CN1300824C - 具有有机聚合物栅极绝缘层的有机半导体晶体管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制造具有有机聚合物栅极绝缘层的有机半导体晶体管的方法。该方法包括：使用有机单体源通过汽相淀积法在基板上形成有机栅极绝缘层，然后在该有机栅极绝缘层中引发聚合反应，从而获得有机聚合物栅极绝缘层。由于所用的汽相淀积法是一种低温干法技术，因而能够在大面积基板上通过简化的、原地实施的工艺均一地形成所述的有机聚合物栅极绝缘层。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体管的制造方法，尤其是涉及一种具有有机聚合物栅极绝缘层的有机半导体晶体管的制造方法。
背景技术
为了制得一种可用于有机半导体晶体管中的栅极绝缘层的材料，该材料必须具有低电导率和高击穿场强特性。因而，电导率小于10-12S/cm并且击穿场强大于1MV/cm的无机绝缘层例如二氧化硅已广泛地用作栅极绝缘层。
然而，在高温下形成的无机绝缘层可能会影响通过预处理在基板上在先形成的其他层状材料(以下称之为预处理层)。
另一方面，在低温下形成的有机绝缘层不会影响预处理层。因此，对将有机绝缘层用作新的栅极绝缘层的研究正在蓬勃地进行中。
已知的制造有机绝缘层的方法包括旋涂法和使用朗谬尔-贝里吉特(Langmuir-Blodgett，LB)成膜工艺的单分子层成型法，这两种方法都是有利并已简化的低温技术。
然而，这些技术仅仅在用于小面积基板时才有效。由于平板显示器面积趋于增大，因而难以应用这些技术。此外，由于这些技术为湿法工艺，在该过程中预处理层可能被溶解，这就限制了对预处理层种类的选择。因而，以多种方式来设计有机半导体晶体管就显得十分困难。由于形成有机绝缘层的工艺方法相对于预处理或后处理不是原地(in-situ)进行的，因而该制造工艺与设备就变得复杂，导致了生产成本的上升。
因而，对于在大面积基板上以简化工艺来制造有机栅极绝缘层的方法存在着越来越强烈的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以低温干法工艺制造具有有机栅极绝缘层的有机半导体晶体管的方法。
为了达到本发明的上述目的，本发明提供了制造有机半导体晶体管的一种方法，该方法包括采用有机聚合物层通过汽相淀积形成栅极绝缘层的步骤，所述汽相淀积是一种低温干法技术。首先，准备基板并使用有机单体源通过汽相淀积法在该基板上形成有机栅极绝缘层。然后，在该有机栅极绝缘层中引发聚合反应以获得有机聚合物栅极绝缘层。
此处所述的有机栅极绝缘层优选形成的厚度为50-20000。
同时，所述汽相淀积法优选是真空淀积法。
所述聚合反应优选为通过100-400℃的加热处理来进行的热聚合反应或通过150nm-10μm的光照射来进行的光聚合反应。
形成该有机栅极绝缘层以及通过使用热聚合反应获得该有机聚合物栅极绝缘层的步骤优选在原地实施。
该方法还可包括：形成有机聚合物绝缘层的步骤之后，在所述有机聚合物绝缘层上形成有机半导体活性层的步骤，而且，形成所述有机栅极绝缘层的步骤、获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤和在所述有机聚合物绝缘层上形成有机半导体活性层的步骤均优选在原地实施。
在准备基板的步骤中，优选在该基板上形成有机半导体活性层和源/漏极。相对于形成所述有机栅极绝缘层和获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤，所述有机半导体活性层和所述源/漏极优选通过在原地实施的步骤形成。
在该有机聚合物栅极绝缘层为聚酰亚胺层的情况下，所述有机单体源可包括芳香族四羧酸二酐单体和芳香族二胺单体，所述有机聚合物栅极绝缘层为一种栅极绝缘层。这样，形成该有机栅极绝缘层的步骤可包括分别蒸发所述芳香族四羧酸二酐单体和芳香族二胺单体以使该有机栅极绝缘层中的各单体的摩尔比为1∶1的步骤。
相对于形成所述有机栅极绝缘层和获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤，形成所述源/漏极和有机半导体晶体管的栅电极的步骤优选在其原地实施。
