一種有機薄膜場效應晶體管及其制備方法

專利名稱：一種有機薄膜場效應晶體管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及有機電子技術領域，具體地說，涉及一種有機薄膜場效應晶體管及其制備方法。
背景技術：
晶體管包括雙極型晶體管和場效應晶體管(Field-Effect Transistors，以下簡稱FETs)，雙極型晶體管是電流控制器件；而FETs工作過程和電子管十分相似，是電壓控制器件，是利用改變電場來控制固體材料導電能力的有源器件。由于無機薄膜FETs的成本高，單晶難于制備，而且制備工藝條件苛刻，于是人們開始嘗試采用有機材料替代無機材料充當絕緣層或/和半導體層等功能層，用有機材料作為半導體層等功能層制備得到的薄膜FETs也就被稱為有機薄膜場效應晶體管(Organic Thin-Film Field-EffectTransistors，以下簡稱OTFFETs)。
近年來，有機薄膜晶體管(Organic Thin-Film Transistors，以下簡稱OTFTs)的研究工作進展迅速，并引起了人們的廣泛關注。與無機硅電子器件相比，有機電子器件制備方法簡單，條件溫和，而且有機電子器件還可以制備在聚合物基片上，得到柔軟器件。用有機半導體材料制備的器件顯示出重量輕、面積大以及價格低等特點，因此可以應用在基于液晶象素或者有機發光二極管的有源平板顯示(Active-Matrix Flat-PanelDisplays，以下簡稱AMFPDs)、電子報紙顯示器(Electronic Paper Displays)的有源點陣背景、低檔智能卡(Low-End Smart Cards)和電子標識牌(Electronic IdentificationTags)。利用OTFFETs得到有機集成電路、多參數氣體傳感器和有機電致激光的研究也在開展中。
1986年，A.Tsumura et al.(Macromolecular electronic deviceField-effect transistorwith a polythiophene thin film；Appl.Phys.Lett.；1986，49(18)1210-1212)首次用聚噻吩為半導體材料制備得到OTFTs后，這類晶體管的研究就得到了不斷的發展。Y.-Y.Linet al.(Stacked Pentacene Layer Organic Thin-Film Transistors with ImprovedCharacteristics；IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS.；1997，18(12)606-608)使用并五苯材料得到了載流子遷移率為1.5cm2/V·s的晶體管，開關電流比達到108。在2000年，J.H.Schon et al.(Appl.Phys.Lett.；2000，77(23)3776-3778)發現利用苝作為半導體材料，器件的電子遷移率可以達到5.5cm2/V·s，超過無定型硅的載流子遷移率。
在對OTFTs本身性能和機理進行研究的同時，對它的應用研究也在蓬勃開展。A.R.Brown et al.(Logic Gates Made from Polymer Transistors and Their Use in Ring Oscillators；SCIENCE；1995，270972-974)利用OTFTs制作了環形振蕩器的邏輯門。1998年，Henning Sirringhaus et al.(Integrated Optoelectronic Devices Based on ConjugatedPolymers；SCIENCE；1998，2801741-1744)研制成了一個用OTFTs來驅動的小尺寸發光二極管。同年，C.J.Drucy et al.(Low-cost all-polymer integrated circuits；Appl.Phys.Lett.；1998，73(1)108-110)利用低價的全聚合物OTFTs制成了集成電路，得到了一個15位的機械可編碼振蕩器。
