm、72nm、88nm、104nm、138nm的样品。

[0047] 7)将配制完的浓度配比为60mg/ml的聚甲基丙烯酸甲酯溶液以转速1500rpm在步骤6)所得的样品上表面进行旋涂。旋涂完成后，将样品放在纯氩气环境下40℃的加热板上退火16小时。

[0048] 8)通过光学显微镜的校准，使不锈钢掩膜版的开口位置与源漏电极之间的沟道重叠，再利用常规的真空热蒸发法在步骤7)所得的样品上表面制备60nm的金，作为栅电极；至此，一种高性能的顶栅底接触结构的有机薄膜晶体管已制备完毕。

[0049] 实施例1中所制备的有机薄膜晶体管的电学参数如下所示：图2是不同厚度有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅与阈值电压均值统计图；图3是不同厚度有机薄膜晶体管的接触电阻均值统计图，图4是不同厚度有机薄膜晶体管的迁移率均值统计图。对比图2、图3、图4可知，随着半导体薄膜厚度从薄变厚，其迁移率几乎不发生变化。当半导体薄膜厚度高于40nm左右的高度以后，相对应的有机薄膜晶体管其阈值电压和亚阈值摆幅几乎已不发生变化，而其接触电阻甚至变得越来越大。主要原因如图5所示，图5是涂有23nm半导体薄膜源漏电极与裸露源漏电极截面对比图。可以发现，只要半导体薄膜厚度低于源漏电极厚度，其电极侧壁几乎没有覆盖到半导体，呈现一种凹槽状，因此器件内的载流子完全由半导体与电极的侧壁覆盖部分来注入，无法通过电极上表面来注入。只有当半导体薄膜厚度高于电极高度后，才能有利于电极上表面载流子注入进沟道中。但随着半导体薄膜厚度继续变厚，导致载流子到器件沟道的垂直距离加大，反而使器件接触电阻变大，不利于输运。这意味着，对于顶栅底接触结构有机薄膜晶体管，其半导体薄膜厚度与其电极厚度相接近的时候，其电学性能才达到最佳。结合目前主流工艺使用的40nm厚的源漏电极，配制半导体溶液浓度范围为4.5mg/ml至5.5mg/ml的共轭聚合物溶液，使其涂膜转速范围为2000rpm至3000rpm，获得的半导体薄膜厚度才是器件工作的半导体薄膜最佳厚度。这种方法制作的有机薄膜晶体管，在几乎不影响迁移率条件下，做到了对器件的阈值电压、亚阈值摆幅以及接触电阻的最优化同时还节省了半导体材料的使用，降低了制造成本。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。