一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法.pdf

一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，该有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，自下而上依次包括衬底、栅极、介质层、自组装单分子层、源极、漏极以及有机半导体层，该源极与漏极之间的沟道的长度不超过5微米，所述制备方法的各工艺步骤全部采用包括溶液涂布方法和印刷方法的溶液法，具体步骤如下：在衬底上制备栅极；在衬底和栅极上制备介质层；在介质层上表面生长疏水性自组装单分子层；采用紫外光垂直通过光掩膜照射疏水性自组装单分子层，除去源极和漏极区域的疏水性自组装单分子层并在该区域生长亲水性自组装单分子层；在介质层的亲水区域上形成漏极和栅极；在源极、漏极以及沟道之上制备有机半导体层。本发明效率高、成本低，提升了短沟道有机薄膜晶体管的品质。

权利要求书一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，该有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，其自下而上依次包括衬底、栅极、介质层、自组装单分子层、源极、漏极以及有机半导体层，该源极与漏极之间的沟道的长度不超过5微米，其特征在于：所述制备方法的各工艺步骤全部采用包括溶液涂布方法和印刷方法的溶液法，其具体步骤如下：1)在衬底上制备栅极；2)在衬底和栅极上制备介质层；3)在介质层上表面生长疏水性自组装单分子层；4)采用紫外光垂直通过光掩膜照射疏水性自组装单分子层，除去源极和漏极区域的疏水性自组装单分子层并在该区域生长亲水性自组装单分子层；5)在介质层的亲水区域上形成漏极和栅极；6)在源极、漏极以及沟道之上制备有机半导体层。根据权利要求1所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，紫外光的波长短于350nm。根据权利要求1所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，用于制备源极和漏极的电极溶液自发选择性地附着到亲水性自组装单分子层上，然后经退火固化形成源极和漏极及其之间的沟道。根据权利要求1所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述源极和漏极的线宽都不超过5微米。根据权利要求1所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述栅极的材料是金属或者导电有机聚合物。根据权利要求1所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述介质层为单层材料或者多层材料的组合，该材料为有机聚合物或者无机氧化物。根据权利要求1所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于：所述有机半导体层的材料为有机聚合物半导体、有机小分子半导体、石墨烯或者碳纳米管。

说明书一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机电子器件，具体涉及一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，属于有机电子技术领域。
背景技术
近年来，随着大面积柔性电子领域以及智能电子等新的应用领域的发展，传统的硅基微电子器件已不能完全胜任相关技术和应用的要求。在此推动下，有机电子技术应运而生。作为实现有机电子信号处理、控制与传输功能的基础元件，高性能有机薄膜晶体管的制备是关键。然而当前，有机电子器件在性能、稳定性和集成度等方面都还远不如硅基微电子器件，解决上述难题的途径之一是通过缩短有机薄膜晶体管的沟道长度来实现，这样既能提高有机薄膜晶体管的工作速度，又能提高器件的集成度。
提高有机薄膜晶体管的工作速度一般可以通过提高半导体材料迁移率、减小沟道长度以及减少寄生电容等方式来实现。之前的诸多研究表明，疏水的表面能可以显著促进半导体材料的结晶，增大晶粒尺寸，从而减少晶界对载流子的散射，提高载流子迁移率，因此制备时必须考虑到沟道界面的亲疏水性问题。虽然目前制备短沟道有机薄膜晶体管的方法也很多，有些甚至能制作出微米尺度以下的沟道，但需注意这些器件所采用的结构都是顶栅结构，同时这些方法还存在一些问题，比如不能可靠保证器件的性能、成品率。
在实际应用中，有机电子竞争力的提升要求它的制备工艺能够实现低成本、大面积、连续生产，而制备有机薄膜晶体管的诸多工艺中，溶液法就具有这样的优势。如果有机薄膜晶体管的制备采用全溶液法，就能实现卷对卷连续生产，大大提高制备效率，有效降低制造成本。
目前还未见有报道，制备方法采用全溶液法来实现底栅底接触型结构、沟道长度短于5微米的有机薄膜晶体管。
常用的溶液法工艺主要包括溶液涂布方法以及各种印刷方法，溶液涂布方法又可细分为旋涂、喷涂、滴涂、刮涂等，印刷方法又可细分为喷墨打印、丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、胶版印刷等。溶液法工艺通常还需辅助以烘培、退火、曝光等工序。