上述成果表明，OTFTs的性能完全可以與現在使用的無定型硅晶體管相媲美，同時它在制造成本、制造條件上則遠遠優于無定型硅晶體管，而且OTFFETs更具有以下的優點(1)有機薄膜技術更多、更新，使得器件的尺寸能夠更小，集成度更高，這可以達到更高的運算速度和更小的操作功率；(2)由于通過對有機分子結構進行適當的修飾，可以得到不同性能的材料，因此就能夠設計OTFFETs的電學性能達到理想的結果；(3)有機材料比較容易獲得，OTFFETs的制作工藝也更為簡單，因此能夠有效地降低器件地成本；(4)全部由有機材料制備的全有機FETs具有非常好的柔韌性，使得它的應用范圍得到了更進一步地拓寬。
雖然OTFFETs的研究取得了巨大的發展，但是還面臨著很多的問題，尤其突出的問題是常溫下有機材料的場效應載流子遷移率還是大大小于無機材料，同時器件的飽和電流和開關電流比都很小，這些都限制了OTFFETs在實際中的應用。設計和合成新的載流子傳輸材料是解決這個問題的一個重要方向；此外，通過器件結構的改善，則有可能進一步提高器件的性能，但這方面的報道很少。
通常，作為OTFTs絕緣層的絕緣材料多數采用無機材料，它們大部分需要通過濺射法制備，而有機材料本身熱穩定性比較差，如果首先制備有機半導體層，在濺射制備絕緣層的時候容易破壞有機半導體薄膜。這就使得制備FETs很多時候只能采用反向制備法，即先濺射絕緣層，然后制備半導體層，最后才制備源極和漏極(H.Fuchigami，A.Tsumura，and H.Koezuka；Appl.Phys.Lett.；1993，63(10)1372-1374‖GillesHorowitz，Francoise Deloffre，Francis Garnier，Riadh Hajlaoui，Mohamed Hmyeneand Abderrahim Yassar；Synth.Met.；1993，54435-445)。而在有機半導體層上制備源極和漏極的時候，源漏之間的溝道長度不容易做得很小，因此不利于增大晶體管的飽和電流和縮小晶體管的面積。

發明內容
本發明的目的是提供一種有機薄膜場效應晶體管，即提供一種第一電極和第二電極靠近基片，第三電極遠離基片的層狀有機薄膜場效應晶體管的結構，其利于控制晶體管的溝道長度，能有效增大晶體管的飽和電流，縮小晶體管的面積。
本發明的又一目的是提供一種有機薄膜場效應晶體管的電極結構，即第一電極和第二電極具有梳形平行結構，其相互齒合，能有效增大晶體管的飽和電流，縮小晶體管面積。
本發明的另一目的是提供一種有機薄膜場效應晶體管的制備方法，即提供了一種通過全蒸鍍法正向制備有機薄膜場效應晶體管的簡單有效的方法。達到簡化工藝、降低成本的目的。
為實現上述目的，根據本發明的一個技術方案，提供了一種有機薄膜場效應晶體管的制備方法，包括以下步驟(1)在清洗劑中超聲清洗導電基片，然后用去離子水超聲沖洗并烘干，其中導電基片上面有一層導電膜；(2)對上述清洗烘干后的導電基片上的導電膜進行光刻，形成一組具有平行線條形狀的第一電極和第二電極；(3)在上述光刻形成圖形的導電基片上繼續蒸鍍半導體層，半導體層由具有較高載流子遷移率的有機半導體材料組成；(4)在上述半導體層之上繼續蒸鍍絕緣層，絕緣層由有機絕緣材料組成；(5)在上述絕緣層之上繼續蒸鍍金屬層作為器件的第三電極；其特征在于對步驟(2)中所述導電膜進行光刻形成的第一電極和第二電極是一組具有梳形齒合形狀的平行線條，光刻形成的圖形如圖4所示或類似的圖形。
