一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属薄膜有机薄膜晶体管技术领域，特指一种柔性聚吡咯有机薄膜作为半导体沟道层构成的薄膜晶体管及其制备方法。本发明专利技术解决其关键问题所采用的技术方案是在柔性塑料衬底上，根据选择顶栅结构或底栅结构，从下至上依次制备有机薄膜沟道层、源电极、漏电极、栅介质层、栅电极或栅电极、栅介质层、有机薄膜沟道层、源电极、漏电极。通过该方法制作的有机薄膜晶体管具有响应速度快、低功耗等特点；另外本制作方法具有操作简便，适于大面积连续生产的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属薄膜有机薄膜晶体管
，特指一种柔性聚吡咯有机薄膜作为半导体沟道层构成的薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
随着信息时代的发展，传统低载流子迁移率的非晶硅薄膜(一般小于1.5cm2/Vs)很难提供发光器件所需的较大驱动电流，像素开口率达不到100%，为获得足够的亮度，需要给其增加光源强度，从而增加了功率损耗；而多晶硅薄膜存在晶间间界，晶粒尺寸大小不一等问题，导致多晶硅薄膜晶体管均匀性差，制备成本高，且随着晶体管尺寸缩小后，由于较低的导通能力导致的信号延迟和输出电压信号失真的现象，使其不能适应大面积显示技术的要求，因此传统无机硅薄膜晶体管性能的进一步开发遭遇了前所未有的瓶颈；有机薄膜晶体管是采用有机半导体作为有源层的一种具有逻辑开关特性的场效应器件，它的基本结构和功能与传统的无机薄膜晶体管(TFT)基本相同，与无机薄膜晶体管相比，有机薄膜晶体管具有以下优点:(I)有机材料来源广泛，质轻；(2)制作工艺简单(加工温度低，可溶液加工等)，成本低；(3)低弹性模量，可在树脂、塑料等柔性且轻质的基板上制备，因而作为下一代柔性电子技术的开发受到了极大地关注。目前，对于有机薄膜晶体管的研究大多集中在绝缘层，如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等(专利号:200610087273.X)和半导体沟道层，如并戊苯、无金属酞菁、酞箐铜等(专利号:200980123072.2)的选择以及器件性能的优化方向；本专利技术提供了一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管及制备方法，通过该方法制作的有机薄膜晶体管具有响应速度快、低功耗(工作电压小于IV)等特点；另外本制作方法具有操作简便，适于大面积连续生产的优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管及制备方法，以提高有机薄膜晶体管具有响应速度快和降低有机薄膜晶体管功率损耗，它具有“制备效率高、成本低和制作简单”等优点。本专利技术采用柔性塑料为衬底，其有机薄膜晶体管组成包括:源电极、漏电极、栅电极、栅介质层、有机薄膜沟道层；当采用顶栅结构时，有机薄膜沟道层位于衬底上方，源电极和漏电极分别位于有机薄膜沟道层上方两侧，栅介质层位于有机薄膜沟道层上方中间，栅电极位于栅介质层上方；当采用底栅结构时，栅电极位于衬底上方，栅介质层位于栅电极上方，有机薄膜沟道层位于栅介质层上方，源电极和漏电极分别位于有机薄膜沟道层上方两侧。本专利技术解决其关键问题所采用的技术方案是在柔性塑料衬底上，根据选择顶栅结构或底栅结构，从下至上依次制备有机薄膜沟道层、源电极、漏电极、栅介质层、栅电极或栅电极、栅介质层、有机薄膜沟道层、源电极、漏电极。据此以顶栅结构为例，其核心加工工艺如下:1、有机薄膜沟道层制备； 2、源电极和漏电极制备； 3、栅介质层制备； 4、栅电极制备。