使用共混溶液形成半导体层和绝缘层而制备底栅薄膜晶体管的改进方法

摘要

描述了形成由绝缘聚合物层保护的半导体聚合物层的改进方法。在该方法中，用于形成半导体聚合物和绝缘聚合物的材料溶解在溶剂中。该共混溶液沉积在基片上，其中半导体聚合物和绝缘聚合物分离。随着溶剂的挥发，半导体材料形成TFT的有源区，绝缘聚合物使该半导体聚合物在空气中的暴露降到最低。

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请涉及同一申请人在同一日期提交的题为“使用共混溶液形成导电层和绝缘层的用于互连电子元件的改进方法”的专利申请#-------(代理人登记号为20031723Q-US-NP)。

技术领域

本发明涉及制备薄膜晶体管的方法，更具体而言，涉及用混合溶液形成半导体层和绝缘层而制备底栅薄膜晶体管的改进方法。

背景技术

由于最近在聚合物合成和基于聚合物的器件性能上的进步，基于聚合物的电子器件成为基于无机材料的传统器件的替代物。这些进步包括聚合物发光二极管(LED)的高发光效率和聚合物薄膜晶体管(TFT)的改进的场效应迁移率。但是，基于聚合物的电子器件的环境不稳定性仍然是商业壁垒。

氧、湿度、光、热和其它环境参数一起会破坏聚合物材料。为了使材料的降解降到最低程度，基于聚合物的电子器件通常在严格控制的环境条件下制备和测试，典型地在充填了惰性气体的“手套箱”中或真空条件下进行。在严格控制的环境下的大规模制备增加了制备成本，从而减少了商业化的机会。

将在制备的器件中的半导体和导电聚合物封装起来，使其在环境中的暴露降到最低，因此也使制备后器件老化降到最小。但是，封装聚合物层很困难，因为聚合物层和封装采用的工艺不相容。封装可用的许多材料采用的加工步骤涉及到可能破坏聚合物半导体的高温或溶剂。沉积固态封装层时采用的光也会破坏聚合物层。

因此，需要用于在电子器件中形成和封装聚合物层的改进的非破坏性的方法。

发明内容

描述了形成底栅薄膜晶体管的方法。在本方法中，在基片的区域上形成源区和漏区，并且在源区和漏区之间还形成导电栅区，从而使基片分离导电栅区和聚合物半导体。包括设计用来形成半导体聚合物的材料和设计用来形成绝缘体的材料的共混溶液沉积在源区和漏区之间，从而使半导体聚合物在底栅晶体管的源区和漏区之间形成层。

还描述了用于制造包括多个底栅薄膜晶体管的显示系统的中间结构，该中间结构包括：基片；在基片的第一部分上形成的用于多个底栅薄膜晶体管的多个源区；在基片的第二部分上形成的用于多个漏区的多个漏区；和在位于每个源区和相应漏区之间的多个栅区上沉积的共混溶液，该共混溶液包括设计用来形成聚合物半导体和绝缘材料层的共混溶液。

还描述了包括多个底栅薄膜晶体管的显示系统，该系统进一步包括第二绝缘导线，该导线与将第一电子器件和第二电子器件互连的绝缘导线近似平行。共混溶液沉积成线，该线的一部分覆盖了第二绝缘导线。基片为导线的第一侧面形成绝缘表面。聚合物共混溶液沉积成线，由聚合物共混溶液构成的该线的第一端耦合到第三电子器件的触点上，由聚合物共混溶液构成的第二端耦合到第四电子器件的触点上。第一、第二、第三和第四电子器件都是薄膜晶体管。

还描述了形成在基片上包括多个薄膜晶体管的显示系统的方法，该方法包括如下操作：在基片上沉积包括第一溶剂、第一导体和第一绝缘体的第一聚合物共混溶液，该聚合物共混溶液沉积成近似线状，以将第一薄膜晶体管的触点耦合到第二薄膜晶体管的触点；等待第一聚合物共混溶液分离，以使第一导体和基片相邻而且第一绝缘体和第一导体相邻。