根據本發明的又一技術方案，提供了一種根據上述方法所制得的有機薄膜場效應晶體管，其具有梳狀平行第一電極和第二電極的層狀結構，特征在于該器件采用可蒸鍍且成膜性能好的有機絕緣材料充當絕緣層，通過全蒸鍍法正向制備了有機薄膜場效應晶體管，即在光刻完第一電極(源極)和第二電極(漏極)后，制備半導體層和絕緣層，最后制備第三電極(柵極)，所制得的晶體管源極和漏極靠近基片，柵極遠離基片。該絕緣層薄膜優選為聚四氟乙烯(以下簡稱Teflon)、聚酰亞胺(以下簡稱PI)等具有良好絕緣性能的薄膜。而且上述方法由于采用了光刻的源極和漏極，使得整個晶體管的面積和溝道寬長比容易控制，可以縮小晶體管面積，有效提高飽和電流。
根據本發明的另一個技術方案，提供了一種有機薄膜場效應晶體管，其包括靠近基片梳形平行的第一電極和第二電極，遠離基片的第三電極，以及夾在所述第一(源極)、第二電極(漏極)和第三電極(柵極)之間的有機半導體層和絕緣層，其特征在于絕緣層采用可蒸鍍且絕緣性能好的有機絕緣材料。絕緣層材料優選為具有良好絕緣性能的Teflon、PI等。本發明的特征在于該有機薄膜場效應晶體管的第一電極和第二電極靠近基片，第三電極遠離基片，是具有梳形平行第一電極和第二電極的層狀結構，從而有效增大晶體管的飽和電流，縮小晶體管面積。
根據本發明的上述結構，可以達到提高晶體管飽和電流和縮小晶體管面積的目的。當采用高載流子遷移率的有機半導體材料銅酞菁(copper phthalocyanine，以下簡稱CuPc)充當半導體層，和具有良好絕緣性能的有機材料Teflon充當絕緣層時，可獲得性能優越的有機薄膜場效應晶體管。所制得的晶體管具有高飽和電流、高開關電流比、晶體管面積小等特點。而且與通常的有機薄膜場效應晶體管的制備工藝比較，本發明達到了簡化工藝、降低成本的目的。運用本發明的制備方法制備得到的有機薄膜場效應晶體管(結構為氧化銦錫(Indium-Tin-Oxide，以下簡稱ITO)/CuPc/Teflon/Ag)未達到飽和時在不同柵極偏壓下的漏源電流—漏源電壓特性曲線、跨導—柵極偏壓和輸出阻抗—漏源電壓特性曲線分別見圖7、圖8。我們還對蒸鍍到器件上的Teflon薄膜進行了成份測試和薄膜形態測試，圖5A、圖5B和圖6分別為Teflon薄膜的x射線能譜(以下簡稱XPS)圖和原子力顯微鏡(以下簡稱AFM)圖。從圖6中我們可以看出，絕緣層薄膜并沒有因為蒸鍍而變性，同時Teflon的成膜性能也相當好，薄膜均勻致密。
下面通過


，本發明可變得更加清楚。

圖1是本發明有機薄膜場效應晶體管的俯視示意圖。
圖2是本發明有機薄膜場效應晶體管結構剖面示意圖。
圖3是本發明中導電基片光刻形成四組具有梳形齒合的平行線條的第一電極(源極)和第二電極(漏極)的基片圖形示意圖。
圖4是本發明中導電基片光刻形成一組具有梳形齒合的平行線條的第一電極(源極)和第二電極(漏極)的圖形示意圖(即圖3中帶箭頭的方框的放大圖)。
上述圖1～圖4中，1為基片，2為第一電極，3為第二電極，4為半導體層，5為絕緣層，6為第三電極。
圖5A是運用本發明的制備方法制備出Teflon薄膜的F-XPS圖。
圖5B是運用本發明的制備方法制備出Teflon薄膜的C-XPS圖。
圖6是運用本發明的制備方法制備出Teflon薄膜的AFM圖。
圖7是運用本發明的制備方法制備的有機薄膜場效應晶體管(結構為ITO/CuPc/Teflon/Ag)未達到飽和時在不同柵極偏壓下的漏源電流—漏源電壓特性曲線，其中VG為柵極偏壓。
圖8是運用本發明的制備方法制備的有機薄膜場效應晶體管(結構為ITO/CuPc/Teflon/Ag)的跨導—柵極偏壓和輸出阻抗—漏源電壓特性曲線，其中gm為跨導，rD為輸出阻抗，IDS為漏源電流，VDS為漏源電壓，VG為柵極偏壓，gm、rD分別由公式①、②表示 圖中有□標記的曲線為跨導—柵極偏壓特性曲線，有●標記的曲線為輸出阻抗—漏源電壓特性曲線。
下面結合附圖和實施例詳細闡述本發明的內容。