上述制备方案中，步骤I中所用有机薄膜沟道层采用的材料为聚吡咯有机薄膜，聚吡咯薄膜采用化学方法制备；对柔性塑料衬底首先需进行除油工艺处理，然后浸泡在硅烷偶联剂溶液中5 min,晾干待用，硅烷偶联剂优先选用KH550、KH560，对于底栅结构则无需此步骤；取一定量的吡咯单体(pyrrole)在常压下经二次蒸馏提纯以去除其中的杂质，将提纯后吡咯单体与无水乙醇配制成质量百分比浓度为25%-40%的吡咯溶液，掺杂物:氧化剂:去离子水按照质量百分比1:3:6配置成混合溶液，掺杂物优先选用对甲苯磺酸钠(pTSNa)、多聚磷酸钠(PP)和高氯酸锂(LiClO4)中的其中一种，氧化剂优先选用三氯化铁；室温下先将硅烷偶联剂处理的衬底样片或沉积有栅介质层的衬底样片浸入吡咯溶液中，3-5 min后取出，再放入混合溶液中进行聚合反应10 _15min后取出，先后用大量去离子水、无水乙醇清洗，晾干，即可在衬底或栅介质层表面获得厚度为10-50 μ m的有机薄膜沟道层PPy薄膜。上述制备方案中，步骤2中所用源电极和漏电极为金属或导电的金属氧化物；优选金属银，制备所用靶材为银靶(直径为100 mm，厚度为5 -1Omm)，溅射生长前腔室压强预抽至1.6X 10_4Pa，腔室在室温条件下，所用保护气体为Ar气，流量为80 sccm ;所用溅射时间为5 min ;其中采用掩模版尺寸:电极图案长度为800~1000 μ m ；电极图案宽度为40~100ym,电极间距为60^150 μ m0上述制备方案中，步骤3中所用栅介质层为纳米硅薄膜，采用选取掩膜版图案长度为800~1000 μ m、宽度为60-150 μ m，在源漏电极之间采用自对准掩模工艺；所用设备为等离子体化学气相沉积系统(PECVD)，反应气体为硅烷(浓度为5%，流量为5~20SCCm)、氢气流量为(5(Tl50SCCm);其生长条件为:直流负偏压为10(T250V，温度为25~280°C，射频功率为50~300W，沉积压强为30~150Pa。上述制备方案中，步骤4中所用栅电极为金属或导电的金属氧化物；优选ΙΤ0，所用靶材为ITO靶材(直径为100 mm，厚度为5_10 mm)，溅射生长前腔室压强预抽至1.6X 10_4Pa，腔室在室温条件下，所用保护气体为Ar气，流量为1(T80 sccm ;所用溅射时间为10-25min ;其中采用掩模板尺寸:电极图案长度为800 μ π ?ΟΟΟ μ m ;电极图案宽度为30 μ π ?20μ m0本专利技术的有益效果是提供了一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管及制备方法，通过该方法制作的有机薄膜晶体管具有响应速度快、低功耗等特点；另外本制作方法具有操作简便，适于大面积连续生产的优点。【附图说明】图1为本专利技术的聚吡咯有机薄膜晶体管顶栅结构示意图。图2是本专利技术的聚吡咯有机薄膜晶体管底栅结构示意图。I为栅极；2为栅介质层；3为源极；4为漏极，5为有机薄膜沟道层；6为衬底。图3为本专利技术的顶栅结构聚吡咯有机薄膜晶体管的测试数据。【具体实施方式】在柔性塑料衬底上，如图1和2所示，根据选择顶栅结构或底栅结构，依次制备有机薄膜沟道层、源电极、漏电极、栅介质层、栅电极或栅电极、栅介质层、有机薄膜沟道层、源电极、漏电极；图3给出了典型柔性聚吡咯有机薄膜晶体管的移特性曲线，源漏电压偏置固定为1.5V，栅源电压从I V扫至-0.5V再从-0.5V回扫至I V。从图3可以看出器件开关比大于105，亚阈值斜率小于100 mV/dec。对Ids1/2_Vgs进行直线拟合得到的直线与Vgs坐标轴的交点即为器件的阈值电压Vth，其值为0.6 V。实施实例一 O以聚酰亚胺为柔性衬底，切成IOmmXlOmm的样品，表面经乙醇超声清洗后浸入KH550水溶液5分钟。