以表面浮雕结构来增强载流子迁移率的有机薄膜晶体管.pdf

本申请公开了一种有机薄膜晶体管，包括：衬底、栅电极、有机绝缘层、有机活性层和源/漏电极，其中有机绝缘层与有机活性层之间的界面是具有浮雕结构的界面。依照本发明，不管是否使用有机绝缘材料，都可得到电性能增强的有机薄膜晶体管。

1、  一种有机TFT，包括：衬底、栅电极、有机绝缘层、有机活性层和源/漏电极，其中有机绝缘层与有机活性层之间的界面是具有浮雕结构的界面。

2、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述有机绝缘层是利用选自聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺及其衍生物的聚合物形成的。

3、  根据权利要求2的有机TFT，其中所述聚合物在其主链或侧链上具有如下各式所示的能够参与光致异构化、光致交联或光致聚合的部分：


4、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述有机绝缘层是通过浸涂、旋涂、印刷、喷涂或辊涂形成的。

5、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述有机绝缘层的表面浮雕结构，是通过机械摹拓、静电力控制(poling)、表面浮雕光栅、光刻或者采用模具的盖印或压纹形成的。

6、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述表面浮雕结构的主轴平行于源电极与漏电极之间的通道。

7、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述有机活性层可由选自并五苯、酞菁铜、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亚苯基亚乙烯基及其衍生物的材料制成。

8、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述栅电极以及源/漏电极是由金、银、铝、镍、ITO、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亚苯基亚乙烯基或PEDOT(聚亚乙二氧基噻吩)/PSS(聚苯乙烯磺酸盐)制成的。

9、  根据权利要求1的有机TFT，其中所述衬底为玻璃或塑料衬底。

10、  一种形成有机绝缘层的方法，包括如下步骤：
形成有机绝缘聚合物的薄膜；及
将该薄膜暴露于入射光，该入射光来自至少一个具有特定波长的光源，且呈一定周期的干涉图案的形式，从而在曝光于相长干涉的部分与曝光于相消干涉的部分之间产生几何高度差，进而提供具有所需表面浮雕结构的有机绝缘层。