本發明提出的有機薄膜場效應晶體管結構如圖2所示，其中1為基片，可以是玻璃或者塑料；2為器件的第一電極(源極)，3為器件第二電極(漏極)，一般為ITO、氧化鋅、氧化錫鋅等金屬氧化物或金、銅、銀等功函數較高的金屬，經過優化，選擇為ITO；4是半導體層，半導體層由具有較高載流子遷移率的有機半導體材料組成，如酞菁類金屬有機化合物、低聚噻吩類化合物、并五苯等；5是絕緣層，絕緣層由可蒸鍍且具有良好絕緣性能、成膜性能的有機材料組成，經過優化，選擇為Teflon、PI等；6為器件的第三電極(柵極)，柵極為金屬層，一般為金、銀等功函數較高的金屬。
實施例一在弱堿性清洗劑中超聲清洗方塊電阻為15Ω的ITO玻璃，然后用去離子水超聲沖洗兩遍并烘干，其中ITO的膜厚為150nm。對ITO薄膜進行光刻，形成一組具有梳形齒合的平行線條的源極和漏極，光刻形成的圖形如圖4所示，溝道長度為50μm，溝道寬度為81mm，溝道寬長比為1620。把光刻形成圖形的ITO玻璃置于壓力為1×10-3Pa的真空鍍膜腔內，利用熱蒸發方法在向已有ITO源漏極的基片上蒸鍍CuPc薄膜，蒸鍍速率為0.05nm/s，薄膜厚度為250nm。在蒸鍍完CuPc以后，繼續蒸鍍Teflon薄膜，蒸鍍速率為0.03nm/s，薄膜厚度為400nm。最后蒸鍍金屬層充當柵極，金屬層為Ag，Ag電極的蒸鍍速率為1.0nm/s，厚度為300nm。該晶體管在柵極偏壓10V的時候，開關電流比大于103，最大電流超過0.2mA。
實施例二在弱堿性清洗劑中超聲清洗方塊電阻為30Ω的ITO玻璃，然后用去離子水超聲沖洗兩遍并烘干，其中ITO的膜厚為180nm。對ITO薄膜進行光刻，形成一組具有梳形齒合的平行線條的源極和漏極，光刻形成的圖形如圖4所示，溝道長度為50μm，溝道寬度為81mm，溝道寬長比為1620。把光刻形成圖形的ITO玻璃置于壓力為1×10-3Pa的真空鍍膜腔內，利用熱蒸發方法在向已有ITO源漏極的基片上蒸鍍并五苯薄膜，蒸鍍速率為0.05nm/s，薄膜厚度為300nm。在蒸鍍完并五苯以后，繼續蒸鍍Teflon薄膜，蒸鍍速率為0.03nm/s，薄膜厚度為500nm。最后蒸鍍金屬層充當柵極，金屬層依次由Au和Ag組成，Au電極的蒸鍍速率為0.3nm/s，厚度為50nm，Ag電極的蒸鍍速率為1.0nm/s，薄膜厚度為250nm。該晶體管在柵極偏壓10V的時候，開關電流比大于104，最大電流超過0.2mA。
實施例三在弱堿性清洗劑中超聲清洗方塊電阻為15Ω的ITO玻璃，然后用去離子水超聲沖洗兩遍并烘干，其中ITO的膜厚為150nm。對ITO薄膜進行光刻，形成一組具有梳形齒合的平行線條的源極和漏極，光刻形成的圖形如圖4所示，溝道長度為50μm，溝道寬度為81mm，溝道寬長比為1620。把光刻形成圖形的ITO玻璃置于壓力為5×10-4Pa的真空鍍膜腔內，利用熱蒸發方法在向已有ITO源漏極的基片上蒸鍍并五苯薄膜，蒸鍍速率為0.03nm/s，薄膜厚度為150nm。在蒸鍍完并五苯以后，繼續蒸鍍Teflon薄膜，蒸鍍速率為0.02nm/s，薄膜厚度為500nm。最后蒸鍍金屬層充當柵極，金屬層依次由Au和Ag組成，Au電極的蒸鍍速率為0.3nm/s，厚度為50nm，Ag電極的蒸鍍速率為1.0nm/s，薄膜厚度為250nm。該晶體管在柵極偏壓10V的時候，開關電流比大于105，最大電流超過0.2mA。
盡管結合優選實施例對本發明進行了說明，但本發明并不局限于上述實施例，應當理解，在本發明構思的引導下，本領域技術人員可進行各種修改和改進，所附概括了本發明的范圍。
權利要求
1.一種有機薄膜場效應晶體管，其包括第一電極和第二電極，以及第三電極，以及夾在所述第一、第二電極和第三電極之間的有機半導體層和絕緣層，其特征在于第一電極和第二電極靠近基片，第三電極遠離基片。
2.一種有機薄膜場效應晶體管，其包括第一電極和第二電極，以及第三電極，以及夾在所述第一、第二電極和第三電極之間的有機半導體層和絕緣層，其特征在于第一電極和第二電極是一組具有梳形齒合形狀的平行線條。
3.一種有機薄膜場效應晶體管，其包括第一電極和第二電極，以及第三電極，以及夾在所述第一、第二電極和第三電極之間的有機半導體層和絕緣層，其特征在于絕緣層采用具有良好絕緣性能的有機材料。
