含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术属于有机薄膜晶体管技术领域，具体涉及含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管及其制作方法。本发明专利技术通过在源／漏电极和有机半导体层之间增加一层非反应活性的缓冲层，缓冲层是有机半导体材料，电导率在１０↑［－６］～１０↑［－１］Ω↑［－１］ｃｍ↑［－１］之间，该缓冲层的设计可以减小金属电极和有机半导体之间的接触势垒从而增加电荷的注入效率。缓冲层可以通过光刻剥离或掩模版或者刻蚀的方法放置在源／漏电极之下。在有源矩阵液晶显示装置、柔性集成电路和传感器等可以使用这一类薄膜晶体管器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机薄膜晶体管(以下简称OTFT)的
，具体涉及含有非反应活性缓冲层的OTFT及其制作方法。
技术介绍
近年来，OTFT在柔性有源矩阵显示和柔性集成电路等方面显现出应用潜力。发展高载流子迁移率、低工作电压、大开关电流比的材料与器件是目前OTFT实际应用的迫切需要。然而，大的接触电阻严重的限制了载流子的注入，降低了器件性能。F.Garnier等人提供了一种采用电荷转移复合物TCNQ作为掺杂剂(F.Garnier et al Mat.Res.Symp.Soc.Bull，52-56，June1999)，来改善源/漏电极的载流子注入性质，但是由于电荷转移复合物的成膜性差，并且TCNQ分子能在有源层移动造成关态电流的增大，损害器件的开关电流比性质。Hagen Klauk等人也提供了一种对源/漏电极下的有机半导体进行反应性掺杂的方法(美国专利技术专利，Pub.No.US2003/0092232A1)，实现了改善源/漏电极的载流子注入性质。遗憾的是，这种方法的器件稳定性变差。近来，Raoul Schroeder等人使用无机掺杂剂(FeCl3)掺杂P型半导体(pentacene)改善接触性质。但由于离子的扩散，导致本体电导增大，从而损失了开关态电流比(Appl.Phys.Lett 64，2004，1004)，化学修饰电极的方法也被提出去改善有机薄膜晶体管的接触性质，但是由于此方法的重复性差，在实际应用中仍存在一些问题。(David J.Gundlach，et al IEEE Electron DeviceLetters，vol 22，5712001).
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一类含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管器件，采用源/漏电极与有机半导体之间增加非反应活性的较高电导率缓冲层，且该缓冲层在器件的沟道处不连续。在不损失器件的开关态电流比的情况下，改善接触性质，增加载流子的注入性质，达到提高器件性能的目的。其具体结构有如图1a的顶电极构型和图1b的底电极构型两种本专利技术的另一目的是提供含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管器件的制作方法。该方法只在常规器件结构的基础上仅增加一层缓冲层，工序简单。一般来说，本专利技术的有机晶体管可以加工形成二维和三维的集成器件中的元件。这些集成器件可应用在柔性集成电路、有源矩阵显示和传感器等方面。使用基于本专利技术的薄膜晶体管元件可以低温加工。制作本专利技术的薄膜晶体管的方法不限于传统的光刻工艺，也可以采用打印、印刷等加工方法。本专利技术采用极性小的高导电性有机半导体，电导率在10-6～10-1Ω-1cm-1材料为缓冲层，缓冲层在沟道处不连续，有利于降低器件的关态电流和器件的开启电压，增强器件的开态电流，提高器件的综合性能。本专利技术的方法在不增加光刻等常规复杂工艺的情况下，就可以改善OTFT器件的性能。本专利技术OTFT顶电极构型剖面示意图1a，具体的制作方法如下第一步，在衬底1上溅射或蒸发一层金属Ta、Ti、W、Al、ITO、Cr、Au、Ag或Mo，并采用光刻的方法形成栅电极2；第二步，在衬底1和栅电极2的表面上溅射或蒸发一层栅绝缘膜3或者Ta2O5、Al2O3、TiO2、SiO2、SiN1～1.5金属氧化物或氮化物中的一种或二种或者为钛锆酸钡(BZT)；第三步，在栅绝缘层3表面上形成有机半导体材料有源层4；第四步，在有源层4表面上形成缓冲层5；第五步，在缓冲层5表面用Au、Ag、Mo或Al、Cu、Cr、Ti、Mg、Ca中的一种或两种形成源/漏电极6和7；第六步，用源/漏电极6和7作为掩模板，采用干刻方法刻蚀掉暴露在源/漏电极外的缓冲层5。本专利技术的OTFT的底电极结构剖面示意图1b，具体的制作方法如下第一步，在衬底1上溅射或蒸发一层金属Ta、Ti、W、Al、ITO、Cr、Au、Ag或Mo，并采用光刻的方法形成栅电极2；第二步，在衬底1和栅电极2溅射或蒸发一层栅绝缘膜3或者Ta2O5、Al2O3、TiO2、SiO2、SiN1～1.5金属氧化物或氮化物中的一种或二种或者为钛锆酸钡(BZT)第三步，在栅绝缘层3表面上形成缓冲层5；第四步，在缓冲层5表面用Au、Ag、Mo或Al、Cu、Cr、Ti、Mg、Ca中的一种或两种形成源/漏电极6和7；第五步，用源/漏电极6和7作为掩模板，采用干刻方法刻蚀掉暴露在源/漏电极外的缓冲层5；第六步，在栅绝缘层3、源/漏电极6和7的表面上形成有机半导体材料有源层4。附图说明图1a基于顶电极构型的本专利技术OTFT剖面示意图，其也是说明书摘要的附图。图1b基于底电极构型的本专利技术OTFT剖面示意图。图2a是传统的项电极器件和根据本专利技术的项电极结构OTFT线性区的输出特性曲线。