11、  根据权利要求10的方法，其中所述有机绝缘聚合物在其侧链或主链上具有偶氮苯部分，当暴露于一定波长的入射光时，该偶氮苯部分发生光致异构化。

以表面浮雕结构来增强载流子迁移率的 有机薄膜晶体管
根据35U.S.C.ξ119(a)，该非临时性申请要求2003年10月10日提交的韩国专利申请第2003-70549号的优先权，此韩国专利申请引入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及一种借助于表面浮雕结构来增强载流子迁移率的有机薄膜晶体管，更具体地，本发明涉及一种包括衬底、栅电极、有机绝缘层、有机活性层以及源/漏电极的有机薄膜晶体管，其中有机绝缘层与有机活性层之间的界面是具有浮雕结构的界面。
背景技术
近来，在功能性电子和光学元件领域，由于成型容易、柔软、导电及低生产成本等若干原因，已经积极地研究采用聚合物作为新的电材料。在这些采用导电聚合物制备的元件中，有机薄膜晶体管(下文中称之为TFT)的研究始于八十年代，并从此在全球范围展开研究。最近，期望在有源矩阵显示器、智能卡及存货标签的塑料芯片的驱动元件中采用有机TFT。
有机TFT的性能是根据载流子迁移率、开/关比例、阈值电压和阈下电压来评价的。已经发现，在有机活性层中使用并五苯，可以显著地提高有机TFT的性能，使之与α-Si TFT相匹敌。
另一方面，已经尝试在有机TFT的绝缘层中使用有机材料如聚酰亚胺、BCB(苯并环丁烯)和光活性丙烯(photoacryl)，但是发现这种绝缘层劣于无机绝缘层。近来，有机TFT的应用已经扩展到用于驱动柔性显示器和液晶显示器的有机电致发光器件，所以需要10cm²/V-sec以上的载流子迁移率。而且，已经尝试通过例如湿法如全印刷或全旋涂工艺在塑料衬底上形成绝缘层。与无机绝缘层相比，有机绝缘层的优点在于它们易于形成且形成条件有利。因此，人们正在积极地努力开发新的有机绝缘材料，这种材料能够提高有机绝缘层的晶粒尺寸，进而提高载流子迁移率。到目前为止，已经报导过载流子迁移率为1～5cm²/V-sec的有机绝缘层，其通常具有3～4的介电常数，且需要-30～50V的高驱动电压和-15～20V的高阈值电压。为了解决这些问题，人们尝试提高有机绝缘材料的介电常数，例如，在绝缘聚合物中分散铁电陶瓷颗粒(US 6586791)，或者将绝缘聚合物与高介电常数的有机金属络合物相混合。然而，在这些情况下，陶瓷颗粒可影响有机活性层的形成，进而降低载流子迁移率或增加漏电流，导致需要额外地使用其它有机绝缘材料。因此，需要开发具有优异绝缘性能并有助于改善有机半导体排列的有机绝缘材料。
发明内容
本发明的特色是提供一种有机TFT，其通过在有机绝缘层与有机活性层之间的界面上形成浮雕结构而具有改进的电性能，特别是载流子迁移率。
本发明的另一特色是提供一种制备具有表面浮雕结构的有机绝缘层的方法。
依照本发明的特色，提供一种有机TFT，其包括衬底、栅电极、有机绝缘层、有机活性层以及源/漏电极，其中有机绝缘层与有机活性层之间的界面是具有浮雕结构的界面。
依照本发明的另一特色，提供一种形成有机绝缘层的方法，该方法包括如下步骤：形成有机绝缘聚合物的薄膜；及将该薄膜暴露于入射光，该入射光来自至少一个具有特定波长的光源，且呈一定周期的干涉图案的形式，从而在曝光于相长干涉的部分与曝光于相消干涉的部分之间产生几何高度差，进而提供具有所需表面浮雕结构的有机绝缘层。
结合附图，从以下的详细说明，使得本发明的上述的和其它的目的、特征以及其它优点更加容易理解，其中：
图1是常规的有机TFT器件结构的截面图；
图2是本发明的有机TFT器件结构的截面图；
图3是制备表面浮雕光栅的装置的示意图；
图4a和4b是根据实施例1制备的具有表面浮雕结构的有机绝缘层的AFM影像；
图5a和5b是根据实施例3制备的有机TFT器件中的源/漏电极的方向的示意图；
图6是根据实施例3制备的有机TFT器件的电流-偏移曲线；及
图7是根据实施例3制备的有机TFT器件的载流子迁移率曲线。
下面将更详细地说明本发明。
图1是常规的有机TFT地结构的截面图，图2是本发明的有机TFT的结构的截面图。在图1和图2中，有机TFT包括栅极绝缘层101、有机活性层102、衬底103、栅电极104及源/漏电极105。如图2所示，本发明的有机TFT的特征是在有机绝缘层与有机活性层之间形成的表面浮雕结构。但是，图2仅示出了本发明的优选实施方式，本发明还可以应用于其它具有不结构的TFT，条件是不妨碍本发明的目的。此外，表面浮雕结构不限于图2所示的实施方案。
有机绝缘层的表面浮雕结构可通过机械摹拓、静电力控制(poling)、表面浮雕光栅、光刻或者采用模具的盖印或压纹来形成。
下面将更详细描述以表面浮雕光栅(下文中称之为SRG)的方式形成表面浮雕结构的方法，但是应该理解，本发明的范围并不局限于此。
图3示出了通过SRG形成表面浮雕结构的示例性方法，其中使用聚合物作为绝缘材料在衬底上形成有机绝缘层，然后暴露于具有涉及聚合物的物理或化学反应的波长的激光束。更具体地，从激光1发出的光束通过光束分路器2分为两束光，每一光束在镜面3反射并且穿过包括物镜和针孔的空间滤光器6，导致其幅度放大。这时，放大了的光束的最终幅度和强度，可通过改变初始激光束的强度和物镜来控制。利用准直透镜7，分别使两束放大了的光束平行，并将样品玻璃衬底8放置在两个平行光束的交汇处。将玻璃衬底8粘结在能够围绕垂直于玻璃衬底8的轴旋转360℃旋转的旋转台9上。考虑到聚合物薄膜的粘附性及后续蚀刻工艺的便利性，优选玻璃衬底8上面具有SiO₂的薄涂膜。根据布拉格定律，可以在0～90°的范围调整两个平行光束对玻璃衬底8的入射角(θ)。这两束平行光束的强度可利用半波或四分之一波片4来控制，而且，它们的偏振可以利用偏振器5来改变。通过这两束平行光束形成的相长/相消干涉，给出正弦方式的光强度分布。
按照布拉格定律，两束波长(λ)相同的入射光给出的干涉周期(Λ)可以通过下面的等式(1)来计算：
                    2Λsinθ＝λ  .........(1)
本发明中，控制Λ小于最终显示器的发射波长。通过上述的曝光处理，在有机绝缘层上规则地产生间隔为Λ的栅格图案。
在曝光处理之后，可将有机绝缘层进一步暴露于一定波长的光，或者进行一定时间的加热或冷却处理，以稳定其表面浮雕结构。
当彼此相邻沉积的源/漏电极位于一定的方向时，本发明的具有表面浮雕结构的有机绝缘层可以最大程度地提高最终有机TFT的电性能。具体地，优选表面浮雕结构的主轴平行于源电极与漏电极之间的通道(即最短路线，下文中称之为S-D通道)。
在本发明中，有机绝缘层可由选自聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯(polyacryl)、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺及其衍生物的聚合物制成。如果以SRG方式形成有机绝缘层，则优选这样的聚合物，其主链或侧链上具有下面各式所示的能够参与光致异构化、光致交联或光致聚合的部分：

