包含缓冲层的有机薄膜晶体管.pdf

本发明公开了一种包含衬底、栅极、栅极绝缘层、有机半导体层、源极－漏极和保护层的有机薄膜晶体管，其中在有机半导体层和保护层之间插入缓冲层。该晶体管使得因含有氧气和湿气的环境气体所引起的对晶体管性能的劣化和安装显示器件期间所引起的晶体管性能的下降减至最小。

1.  一种有机薄膜晶体管，其包含衬底、栅极、栅极绝缘层、有机半导体层、源极-漏极和保护层，其中在有机半导体层和保护层之间插入缓冲层。

2.  权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述缓冲层由具有10⁶ohm-cm或更高电阻的有机材料制成。

3.  权利要求2所述的有机薄膜晶体管，其中所述有机材料选自Alq3(三-(8-羟基喹啉)铝)、BAlq3(双(2-甲基-8-喹啉醇)(对苯基酚)铝)、PTCDA(苝四羧酸二酐)、DPS(二氰基取代的二苯基砜)、TCNQ(四氰基醌二甲烷)和DCAQ(2-叔丁基-9，10-N，N’-二氰基蒽醌二亚胺)。

4.  权利要求3所述的有机薄膜晶体管，其中所述缓冲层通过真空沉积、浸涂、旋涂、印刷、喷涂或辊涂而形成。

5.  权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述保护层包括由水溶性有机材料形成的第一保护层和可通过UV光或热交联的有机材料形成的第二保护层。

6.  权利要求5所述的有机薄膜晶体管，其中所述的水溶性有机材料是聚乙烯醇，且可通过UV光或热而交联的有机材料是光敏或热敏的聚丙烯酸酯。

7.  权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述栅极绝缘层由选自聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺，及其衍生物的材料制成。

8.  权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述有机半导体层由选自并五苯、铜钛菁、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。

9.  权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述栅极和源极-漏极由选自金、银、铝、镍、氧化铟锡、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亚苯基亚乙烯基和PEDOT(聚乙烯二氧噻吩)/PSS(聚苯乙烯磺酸酯)混合物的材料制成。