本方法还包括等待第一溶剂挥发；将包括第二溶剂、第二导体和第二绝缘体的第二聚合物共混溶液沉积成近似线状，以使第三薄膜晶体管的触点耦合到第四薄膜晶体管的触点，第二聚合物共混溶液的近似线的区域和第一聚合物共混溶液的第一绝缘体相重叠。

本方法还包括等待第二聚合物共混溶液中的第二导体和第二绝缘体分离，以使在重叠区，第二导体的第一侧和第一绝缘体相邻而第二导体的第二侧和第二绝缘体相邻。

附图说明

图1显示了底栅薄膜晶体管的一个实施例。

图2显示了采用处于液相的聚合物共混物形成图1所示结构的第一步。

图3显示了聚合物共混物的聚结使得在半导体层上形成绝缘层。

图4显示了在底栅TFT中最终分离的薄膜和由聚合物绝缘体保护的最终聚合物半导体。

图5显示了由在空气中的上述结构形成的TFT的传输特性。

图6显示了采用互连线的电路的顶视图，其中互连线通过将半导体聚合物和绝缘聚合物分开而形成。

图7显示了两个交叉的互连线之间的交叉区的侧截面图。

图8显示了包括采用共混的聚合物形成的半导体聚合物和电极触点的二极管。

具体实施方式

在此描述了制备和封装聚合物电子器件的方法。本方法采用由半导体聚合物和绝缘聚合物组成的聚合物共混物。沉积后，该聚合物共混物分离，形成由绝缘聚合物封装的聚合物半导体层。可以使用本方法的例子是形成基于聚合物的薄膜晶体管(TFT)。将提供形成这种聚合物TFT的细节。但是，使用所述封装的半导体聚合物可以形成许多不同的器件，而所述的本发明不应限于任何一种器件。

图1显示了示例性底栅聚合物TFT 100的示意图。图示的TFT包括分布在源区108和漏区112之间的聚合物半导体层104。聚合物半导体104在基片116上形成。在此图示中，基片是介电层116。基片在栅线110上形成。在运行中，位于栅线上的电荷控制着聚合物半导体104的导电率。因此，栅线110上的电荷控制着漏区112和源区108之间的电流流动。介电层116和栅线110共同形成基底结构124。

图2～5显示了采用聚合物共混溶液形成包括封装的聚合物半导体的底栅聚合物TFT的方法。在最终结构中，从聚合物共混溶液中沉淀的封装层保护聚合物半导体104。在一个实施方案中，聚合物共混溶液包括半导体聚合物和绝缘聚合物。此处使用的绝缘聚合物定义为对电流通道提供非常高阻抗的聚合物。绝缘聚合物和半导体聚合物共同溶解在常见溶剂中。

许多不同的聚合物可以用于半导体聚合物和绝缘聚合物。典型的半导体聚合物的例子包括诸如聚(3-烷基噻吩)(P3AT)、聚(3-正己基噻吩)(P3HT)和聚[5，5’-双(3-十二烷基-2-噻吩基)-2，2’-并噻吩](PQT-12)的聚噻吩及诸如聚(芴-共-并噻吩)(F8T2)和聚(9，9’-二辛基芴-共-双-N，N’-(4-丁基苯基)-双-N，N’-苯基-1，4-苯二胺)(TFB)的聚芴。典型的溶于溶剂的绝缘聚合物的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)。在退火时变成聚合物的典型单体(此后称作聚合物前体)的例子包括苯并环丁烯(BCB)。可以用来溶解半导体聚合物和绝缘聚合物的典型溶剂是有机溶剂，如二氯苯、二甲苯、氯仿、1，3，5-三甲基苯以及其它。一种示例性聚合物共混溶液包括PMMA和PQT-12，其中PMMA与PQT-12的比为0.1％-99.9％。