特别优选能够进行光致异构化或“2+2”光诱导环加成的部分，例如1，2-二苯乙烯、丁二烯、二苯甲酰乙烯、视紫红质和偶氮苯。包含偶氮苯部分的聚合物的特别有利之处在于，利用SRG，通过用特定波长的电磁波以一定周期的干涉图案的形式辐射薄膜，可以很容易地在聚合物薄膜中形成曝光于相长干涉的部分与曝光于相消干涉的部分之间的几何高度差。
为了进一步稳定如此形成的表面浮雕结构，用作绝缘材料的聚合物可以具有能够通过暴露于光或热而引发自由基聚合或光聚合的其它部分。
在本发明中，有机绝缘层可通过诸如浸涂、旋涂、印刷、喷涂、辊涂等常规的湿法来形成。
在本发明中，有机活性层可由常用的材料制成，该材料包括并五苯、酞菁铜、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亚苯基亚乙烯基及其衍生物。
在本发明中，栅电极以及源/漏电极可由常用的金属或导电聚合物制成。电极金属材料的优选实例包括：金、银、铝、镍、ITO、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亚苯基亚乙烯基及PEDOT(聚亚乙二氧基噻吩)/PSS(聚苯乙烯磺酸盐)，但并不限于此。
下文中将参照如下的实施例更详细地解释本发明。但是，这些实施例仅用于说明的目的而不是限制性的。
实施例1：具有表面浮雕结构的有机绝缘层的形成
在预先沉积了栅电极的硅衬底上，通过旋涂法涂布厚度为500nm的10wt％的甲基丙烯酸4-硝基苯基偶氮苯氧基苯基酯-甲基丙烯酸羟乙酯共聚物(Mw＝35000，MWD＝2.5)的环己酮溶液。然后在100℃干燥所涂布的衬底10分钟，以蒸发溶剂。利用具有Ar⁺激光器的激光干涉仪，将干燥的衬底暴露于具有488nm的波长的光。此时，激光束的入射角被调节到50°，以提供间隔周期(Λ)为500nm、深度为50nm的单轴栅格图案。图4a与4b示出了所得有机绝缘层的AFM影像。
实施例2：使用具有表面浮雕结构的有机绝缘层制备有机TFT器件
在得自上述实施例1的具有表面浮雕结构的有机绝缘层上，通过旋涂法涂布厚度为70nm的1wt％的二辛基芴(fulorene)-并噻吩共聚物的甲苯溶液。然后在100℃干燥所涂布的衬底30分钟，以蒸发溶剂。在所得的有机活性层上沉积源/漏电极，办法是使用通道长度为100μm、通道宽度为2mm的遮光板，进而得到有机TFT器件。此时，通道长度的方向等同于有机绝缘层之表面浮雕结构的主轴方向。
对比例：使用无表面浮雕结构的有机绝缘层制备有机TFT器件
在预先沉积了栅电极的硅衬底上，通过旋涂法涂布厚度为500nm的10wt％的甲基丙烯酸4-硝基苯基偶氮苯氧基苯基酯-甲基丙烯酸羟乙酯共聚物的环己酮溶液(Mw＝35000，MWD＝2.5)。然后在100℃下干燥所涂布的衬底10分钟，以蒸发溶剂，进而得到无表面浮雕结构的绝缘层。接下来的工序按与上述实施例2相同的方式进行，进而得到有机TFT器件。
根据其电流-偏移曲线，确定在上述实施例2和对比例中制备的有机TFT器件的电性能，所述电流-偏移曲线是采用半导体参数分析仪(HP4155A)绘制的，详情如下：
·器件的载流子迁移率是通过下面的等式(5)，由代表(I_SD)^1/2与V_G之间的关系曲线的斜率计算出来的，其中所述曲线是根据如下的饱和区中的电流等式(2)和(3)绘制的，且所述斜率是根据如下的等式(4)计算出来的：
I SD = W C 0 2 L μ ( V G - V T ) 2 . . . ( 2 ) ]]>
I SD = μ C 0 W 2 L ( V G - V T ) . . . ( 3 ) ]]>