通过参考以下附图对本发明的优选实施方案进行详细描述，本发明上述目的与有利之处将更加显而易见：
附图说明
图1表示在本发明的制造有机半导体晶体管的方法中形成有机聚合物栅极绝缘层的方法；
图2和3为本发明的制造交错-倒相(staggered-inverted)型有机TFT(薄膜晶体管)的方法的横截面图；
图4显示了根据本发明制得的聚酰亚胺栅极绝缘层的FT-IR(傅里叶变换红外吸收)光谱结果；
图5为本发明的聚酰亚胺栅极绝缘层的电流-电压关系图示；
图6为本发明的交错-倒相型有机TFT的横截面图；
图7为图6所示的交错-倒相型有机TFT的电流-电压关系图示。
具体实施方式
下面将详细描述本发明制造有机半导体晶体管的一种方法。然而，本发明并不限于下列实施方案，而是能以多种形式进行实施。确切来说，这些实施方案仅用来表明本发明的公开内容是充分和完全的，同时也将本发明的范围完整地传达给本领域的普通技术人员。纵观所有的附图，有机TFT是以示意图的形式描绘的，为了清楚起见，各种薄膜的厚度也被放大了。在图中，同一要素由相同的数字标明。
在本发明制造有机半导体晶体管的方法中，栅极绝缘层由有机聚合物层形成。图1显示了形成有机聚合物栅极绝缘层的工艺过程。
参考图1，准备用来在其上形成栅极绝缘层的基板(步骤1)。该基板用来形成晶体管，它可以是硅基板、玻璃基板或塑料基板的任意形式。此外，具有高玻璃化转化温度的耐火塑料基板也能用作有机半导体晶体管的基板。8英寸或大于8英寸的大面积基板也能用作平板显示器的基板。根据晶体管的种类，在基板上形成预处理层。例如，在形成一种交错-倒相型有机TFT时，可在该基板上形成栅电极。而在形成一种交错型有机TFT的情况下，可在该基板上形成活性层以及源/漏极的叠层状结构。
详细来说，首先将该基板装入汽相淀积装置。可用的汽相淀积装置包括真空淀积装置。
然后，将至少一种有机单体源加入该汽相淀积装置的蒸发器。在形成作为有机聚合物栅极绝缘层的聚酰亚胺层的情况下，优选同时使用两种单体源。第一种是芳香族四羧酸二酐单体源。第一种单体源可用的例子包括氧联二邻苯二甲酸酐(ODPA)、苯均四羧酸二酐(PMDA)、二苯甲酮四酸二酐(BTDA)，以及联邻苯二甲酸二酐(BPDA)。第二种单体源为一种芳香族二胺单体源。第二来源的可用例子包括以下式1表示的物质：
[式1]
作为选择，可将乙烯基衍生物单体通过汽相淀积和UV(紫外线)照射进行聚合，从而形成一种具有良好绝缘性质的薄膜。引发下列的反应。此处，该薄膜的性质能够通过改变取代基R来调节。该取代基可以是氢原子，必要时可彼此相同。
[反应式1]
随后，在基板上形成有机栅极绝缘层(步骤2)。
根据所用的汽相淀积装置的特性来控制如淀积室的真空度、基板温度和功率等物理参数，以便在基板上形成有机栅极绝缘层。当使用汽相淀积室时，真空度设置为10-6Torr(托)或低于10-6Torr。
之所以称之为有机栅极绝缘层是因为在该工艺过程中形成的绝大多数绝缘层以单分子或低聚物的形态存在，而非经彻底的聚合反应形成的聚合物形态。
如果使用芳香族四羧酸二酐单体源和芳香族二胺单体源，则分别蒸发相应的单体源，通过控制物理参数使所述有机栅极绝缘层中单体的摩尔比为1∶1，从而形成薄膜。
最后，在该有机栅极绝缘层中引发聚合反应，由此得到有机聚合物栅极绝缘层(步骤3)。
在步骤3中，在以单分子或低聚物形态形成的有机栅极绝缘层中引发聚合反应，致使该有机栅极绝缘层转变为聚合物薄膜。也就是说，使该有机栅极绝缘层通过100-400℃的加热处理发生热聚合反应或通过150nm-10μm的光照射发生光聚合反应，从而获得了由有机聚合物薄膜制得的栅极绝缘层。
所述热聚合反应是通过使用汽相淀积装置中的加热器使基板的温度升高而实施的，从而在原地进行形成所述有机栅极绝缘层以及获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤。
所述光聚合反应是通过在汽相淀积装置中安装一个光照射单元而实施的，从而在原地进行形成所述有机栅极绝缘层以及获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤。
现在，下面将参考图2和3详细描述本发明的实施方案的制造交错-倒相型有机TFT的方法。