在可替换的实施方案中，其它材料可以代替聚合物绝缘体和聚合物导体。例如，绝缘体可以由前体材料形成，该前体材料在退火或固化工艺后变成绝缘体。同样地，在退火或固化工艺后变成聚合物半导体的前体材料可以用实际溶解的聚合物代替。特别地，聚合物介电膜可以从预聚合物(也称作聚合物前体)的沉积获得。聚合物前体的溶液可以包含单体和低聚物，它们在热处理时转变成不溶性聚合物膜。通过前体(以及其它)沉积得到的介电聚合物的例子是：从两个单体，即二酐和二胺合成的聚酰亚胺。通过引入柔性桥单体、氟化单体和硅酮单体以及乙炔封端的聚酰亚胺，对二酐和二胺进行结构改性，已经合成了聚酰亚胺的一些变体。不同类的介电聚合物是从单体双苯并环丁烯(BCB)衍生的聚苯并环丁烯(PBCB)。BCB前体的热聚合在无氧环境下于250℃左右发生。

图2显示了在包括栅线206和基片208的基底结构上沉积聚合物共混溶液204。聚合物共混溶液204沉积在源区212和漏区216之间。源区212和漏区216可以用包括光刻技术、喷射沉积和本领域技术人员已知的其它技术的各种技术形成。在沉积过程中，半导体聚合物和绝缘聚合物溶在溶剂里形成均匀的液态聚合物溶液。典型地，聚合物溶液不要求加热，并在室温(10～50℃)时保持液态。

可以用不同技术沉积共混的聚合物溶液204。沉积技术的例子包括旋涂、逐滴流延(drop casting)、喷墨印刷和浸涂。所用的沉积方法取决于几个因素，包括要制备的器件和聚合物溶液的粘度。例如，当喷墨印刷该聚合物溶液时，粘度典型地保持在40mPa.s以下，可以调整聚合物/溶剂的浓度以便于喷墨。当旋涂时，可以使用较高浓度和较高粘度的聚合物共混溶液，因为可以通过旋涂速度和溶剂挥发速率控制膜的形成。

沉积后但在溶剂挥发前的即刻，该聚合物共混溶液中富含溶剂，而且分子迁移速度快。溶液的这个阶段通常称作扩散和液体流动状态。液体流动状态的特征在于分子在共混的聚合物溶液中的分子迁移率高。半导体聚合物和绝缘体之间的相分离的第一阶段就发生在液体流动状态期间。此处所用相分离定义为溶在常见溶剂中的不同聚合物分子互相排斥并自动分离从而形成不同聚合物的不同域、相的过程。

图3显示了处于相分离的较后阶段，即通常称作聚结阶段的聚合物共混溶液。在聚结阶段，由于溶剂量变少，分子迁移率下降，但不同域仍在形成。在此阶段，每个域的组成和大小一直在变化。在图3中，共混的聚合物溶液204中的半导体聚合物304退出了该共混聚合物溶液。聚结阶段的特征在于聚合物共混溶液分子的分子迁移率低。聚合物溶液构成组分的分离受到仔细控制。如下所述，多种方法可用来控制这种分离，包括仔细选择基片、溶剂、半导体聚合物和绝缘聚合物的特性，以形成所需的结构。

形成图3所示结构的一种方法涉及基于基片208的表面能和聚合物与基片208的相互反应来选择基片208和聚合物溶液化合物。特别地，对基片表面能和材料进行选择，以使半导体聚合物304和基片具有亲和性，从而得到的可润湿性条件比绝缘材料对基片的要好。在描述的实施例中，绝缘材料分离到上表面，形成双层结构。可以代替的，可以对基片表面能和绝缘材料进行选择，以使绝缘材料优选润湿半导体聚合物而不是基片208。因此，通过一个聚合物对另一聚合物的以及每种聚合物对基片表面的润湿特性，可以部分控制聚合物层的排列和形成。

不同的技术可以用来调节聚合物之间以及聚合物和基片之间的相互作用。为了调节基片和聚合物之间的相互作用，可以对基片表面能进行改性。基片表面能的改性技术包括但不限于等离子体处理、从溶液中沉积自组装单层、氟化烃封端的硫醇或COOH封端的硫醇的冲压。可以采用其它附着化学产生同样的封端单层，包括基于硅烷化的单层。