在上述等式(2)～(5)中，I_SD：源-漏极电流；μ或μ_FET：载流子迁移率；C₀：绝缘层电容；W：通道宽度；L：通道长度；V_G：栅极电压；V_T：阈值电压。
·阈值电压(V_T)得自V_G轴与代表(I_SD)^1/2与V_G之间关系曲线之线性部分的延长线的交点。由于阈值电压的绝对值近似为零，所以电功耗降低。
·通过乘以斜率的倒数来得到阈下电压(V_S)，其中该斜率在电流断路状态斜率增加10倍。如这里使用的，副阈值是指有机TFT达到阈值电压之前的状态，副阈值斜率是指达到阈值电压之前依照栅极电压的变化的漏电流的变化。一般地，阈下电压由用于漏电流的十倍增长所必需的栅极电压的变化来表示，并且以V/dec为单位表示。由于阈下电压下降，与栅极电压有关的通道导电率的控制变得更好。
·I_on/I_off比率由以下等式(6)来表示：
I on I off = ( μ σ ) C 0 2 q N A t 2 V D 2 . . . ( 6 ) ]]>
在上述等式(6)中，I_on：最大电流；I_off：短路状态漏电流；μ：载流子迁移率；σ：活性层的导电率；q：电荷；N_A：电荷密度；t：绝缘层的厚度；C₀：绝缘层电容；V_D：漏电压。从该等式中可看出，具有大介电常数和薄的介质膜厚度时，得到大的I_on/I_off比率。因此，介质膜的厚度和种类是用于决定I_on/I_off比率的决定性因素。短路状态的漏电流与I_on/I_off比率成反比。
·短路状态漏电流(I_off)指在短路状态流经的电流，并通过断路状态的最小电流乘以I_on/I_off比率来决定。
如此确定的电性能见下面的表1：
                                        表1