4.如權利要求1或2或3所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于絕緣層材料優選為具有良好絕緣性能的聚四氟乙烯、聚酰亞胺等。
5.如權利要求1或2或3所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的第一電極和第二電極采用氧化銦錫或氧化鋅或氧化錫鋅等金屬氧化物，或金、銅、銀等功函數較高的金屬。
6.如權利要求1或2或3所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的第一電極和第二電極材料優選為氧化銦錫。
7.如權利要求1或2或3所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的組成有機半導體層的材料為酞菁類金屬有機化合物、低聚噻吩類化合物、并五苯等。
8.如權利要求1或2或3所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的第三電極為金、銀等功函數較高的金屬。
9.一種有機薄膜場效應晶體管的制備方法，包括以下步驟(1)在清洗劑中超聲清洗導電基片，然后用去離子水超聲沖洗并烘干，其中導電基片上面有一層導電膜；(2)對上述清洗烘干后的導電基片上的導電膜進行光刻，形成一組具有平行線條形狀的第一電極和第二電極；(3)在上述光刻形成圖形的導電基片上繼續制備半導體層，半導體層由具有較高載流子遷移率的有機半導體材料組成；(4)在上述半導體層之上繼續制備絕緣層，絕緣層由有機絕緣材料組成；(5)在上述絕緣層之上繼續制備金屬層作為器件的第三電極；
10.如權利要求9所述的有機薄膜場效應晶體管的制備方法，其特征在于對所述導電膜進行光刻形成的第一電極和第二電極是一組具有梳形齒合形狀的平行線條。
11.如權利要求9所述的有機薄膜場效應晶體管的制備方法，其特征在于在所述光刻形成圖形的導電基片上繼續制備半導體層可采用蒸鍍、旋涂等方法。
12.如權利要求9所述的有機薄膜場效應晶體管的制備方法，其特征在于在所述半導體層之上繼續制備絕緣層可采用蒸鍍、旋涂等方法。
13.如權利要求9所述的有機薄膜場效應晶體管的制備方法，其特征在于在所述絕緣層之上繼續制備金屬層可采用蒸鍍等方法。
14.一種根據權利要求9的方法所制得的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于該器件的絕緣層薄膜采用具有良好絕緣性能的有機材料。
15.如權利要求14所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于絕緣層薄膜材料優選為具有良好絕緣性能的聚四氟乙烯、聚酰亞胺等。
16.如權利要求14所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的導電基片優選為氧化銦錫玻璃。
17.如權利要求14所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的組成有機半導體層的材料為酞菁類金屬有機化合物、低聚噻吩類化合物、并五苯等。
18.如權利要求14所述的有機薄膜場效應晶體管，其特征在于其中所述的第三電極為金、銀等功函數較高的金屬。
全文摘要
本發明提供了一種有機薄膜場效應晶體管及其制備方法。該器件包括靠近基片梳形平行的第一電極和第二電極,遠離基片的第三電極,以及夾在所述第一、第二電極和第三電極之間的有機半導體層和絕緣層。該制備方法中的絕緣層采用具有良好絕緣性能的有機材料,通過全蒸鍍法正向制備有機薄膜場效應晶體管,從而有效增大了晶體管的飽和電流,縮小了晶體管面積。
文檔編號H01L51/05GK1348222SQ0113467
公開日2002年5月8日 申請日期2001年11月9日 優先權日2001年11月9日
發明者董桂芳, 胡遠川, 王立鐸, 邱勇, 高裕弟 申請人:清華大學