[发明专利]用于顶栅有机薄膜晶体管的经表面处理的基板

说明书

技术领域

本发明涉及晶体管，特别是有机薄膜晶体管。

背景技术

晶体管可分为两个主要类型：双极结晶体管和场效应晶体管。两种类型均具有包括三个电极的共同结构，其具有在沟道区中设置于其间的半导体材料。双极结晶体管的三个电极称为发射极、集电极和基极，而在场效应晶体管中，三个电极称为源极、漏极和栅极。由于在发射极和集电极之间的电流通过在基极和发射极之间流动的电流进行控制，因此双极结晶体管可描述为电流操作器件。相反，由于源极和漏极之间流动的电流通过栅极和源极之间的电压进行控制，因此场效应晶体管可描述为电压操作器件。

根据是否包括分别传导正电荷载流子(空穴)或负电荷载流子(电子)的半导体材料，晶体管也可分成p型和n型。半导体材料可根据其接收、传导和给予电荷的能力进行选择。半导体材料接收、传导和给予空穴或电子的能力可通过将材料掺杂而增强。

例如，p型晶体管器件可通过选择在接收、传导和给予空穴方面有效的半导体材料，以及选择在从该半导体材料注入和接收空穴方面有效的源极和漏极材料而形成。电极中费米能级与半导体材料的HOMO能级的良好能级匹配能增强空穴注入和接收。相反，n型晶体管器件可通过选择在接收、传导和给予电子方面有效的半导体材料，和选择在向该半导体材料注入电子和自该半导体材料接收电子方面有效的源极和漏极材料而形成。电极中费米能级与半导体材料的LUMO能级的良好能级匹配能增强电子注入和接收。

晶体管可通过沉积薄膜部件以形成薄膜晶体管(TFT)来形成。当有机材料用作这种器件中的半导体材料时，其称为有机薄膜晶体管(OTFT)。有机半导体是一类具有大范围共轭的离域π体系的有机分子，该π体系允许电子的移动。

OTFT可以通过低成本、低温方法如溶液处理进行制造。而且，OTFT与柔性塑料基板兼容，提供了在卷对卷(roll-to-roll)工艺中在柔性基板上大规模制造OTFT的前景。

参见图1，底栅有机薄膜晶体管(OTFT)的一般结构包括沉积于基板10上的栅极12。介电材料的绝缘层11沉积于栅极12上方，并且源极和漏极13、14沉积于介电材料的绝缘层11的上方。源极和漏极13、14间隔开，以在其间限定位于栅极12上方的沟道区。有机半导体(OSC)材料15沉积于源极和漏极13、14之间的沟道区中。OSC材料15可以至少部分地在源极和漏极13、14的上方延伸。

或者，已知在有机薄膜晶体管的顶部上提供栅极以形成所谓的顶栅有机薄膜晶体管。在这样的结构中，源极和漏极沉积于基板上并间隔开，以在其间限定沟道区。有机半导体材料层沉积于源极和漏极之间的沟道区中，并可以至少部分地在源极和漏极上方延伸。介电材料的绝缘层沉积于有机半导体材料上方，并也可以至少部分地在源极和漏极上方延伸。栅极沉积于绝缘层上方并位于沟道区上方。

有机半导体和含有这些半导体的晶体管的性能通常通过测量其“电荷迁移率”(cm²V^-1s^-1)而进行评价，该迁移率也根据该器件是n沟道器件还是p沟道器件而称为“电子迁移率”或“空穴迁移率”。该测量涉及电荷载流子穿过材料向施加的电场的漂移速度。

现有技术中已知为了降低有机半导体的接触角和改善半导体的分子排列(特别是为了获得高的结晶度)而处理底栅器件的介电层。

例如，Sirringhaus等人[Nature vol 401，p 685-688，1999]公开了自组装单层(SAM)预处理的二氧化硅绝缘体层，其具有影响P3HT的形貌的甲基端基(使用六甲基二硅氮烷形成)，导致OTFT的场效应迁移率改善至0.1cm²/Vs。该途径还已由Wu等人[Appl.Phys.Lett.Vol 86，142101，2005]使用多个烷基链SAMs做出。

Kumaki等人[Appl.Phys.Lett.Vol 90，133511(2007)]公开了将苯乙基三氯硅烷用于预处理具有二氧化硅电介质的底栅器件的电介质层。在该工作中使用的半导体是并五苯的热蒸发膜。得到的器件性能的改善归因于二氧化硅层上水的吸附的降低，该吸附将导致形成陷阱点。

Rawcliffe等人[Chem.Commun.，871-73，2008]已使用稠合的聚噻吩在底栅SiO₂器件结构上研究了苯基封端的SAM(使用苯基三氯硅烷形成)。