图中-◇-为VG＝0V，- -为VG＝-10V，- —为VG＝-20V，-△-为VG＝-30V以上为不含有缓冲层的器件；以下为含有缓冲层的器件-■-为VG＝0V，-●-为VG＝-10V，-▲-为VG＝-20V，--为VG＝-30V。图2b是传统的顶电极器件和根据本专利技术的项电极结构OTFT线性区的转移特性曲线。图中VD＝-2V，■为酞菁铜单层器件；●为含有缓冲层LuPc2的酞菁铜器件。图3a根据本专利技术的顶电极结构OTFT线性区和饱和区的输出特性曲线。图中-■-为VG＝0V，-●-为VG＝-10V，-▲-为VG＝-20V，--为VG＝-30V，-◆-为VG＝-40V，--为VG＝-50V图3b根据本专利技术的顶电极结构OTFT线性区和饱和区的转移特性曲线。图中-■-为VD＝-10V，-●-为VD＝-20V，-▲-为VD＝-30V，--为VD＝-40V，-◆-为VD＝-50V。图1a、1b中，1-衬底，2-栅电极，3-栅绝缘层，4-有机半导体层，5-缓冲层，6-源电极，7-漏电极。具体实施例方式实施例1以下使用的单酞菁化合物是市售商品，双酞菁化合物为用已知的方法进行合成的。上述两种材料均通过真空升华的方法提纯3次。在7059玻璃衬底1上用射频磁控溅射方法镀上一层Ta金属膜，溅射的条件为本底真空2×10-3Pa，Ar气气压1Pa，射频功率500W，衬底温度100℃，并光刻成栅电极2；在衬底1和栅极2上面用直流磁控溅射方法连续溅射一层300纳米的Ta2O5作为栅绝缘层3，反应溅射条件为本底真空2×10-3Pa，O2气压0.9Pa，直流功率500W，衬底温度100℃，然后，在10-5Pa的高真空下加热盛有CuPc粉末的石英舟，使之升华到室温衬底上形成厚度约30纳米的半导体有源层4；接着在10-5Pa的高真空下加热盛有有机半导体LuPc2粉末的石英舟，使之升华到室温衬底上形成厚度约10纳米的缓冲层5；接着，涂光刻胶、曝光、显影，然后以光刻胶为漏板在10-5Pa的高真空下热蒸发一层100纳米的金(Au)，把样品放入丙酮溶剂中剥离掉非图形区的金形成源电极6和漏电极7。沟道宽度为1000微米，沟道长度为100微米，最后用干刻(RIE)方法刻蚀掉暴露在源/漏电极外的LuPc2层，氧气流量50sccm，自偏压100伏，功率70瓦，时间1分钟，仅保留源/漏电极下面的LuPc2缓冲层5。器件剖面示意图见图1a。图2a是传统的顶电极器件和本专利技术OTFT的输出特性曲线，从图上可以看出本专利技术的开态电流增大了3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管，其含有衬底（１）、栅电极（２）、栅绝缘层（３）、有机半导体层（４）、源电极（６）、漏电极（７），其特征在于，源电极（６）和漏电极（７）与有机半导体层（４）之间含有非反应活性的缓冲层（５）；缓冲层（５）所采用的有机半导体是含有７，７’，８，８’－四氰基苯醌的电荷转移复合物，或者是稀土双酞菁化合物，或者是聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻酚、聚对苯撑中的至少一种有机半导体共混或共晶构成，电导率在１０↑［－６］～１０↑［－１］Ω↑［－１］ｃｍ↑［－１］之间。

【技术特征摘要】
1.一种含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管，其含有衬底(1)、栅电极(2)、栅绝缘层(3)、有机半导体层(4)、源电极(6)、漏电极(7)，其特征在于，源电极(6)和漏电极(7)与有机半导体层(4)之间含有非反应活性的缓冲层(5)；缓冲层(5)所采用的有机半导体是含有7，7’，8，8’-四氰基苯醌的电荷转移复合物，或者是稀土双酞菁化合物，或者是聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻酚、聚对苯撑中的至少一种有机半导体共混或共晶构成，电导率在10-6～10-1Ω-1cm-1之间。2.一种根据权利要求1所述含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管，其特征在于所述的绝缘层(3)与源电极(6)和漏电极(7)之间含有非反应活性缓冲层(5)，缓冲层(5)上面是源/漏电极(6)和(7)，在绝缘层(3)、源/漏电极(6)和(7)上面是有源层(4)。3.一种根据权利要求1或2所述的含有非反应活性缓冲层的有机薄膜晶体管，其特征在于所述的缓冲层(5)在源/漏电极(6)与(7)间的沟道处是不连续的。4.一种根据权利要求1、2或3所述含有非反应活性缓冲层的顶电极有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于1)在衬底(1)上溅射或蒸发一层金属Ta、Ti、W、Al、ITO、Cr、Au、Ag或者Mo，通过光刻的方法成栅电极(2)；2)在栅电极(2)和衬底(1)上面溅射或蒸发一层栅绝缘膜(3)或者Ta2O5、Al2O3、TiO2、SiO2、SiN1～1.5金属氧化物或氮化物中的一种或二种或者为钛锆酸钡；3)在栅绝缘层(3)表面上形成有机半导体材料有源层(4)；4)在有源层(4)表面上形成缓冲层(5)；5)在缓冲层(5)表面用Au、Ag、Mo或Al、Cu、Cr、Ti、Mg、Ca中的一种或两种形成源/漏电极(6)和(7)；6)用源/漏(6)和(7)作为掩模板，采用于刻方法刻蚀掉暴露在源/漏电极外的缓冲层(5)。5.一种根据权利要求1、2或3所述含有非反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫东航，王军，张吉东，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]