2)取一定量的吡咯单体(pyrrole)在常压下经二次蒸馏提纯以去除其中的杂质，将提纯后吡咯单体与无水乙醇配制成质量百分比浓度为25%的吡咯溶液20ml，称取2克对甲苯磺酸钠(PTSNa)、6克三氯化铁与去离子水按照质量百分比1:3:6配置成混合溶液20ml ;室温下先将硅烷偶联剂处理的衬底样片浸入吡咯溶液中，3min后取出，再放入混合溶液中进行聚合反应IOmin后取出，依次用大量去离子水、无水乙醇清洗，晾干，在衬底表面获得有机薄膜沟道层5。3)选取长度为800 μ m、宽度为40 μ m,电极间距为60 μ m的沟道层掩膜板,将其盖于有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管，包括：源电极、漏电极、栅电极、栅介质层、沟道层，其特征在于：所述沟道层为有机薄膜沟道层，有机薄膜沟道层采用的材料为聚吡咯有机薄膜，当采用顶栅结构时，有机薄膜沟道层位于衬底上方，源电极和漏电极分别位于有机薄膜沟道层上方两侧，栅介质层位于有机薄膜沟道层上方中间，栅电极位于栅介质层上方。

【技术特征摘要】
1.一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管，包括:源电极、漏电极、栅电极、栅介质层、沟道层，其特征在于:所述沟道层为有机薄膜沟道层，有机薄膜沟道层采用的材料为聚吡咯有机薄膜，当采用顶栅结构时，有机薄膜沟道层位于衬底上方，源电极和漏电极分别位于有机薄膜沟道层上方两侧，栅介质层位于有机薄膜沟道层上方中间，栅电极位于栅介质层上方。2.一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管，包括:源电极、漏电极、栅电极、栅介质层、沟道层，其特征在于:所述沟道层为有机薄膜沟道层，有机薄膜沟道层采用的材料为聚吡咯有机薄膜，当采用底栅结构时，栅电极位于衬底上方，栅介质层位于栅电极上方，有机薄膜沟道层位于栅介质层上方，源电极和漏电极分别位于有机薄膜沟道层上方两侧。3.如权利要求1所述的一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管的制备方法，在柔性塑料衬底上，从下至上依次制备有机薄膜沟道层、源电极、漏电极、栅介质层、栅电极，其特征在于:所述有机薄膜沟道层的制备方法为:取一定量的吡咯单体在常压下经二次蒸馏提纯以去除其中的杂质，将提纯后吡咯单体与无水乙醇配 制成质量百分比浓度为25%-40%的吡咯溶液，掺杂物:氧化剂:去离子水按照质量百分比1:3:6配置成混合溶液，掺杂物选用对甲苯磺酸钠、多聚磷酸钠和高氯酸锂中的其中一种，氧化剂选用三氯化铁；室温下先将硅烷偶联剂处理的衬底样片浸入吡咯溶液中，3-5 min后取出，再放入混合溶液中进行聚合反应10_15min后取出，先后用大量去离子水、无水乙醇清洗，晾干，即可在衬底表面获得厚度为10-50 μ m的有机薄膜沟道层PPy薄膜。4.如权利要求3所述的一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于:所述硅烷偶联剂处理的衬底样片指对柔性塑料衬底首先需进行除油工艺处理，然后浸泡在硅烷偶联剂溶液中5 min,晾干待用，硅烷偶联剂选用KH550或KH560。5.如权利要求2所述的一种柔性聚吡咯有机薄膜晶体管的制备方法，在柔性塑料衬底上，从下至上依次制备栅电极、栅介质层、有机薄膜沟道层、源电极、漏电极，其特征在于:所述有机薄膜沟道层的制备方法为:取一定量的吡咯单体在常压下经二次蒸馏提纯以去除其...

【专利技术属性】
技术研发人员：程广贵，丁建宁，郭立强，张忠强，凌智勇，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32