发明内容
本发明的目的是提供一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，该制备方法在底栅底接触型结构的晶体管各个部件的制备过程中全部采取溶液法，通过结合自组装单分子层生长技术以及紫外曝光技术，在疏水性的介质层表面形成亲水区域，以让制备电极用的电极溶液自发选择性地附着到亲水区域，然后形成源极和漏极以及其之间的长度短于5微米的沟道。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种短沟道有机薄膜晶体管的制备方法，该有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，其自下而上依次包括衬底、栅极、介质层、自组装单分子层、源极、漏极以及有机半导体层，该源极与漏极之间的沟道的长度不超过5微米，其特征在于：所述制备方法的各工艺步骤全部采用包括溶液涂布方法和印刷方法的溶液法，其具体步骤如下：
1)在衬底上制备栅极；
2)在衬底和栅极上制备介质层；
3)在介质层上表面生长疏水性自组装单分子层；
4)采用紫外光垂直通过光掩膜照射疏水性自组装单分子层，除去源极和漏极区域的疏水性自组装单分子层并在该区域生长亲水性自组装单分子层；
5)在介质层的亲水区域上形成漏极和栅极；
6)在源极、漏极以及沟道之上制备有机半导体层。
所述步骤4)中，紫外光的波长短于350nm。
所述步骤5)中，用于制备源极和漏极的电极溶液自发选择性地附着到亲水性自组装单分子层上，然后经退火固化形成源极和漏极及其之间的沟道。
所述源极和漏极的线宽都不超过5微米。
所述栅极的材料是金属或者导电有机聚合物。
所述介质层为单层材料或者多层材料的组合，该材料为有机聚合物或者无机氧化物。
所述有机半导体层的材料为有机聚合物半导体、有机小分子半导体、石墨烯或者碳纳米管。
本发明所述的短沟道有机薄膜晶体管的制备方法借助自组装单分子层生长技术和紫外曝光技术，在介质层上的不同区域分别生长疏水性和亲水性的自组装单分子层，使不同区域表面呈亲水性质或者疏水性质，电极溶液仅附着在亲水区域，形成源极和漏极。
本发明具有下列明显的优点：
1、由于采用低成本的溶液法制备有机薄膜晶体管的所有部件，因此生产上能够实现连续制备，如采用卷对卷工艺，从而大大提高了制备效率，进一步降低了成本。
2、由于紫外曝光技术的精度可以做到5微米以下，因此采用该技术得到的介质层表面亲水区域的线宽尺寸以及它们之间沟道的长度尺寸就能够被精确地控制到5微米以内，从而能够制备得到线宽小于5微米的源极和漏极以及长度短于5微米的沟道，进而达到降低有机薄膜晶体管寄生电容的效果。
3、由于沟道区域表面保持疏水性质，有机半导体层在该区域结晶情况得到了改善，保证了有机半导体材料的迁移率(下降幅度不超过20％)。
4、由于有机薄膜晶体管结构采取的是实际生产中最常用的底栅底接触型结构，因此有利于批量生产制备大规模有机薄膜晶体管阵列。
5、采用本发明制备的有机薄膜晶体管的工作速度将显著提高，同时也增加了器件的集成度。
附图说明
图1是本发明的工艺步骤之一的示意图。
图2是本发明的工艺步骤之二的示意图。
图3是本发明的工艺步骤之三的示意图。
图4A，4B，4C是本发明的工艺步骤之四的过程示意图。
图5A，5B，5C，5D是本发明的工艺步骤之五的过程示意图。
图6是本发明的工艺步骤之六的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容及其具体实施步骤作进一步说明。
本发明主要通过结合自组装单分子层生长技术以及紫外曝光技术，在各工艺步骤中全部采用溶液法，从而制备得到底栅底接触型结构的短沟道有机薄膜晶体管。
请参阅图6，所述的短沟道有机薄膜晶体管为底栅底接触型结构，其自下而上依次包括衬底110、栅极120、介质层130、自组装单分子层140和150、源极160、漏极170以及有机半导体层180。具体地说，栅极120设置在衬底110之上，介质层130设置在栅极120和衬底110之上，介质层130表面的不同区域上生长有亲、疏水性不同的自组装单分子层150和140，源极160和漏极170生成在亲水区域上，源极160和漏极170之间的疏水区域为沟道，该沟道的长度不超过5微米，有机半导体层180设置在源极160和漏极170以及沟道区域之上。
所述制备方法的各工艺步骤全部采用溶液法，该溶液法包括溶液涂布方法和印刷方法，其具体步骤如下：
1)在衬底上制备栅极，该栅极的材料是金属或者导电有机聚合物；
2)在衬底和栅极上制备介质层，该介质层为单层材料或者多层材料的组合，该材料为有机聚合物或者无机氧化物；
3)在介质层上表面生长疏水性自组装单分子层；
4)采用紫外光垂直通过光掩膜照射疏水性自组装单分子层，除去源极和漏极区域的疏水性自组装单分子层并在该区域生长亲水性自组装单分子层，该紫外光的波长短于350nm；
5)在介质层的亲水区域上形成漏极和栅极，该源极和漏极的线宽都不超过5微米，用于制备源极和漏极的电极溶液自发选择性地附着到亲水性自组装单分子层上，然后经退火固化形成源极和漏极及其之间的沟道；
6)在源极、漏极以及沟道之上制备有机半导体层，该有机半导体层的材料为有机聚合物半导体、有机小分子半导体、石墨烯或者碳纳米管。