图2显示了在基板10上形成栅电极12的步骤。详细来说，将带有限定栅电极用荫罩的基板10放置于作栅电极淀积用的真空室中，同时将用作栅电极的金属置于金属船皿(metal boat)内。可用的栅电极金属包括具有可实现p沟道TFT的低功函的铝。所述真空室内真空度保持在5×10-4Torr或低于5×10-4Torr，优选为5×10-7Torr，所述淀积以3-5/秒的速率进行，从而形成栅极电极12。例如，形成铝制的栅电极，其厚度为1700。
图3显示了形成有机聚合物栅极绝缘层14的步骤。
将具有栅电极12的基板置于真空淀积室内，并将用于形成目标有机聚合物层的单体源加入到例如金属船皿等蒸发器内。
随后，将该真空室内的真空度保持在10-6Torr或低于10-6Torr，优选为5×10-7Torr，所述淀积以5-10/秒的速率进行，从而形成厚度为50-20000的有机栅极绝缘层。
在使用芳香族四羧酸二酐单体源和芳香族二胺单体源的情况下，淀积的实施使得绝缘层中各单体的摩尔比为1∶1。
然后，通过实施100-400℃的加热处理来进行约30分钟到约2小时的热聚合反应，或通过150nm-10μm的光照射来进行约10分钟或少于10分钟的光聚合反应，从而获得所述有机聚合物栅极绝缘层14。
通过分别使用4，4’-氧联二邻苯二甲酸酐和4，4’-氧联二苯胺作为芳香族四羧酸二酐单体源与芳香族二胺单体源，形成厚度约为1500的有机栅极绝缘层。然后，在约220℃下、在真空烘箱中使该有机栅极绝缘层共聚约1小时。图4显示了本发明所得的有机聚合物栅极绝缘层的FT-IR(傅里叶变换红外吸收)光谱结果。图4中，在约1379cm-1(C-N)、1500cm-1(C-C)、1720cm-1(C＝O、非对称的)、1778cm-1(C＝O，对称的)处观察到峰值，由此可以判别最终获得的有机聚合物栅极绝缘层为一种聚酰亚胺层。
而且，如图5所示，可以确认所得的由铝栅极(1700)和聚酰亚胺栅极绝缘层(1500)组成的装置的电导率约为10-11S/cm，击穿电流场强约为0.3MV/cm，这一特性使其适合用作栅极绝缘层。
然后，在具有已形成的有机聚合物栅极绝缘层14的基板10上实施后续工艺，由此获得如图6所示的交错-倒相型有机TFT。
详细来说，通过汽相淀积法，在有机聚合物栅极绝缘层14上形成有机半导体活性层16，所述汽相淀积法优选为热蒸发法。该有机半导体活性层16是由有机半导体材料例如并五苯、低聚噻吩、聚(烷基噻吩)或聚(亚噻吩基亚乙烯基)形成的。真空淀积室内的真空度设置为5×10-4Torr或低于5×10-4Torr，优选为5×10-7Torr，所述淀积以约0.5/秒的速率进行，从而形成厚度约为1000的有机半导体活性层16。
然后，以源/漏极用荫罩覆盖基板10，通过真空淀积来淀积具有高功函的金属材料，从而形成源/漏极18。此处金是适用的金属材料。真空淀积室中的真空度设置在5×10-4Torr或低于5×10-4Torr，优选为5×10-7Torr，沉积以约3-5/秒的速率进行，从而形成厚度约为1500的源/漏极18。
图7显示了包含铝栅极(1700)、聚酰亚胺栅极绝缘层(1500)、并五苯活性层(1000)以及金源/漏极(1500)的有机TFT的输出特性。在图7中，Id、Vds与Vgs分别为漏极电流、漏极-源极电压和栅极-源极电压。参考图7，该有机TFT的场效应迁移率约为0.1cm2/V·s，处于相当良好的水平。
尽管以上在本发明的一个优选实施方案中已经描述了一种制造交错-倒相型有机TFT的方法，但是本发明的方法也能应用于制造具有以下结构的交错型有机TFT：所述结构中包含按顺序层叠的活性层、源/漏极、栅极绝缘层和栅电极。在这种情况下，该制造方法的各步骤均在原地实施。而且，本发明的制造有机聚合物栅极绝缘层的方法也能够应用于有机场效应晶体管的常规生产。
工业实用性
如上所述，本发明的制造有机半导体晶体管的方法中，栅极绝缘层是由一种能在低温下制备的有机聚合物层形成。由于该有机聚合物栅极绝缘层应用属于低温干法技术的汽相淀积法形成，它对预处理层不产生影响。因而，能够自由地选择预处理层，并且能够设计出各种有机半导体晶体管。同样地，由于该有机栅极绝缘层的形成步骤能够以相对于活性层形成步骤的原地进行实施，并且能够以相对于栅电极形成步骤和源/漏极形成步骤的原地进行实施，因此本发明在简化制造工艺和设备上具有显著的优势。因此，就能以低成本轻易地制得适用于各种应用要求的有机半导体晶体管。并且，由于本发明的制造方法采用了汽相淀积，就能以较高的均一性制得具有良好性质的栅极绝缘层，从而使得在大面积基板上制备晶体管变得容易。