10.  权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其中所述衬底由玻璃、硅树脂或塑料制成。

包含缓冲层的有机薄膜晶体管
发明背景
根据35 U.S.C.§119(a)本非临时申请要求2003年11月24日提交的韩国专利申请No.2003-83584的优先权，该申请在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及包含缓冲层的有机薄膜晶体管，更具体涉及包含衬底、栅极、栅极绝缘层、有机半导体层、源极-漏极和保护层的有机薄膜晶体管。在有机半导体层和保护层之间插入缓冲层，从而使得因含有氧气和湿气的环境气体及向其安装显示器件的过程所引起的对晶体管性能的劣化减至最小。
背景技术
近来，已经积极研究了聚合物在各种广泛的应用中(如功能电子器件和光学器件)作为新型电材料和电子材料得到了积极研究。研究集中在在聚合物的易于成型为薄膜和纤维、高柔韧性(flexibility)、高电导性和低制造成本上。在由这些导电聚合物制造的器件中，自1980年以来就进行了关于采用有机材料作为半导体层制造有机薄膜晶体管的研究。与此相关，现在全世界正在积极进行大量的研究。有机薄膜晶体管有望用于主动显示的驱动器件及在智能卡(smart card)和盘存标签(inventory tags)中使用的塑料芯片。采用有机薄膜晶体管的器件需要用于保护晶体管免遭含有氧气和湿气的环境气体影响的保护层，特别是在显示应用的情况下，需要用于安装显示器件的支持层。目前尚没有用于形成有机薄膜晶体管中的保护层和支持层的有效技术。已经进行了一些尝试采用CVD或溅射法在有机薄膜晶体管上形成由SiN_x、SiO_x等形成的无机膜，但是由于活性气体或等离子体，这些方法严重损害了有机半导体层，使得有机薄膜晶体管的性能急剧下降。
也已经进行了采用由聚酰亚胺、BCB(苯并环丁烯(benzocyclobutene))或photoacryl形成的有机膜作为保护层的几种方法。然而，这些方法在形成有机薄膜晶体管的保护层中不是有效的，因为在高于150℃的退火温度下，有机活性层受到严重损害。在采用有机材料形成保护层的过程中产生的主要问题是用于形成保护层的材料和有机半导体层之间的直接接触。此时，形成保护层所用的有机溶剂损害了有机半导体层的性能。宾夕法尼亚州立大学的教授Jackson及他的小组尝试采用PVA(聚乙烯醇)的有机膜有效地形成保护层。然而，使用图案化的并五苯作为有机半导体层的该方法存在的问题是在处理后载荷子迁移率下降到其初始值的三分之一(Solid-StateElectronics 47(2003)297-301)。
至今还没有能避免在形成作为保护层的有机或无机薄膜时引起的有机薄膜晶体管性能下降的方法报道。因此，需要开发新型保护层和用于形成保护层的有效方法以使用有机薄膜晶体管制造实用产品。
发明内容
考虑到现有技术中的上述问题提出了本发明。本发明的特征是提供有机薄膜晶体管，其中在有机半导体层和保护层之间插入缓冲层。，从而缓冲层通过用于形成保护层的材料防止有机半导体层的劣化并使得在形成保护层后晶体管的性能的劣化减至最小。
根据本发明的特征，提供了包含衬底、栅极、栅极绝缘层、有机半导体层、源极-漏极和保护层的有机薄膜晶体管，其中在有机半导体层和保护层之间插入缓冲层。
从结合附图的下文的详细描述将会更清楚地理解本发明的上述的和其它的目的、特征和其它优点，其中：
图1a和图1b是本发明的有机薄膜晶体管结构的横截面示意图；
图2a是本发明的实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了缓冲层但没有形成保护层)的电流输送特性的示意图；
图2b是本发明的实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了缓冲层但没有形成保护层)地载荷子迁移率的示意图；
图3a是本发明的实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了缓冲层、第一保护层和第二保护层)的电流输送特性的示意图；
图3b是本发明的实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了缓冲层、第一保护层和第二保护层)的载荷子迁移率的示意图；
图4a是本发明的对比实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了活性层但没有形成保护层)的电流输送特性的示意图；
图4b是本发明的对比实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了活性层但没有形成保护层)的载荷子迁移率的示意图；
图5a是本发明的对比实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了活性层、第一保护层和第二保护层)的电流输送特性的示意图；和
图5b是本发明的对比实施例中的有机薄膜晶体管(其中形成了活性层、第一保护层和第二保护层)的载荷子迁移率的示意图。
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明。
图1a和1b是本发明的有机薄膜晶体管结构的横截面示意图。参照图1a和图1b，本发明的有机薄膜晶体管包含衬底1、栅极2、栅极绝缘层3、源极-漏极4、有机半导体层5、缓冲层6、第一保护层7和第二保护层8，缓冲层6插在有机半导体层5和第一保护层7之间。图1a和图1b所示的有机薄膜晶体管的结构只是优选的实施方式，只要不偏离本发明的目的，应当认为包含缓冲层和保护层的有机薄膜晶体管的各种结构都是可行的。
缓冲层由具有10⁶ohm-cm或更高电阻的有机材料制成。该有机材料的具体例子包括但不限于Alq3(三-(8-羟基喹啉)铝)、BAlq3(双(2-甲基-8-喹啉醇(8-quinolinolato)(对苯基酚)铝)、PTCDA(苝四羧酸二酐)、DPS(二氰基取代的二苯基砜)、TCNQ(四氰基醌二甲烷)(tetracyano-quinodimethane)和DCAQ(2-叔丁基-9，10-N，N’-二氰基蒽醌二亚胺)等。该缓冲层可通过包括真空沉积、浸涂、旋涂、印刷、喷涂或辊涂(roll coating)等各种技术来形成。