现结合附图说明所述短沟道有机薄膜晶体管制备方法的流程步骤。
参照图1，在衬底110上制备栅极120。提供衬底110，衬底110的材料使用玻璃衬底或者塑料衬底，如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰亚胺(PI)以及聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等等；然后在衬底110上制备栅极120，栅极120的材料是金属或者导电有机聚合物等，比如，制备栅极120电极的电极溶液使用金(Au)墨水、银(Ag)墨水、铜(Cu)墨水或导电有机聚合物PEDOT∶PSS等；制备栅极120的方法是通过溶液法，如旋涂、喷涂、滴涂、浸涂、刮涂等溶液涂布方法或者喷墨打印、丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、胶版印刷等印刷方法；然后，根据电极溶液的选择在合适的温度下进行充分退火得到栅极120。
参照图2，在衬底110和栅极120上制备介质层130。介质层130的材料为有机聚合物或者无机氧化物，比如，聚乙烯醇(PVA)、聚苯乙烯(PS)、聚(4‑乙烯基苯酚)(PVP)、PMSQ等有机聚合物和氧化铝(Al2O3)、氧化铬(CrO3)、氧化锆(ZrO2)、二氧化硅(SiO2)等无机氧化物。介质层130为单层材料也可以是多层材料的组合，比如PS+PVP、氧化锆+氧化铝、或者聚苯乙烯+氧化铝等等，此处将不一一列举；制备介质层130的方法与上述栅极120的制备方法一样，采用溶液法中的某一具体方法。
参照图3，在介质层130上面生长疏水性自组装单分子层140。疏水性自组装单分子主要为三氯硅烷、三乙氧烷、膦酸烷或者碳酸烷等，比如，三氯十八烷(Trichloro(octadecyl)silane)、十二烷基三乙氧基硅烷(Dodecyltriethoxysilane)、三氯(1H，1H,2H,2H‑全氟辛基)硅烷(Trichloro(1H，1H，2H，2H‑perfluorooctyl)silane)、十八烷基膦酸(Octadecylphosphonic acid)等；方法如下：将疏水性自组装单分子分散到溶剂中配置成浓度为10mM的溶液，对介质层130表面使用紫外臭氧处理10分钟，然后用溶液法将上述溶液涂布到经处理的介质层130表面，在低水汽气氛中旋涂或者静置一小时以上，以让自组装单分子与介质层130表面完全发生硅烷化反应，接着用上述溶剂对表面润洗三次，然后在100℃中烘焙10分钟，除去多余的物理吸附的单分子，最终得到疏水性自组装单分子层140。
参照图4A、图4B和图4C，采用紫外光垂直通过光掩膜210照射疏水性自组装单分子层140，除去源极160和漏极170区域的疏水性自组装单分子层140并在该区域生长亲水性自组装单分子层150。用波长短于350nm的紫外光垂直通过光掩膜210，并照射疏水性自组装单分子层140共20分钟(见图4A)，使得介质层130表面的疏水性自组装单分子层140的化学键发生断裂并产生羟基，从而与源极160和漏极170相对应的区域的介质层130表面的疏水性自组装单分子层140被除去(见图4B)，再在羟基上面、表面裸露的源极160和漏极170区域生长亲水性自组装单分子层150(见图4C)，从而在介质层130表面形成亲疏水性有差别的不同区域；亲水性自组装单分子层150的生长方法与上述制备疏水性自组装单分子层140的方法相同，亲水性自组装单分子主要为三氯硅烷、三乙氧烷、膦酸烷或者碳酸烷等。
参照图5A、图5B、图5C和图5D，在介质层130的亲水区域上形成源极160和漏极170。源极160和漏极170的材质为金属或者导电聚合物等，比如，制备源极160和漏极170电极的电极溶液190使用金(Au)墨水、银(Ag)墨水、铜(Cu)墨水或者导电聚合物PEDOT∶PSS等；制备源极160和漏极170的方法是通过旋涂、喷涂、滴涂、浸涂、刮涂等溶液涂布方法或者通过喷墨打印、丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、胶版印刷等印刷方法制备；由于介质层130表面存在有亲疏水性差异的区域，电极溶液190与亲水区域和疏水区域的表面接触角相差50°以上，相对于疏水表面而言，电极溶液190与亲水表面亲和力更强，因此电极溶液190自发选择性地附着到亲水性自组装单分子层150上(见图5A、图5B、图5C)，电极溶液190涂覆到介质层130表面可能会出现图5A中的覆盖情况，不过通过自发选择性附着，电极溶液190最终还是会全部附着到亲水区域(见图5C)；然后根据电极溶液190的选择，在合适的温度下进行充分退火固化形成源极160和漏极170及其之间的沟道(见图5D)；该源极160和漏极170的线宽以及它们之间沟道的长度都不超过5微米。
参照图6，在源极160、漏极170以及沟道之上制备有机半导体层180。该有机半导体层180的材料为有机聚合物半导体、有机小分子半导体、石墨烯或者碳纳米管；其制备方法采用旋涂、喷涂、滴涂、浸涂、刮涂等溶液涂布方法或者采用喷墨打印、丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷、柔印、胶版印刷等印刷方法。