Claims (15)
1.一种制造有机半导体晶体管的方法，所述方法包含以下步骤：
准备基板；
使用有机单体源通过汽相淀积法在该基板上形成有机栅极绝缘层，其中所述的有机栅极绝缘层形成的厚度为50-20000；以及
在该有机栅极绝缘层中引发聚合反应以获得有机聚合物栅极绝缘层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的汽相淀积法是真空淀积法。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述的聚合反应为通过100-400℃的加热处理来进行的热聚合反应。
4.如权利要求3所述的方法，其中形成所述有机栅极绝缘层的步骤和使用所述热聚合反应获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤是在原地实施的。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述的聚合反应为通过150nm-10μm的光照射来进行的光聚合反应。
6.如权利要求5所述的方法，其中形成所述有机栅极绝缘层的步骤和使用所述光聚合反应获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤是在原地实施的。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在获得所述有机聚合物绝缘层的步骤之后，所述的方法还包含在该有机聚合物绝缘层上形成有机半导体活性层的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中形成所述有机栅极绝缘层、获得所述有机聚合物栅极绝缘层以及在该有机聚合物绝缘层上形成有机半导体活性层的步骤是在原地实施的。
9.如权利要求1所述的方法，其中在准备基板的步骤中，在该基板上形成有机半导体活性层和源/漏极。
10.如权利要求9所述的方法，其中，相对于形成所述有机栅极绝缘层和获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤，所述有机半导体活性层与源/漏极是通过在原地实施的步骤形成的。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述的有机单体源包括芳香族四羧酸二酐单体和芳香族二胺单体，而且所述的有机聚合物栅极绝缘层是聚酰亚胺栅极绝缘层。
12.如权利要求11所述的方法，其中形成所述有机栅极绝缘层的步骤包括分别蒸发芳香族四羧酸二酐单体和芳香族二胺单体从而使该有机栅极绝缘层中各单体的摩尔比为1∶1，而且，获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤包括通过实施100-400℃的加热处理使该有机栅极绝缘层发生热共聚合反应从而获得聚酰亚胺栅极绝缘层。
13.如权利要求11所述的方法，其中形成所述有机栅极绝缘层的步骤包括分别蒸发芳香族四羧酸二酐单体和芳香族二胺单体从而使该有机栅极绝缘层中各单体的摩尔比为1∶1，而且，获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤包括通过150nm-10μm的光照射使该有机栅极绝缘层发生光聚合反应从而获得聚酰亚胺栅极绝缘层。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述的基板为耐热性塑料基板。
15.如权利要求1所述的方法，其中，相对于形成所述有机栅极绝缘层和获得所述有机聚合物栅极绝缘层的步骤，形成所述有机半导体晶体管的源/漏极和栅电极的步骤是在原地实施的。
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