保护层优选具有如图1a和1b所示的第一保护层和第二保护层的双层结构。第一保护层由水溶性有机材料如PVA(聚乙烯醇)组成，而第二保护层由通过UV光或热而交联的有机材料如光敏的或热敏的聚丙烯酸酯组成。保护层的结构不特别受限于上述的结构，不同的结构也是可行的。
用于本发明的有机薄膜晶体管的栅极绝缘层的材料包括但不限定为聚烯烃、聚乙烯(polyvinyls)、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺，及其衍生物。
可以使用在本领域通常使用的材料作为有机半导体层的材料。该材料的具体例子包括但不限定为并五苯、铜钛菁、聚噻吩(polythiophenes)、聚苯胺、聚乙炔(polyacetylenes)、聚吡咯(polypyrroles)、聚亚苯基亚乙烯基(polyphenylene vinylenes)，及其衍生物。
可以使用本领域通常使用的金属和导电聚合物作为栅极和源极-漏极的材料。该材料的具体例子包括但不限定为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、氧化铟锡(ITOs)、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚亚苯基亚乙烯基和PEDOT(聚乙烯二氧噻吩(polyethylene-dioxythiophene))/PSS(聚苯乙烯磺酸酯)的混合物等。
用于本发明的有机薄膜晶体管的衬底的材料的具体例子包括但不限定为玻璃、硅树脂或塑料等。
在下文中将参考下列优选实施例对本发明进行详细描述。然而，给出这些实施例是为了进行说明，而非解释为限制本发明的范围。
实施例
实施例1：包含缓冲层和保护层的有机薄膜晶体管的制造
在本实施例中，制造了具有如图1所示的结构的有机薄膜晶体管。首先，通过真空沉积技术将铝沉积在洗过的玻璃衬底上以形成厚度为1,500的栅极。将聚酰亚胺基材料和聚丙烯酸酯基材料的混合物通过在2000rpm下旋涂涂布至栅极上，厚度为7,000。涂层相继在100℃烘烤10分钟，在150℃烘烤2小时以形成有机栅极绝缘层。接下来，在衬底温度为50℃、真空压为2×10^-7托、沉积速度为0.85/秒下通过有机分子束沉积(OMBD)将并五苯沉积在有机栅极绝缘层上以形成厚度为1,000的有机半导体层。然后，通过具有100μm沟道长度和0.5mm沟道宽度的遮光板将金沉积在有机半导体层上以形成厚度为1,000的源极-漏极。为了形成缓冲层，在衬底温度为30℃、沉积速度为1/秒的条件下沉积Alq3至1,000厚度。将PVA旋涂涂布在缓冲层上至厚度为300形成第一保护层，接着将其在对流烤箱中在100℃下干燥10分钟。之后，通过旋涂PR(PC-403，JSR)至厚度为2μm形成第二保护层。该形成的保护层在对流烤箱中在100℃微烤(soft-baked)2分钟，曝光20秒，然后在热板上在100℃下猛烤(hard-baked)1小时以制造有机薄膜晶体管。
图2a和图2b分别表示采用KEITHLEY半导体表征体系(4200-SCS)绘制的在形成保护层之前器件的电流传输特性和载荷子迁移率的曲线图。图3a和图3b分别表示采用相同的系统绘制的其中形成了保护层的最终器件的电流传输特性和载荷子迁移率的曲线图。
采用KEITHLEY半导体表征体系(4200-SCS)绘制了最终器件的电流传输特性曲线。用下列程序从曲线中计算该器件的电性质，结果示于下面的表1中。
通过下面的方程式(4)从表示(I_SD)^1/2和V_G之间的关系的曲线斜率计算该器件的载荷子迁移率，其中该曲线是在饱和区(1)和(2)中根据下面的电流方程式绘制的，并通过下面的方程式(3)计算斜率。
I SD = W C 0 2 L μ ( V G - V T ) 2 · · · · · ( 1 ) ]]>
I SD = μ C 0 W 2 L ( V G - V T ) · · · · · ( 2 ) ]]>
slope = μ C 0 W 2 L · · · · · ( 3 ) ]]>
μ FET = ( slope ) 2 2 L C 0 W · · · · · ( 4 ) ]]>
在上面的方程式(1)至(4)中，ISD：源极-漏极电流；μ或μ_FET：载荷子迁移率；C₀：绝缘层的电容；L：沟道长度；V_G：栅极电压；和V_T：阈电压。
阈电压(V_T)是从V_G轴与表示(I_SD)^1/2和V_G之间关系的曲线的线性部分的延伸部分的交点处获得的。随着阈电压的绝对值接近零，电功率的消耗下降。
断路(off-state)泄漏电流(I_off)指在断路状态下流动的电流，并取断路状态下由I_on/I_off比所得到的最小电流来确定。
I_on/I_off比由下式(5)表示：
I on I off = ( μ σ ) C 0 2 q N A t 2 V D 2 · · · · · ( 5 ) ]]>
在上式(5)中，I_on：最大电流；I_off：断路泄漏电流；μ：载荷子迁移率；σ：活性层电导率；q：电荷；N_A：电荷密度；t：绝缘层厚度；C₀：绝缘层的电容；和V_D：漏极电压。从该方程式看到，介电常数越大及介电薄膜厚度越小，得到的I_on/I_off比也越大。因此，介电薄膜的厚度和类型是决定I_on/I_off比的关键因素。断路泄漏电流与I_on/I_off比成反比。
从上式很明显看到，当介电薄膜的介电常数增加及厚度减少，电流比I_on/I_off下降。因此，介电薄膜的厚度和类型是决定电流比的重要因素。在这种情况下，断路泄漏电流变小。
对比实施例：包含保护层但未形成缓冲层的有机薄膜晶体管的制造
除了没有形成缓冲层，以与上面实施例1相同的方法制造有机薄膜晶体管。
图4a和图4b分别表示在形成保护层之前器件的电流传输特性和载荷子迁移率的曲线图。图5a和图5b分别表示其中形成了保护层的最终器件的电流传输特性和载荷子迁移率的曲线图。
表1