控制双层形成的第三种方法是使用材料的组合，其中选择半导体聚合物和绝缘材料，使得这两种聚合物在常见溶剂中有不同的溶解度。在给出的实施例中，底层材料的溶解度低于顶层材料的溶解度。在图示的实施例中，底层材料是半导体聚合物304。绝缘聚合物308形成顶层材料。沉淀后，溶剂逐渐挥发，导致半导体聚合物304在高溶解度的绝缘聚合物之前离开溶液。当溶剂继续挥发时，绝缘聚合物308也达到饱和而从溶液中沉淀出来，导致在半导体聚合物304上形成绝缘聚合物308。

图4显示了半导体聚合物404与绝缘聚合物408最终分离后的底栅TFT。在图4中，溶剂已经挥发了。溶剂离开膜所花费的时间通常称作转变时间。对溶剂从聚合物共混物中的去除进行控制，以维持足够的转变时间从而使半导体聚合物能够与绝缘体完全分离。为了延长处于扩散和液体流动状态的时间，通常采用高沸点溶剂。高沸点溶剂的溶剂挥发速率低。示例性的溶剂是沸点超过60℃的有机溶剂。满足这些特性的典型溶剂是二氯苯。典型的溶剂挥发时间是在沉积后1～6分钟。

通过改变加工技术也可以增加转变时间；因此，所述方法的使用不局限于高沸点溶剂。控制挥发速率的第二种方法是创建富含溶剂的气氛，该气氛降低了溶剂挥发速率。获得富含溶剂的气氛的一种方法是在与该共混溶液共同的密封环境里提供溶剂储存池。采用富含溶剂的气氛特别适合旋涂和逐滴流延方法。

溶剂挥发后，半导体聚合物膜304保持与介电层220的接触。实施例图示的结构是底栅TFT。在TFT中，半导体聚合物膜充当开关，根据施加在栅线224上的电压控制源区212和漏区216之间的电流流动。聚合物半导体通常表现为P型半导体。在P型半导体聚合物膜中，当在栅线224上没有施加电压时，该半导体聚合物膜阻止电流在源区212和漏区216之间的流动。当在栅线224上施加电压时，该P型半导体聚合物膜允许电流在源区212和漏区216之间流动。

在图4中，绝缘聚合物408将半导体聚合物404封装起来，通过减少在环境中的暴露使器件的降解最小化。这种封装改善了该半导体聚合物的长期性能，并也允许在该薄膜晶体管的栅区上沉积其它的器件。

图5显示了图4所示类型的TFT的近似传输特性。纵轴504表示漏电流，横轴508表示栅电压。第一条线512表示制备后立刻得到的传输特性，第二条线516表示制备2天后的器件特性。从中可见，类似的性能表明在2天后变化非常小，意味着绝缘聚合物通过封装该半导体聚合物有效地将该半导体聚合物的降解降至最小。

虽然是就TFT而言作出的以上描述，但采用聚合物共混物创建封装电路元件的绝缘层可以用于各种电子器件。封装可以用来如前所述在环境上隔离电路元件，或者可以用来在电气上隔离电路元件从而使电路元件能够堆叠。例如，绝缘体可以与导电聚合物或金属胶体分散体共混，形成双层膜。该双层膜包括导电层和非导电层。图6显示了用导电和非导电的共混物制备堆叠的互连线。在图6中，双层的非导电层将堆叠的互连线隔离以防止短路。在可替换的实施方案中，导体/绝缘体共混物还可以用来形成二极管的顶触点。典型的二极管包括发光二极管、整流二极管和光电二极管。图8显示了采用绝缘体和导体共混物形成二极管顶触点的例子。

在图6所示的实施方案中，导电和绝缘聚合物的共混溶液形成电路元件之间的互连线。导线如线604和线608将电路器件，如电路器件612、616、620互连起来。在图6所示的实施例中，电路器件612、616、620是用于显示系统的薄膜晶体管，尽管薄膜晶体管的这种排列通常也可以用于传感系统。

形成图6的结构的一种方法采用液滴喷射机构，如喷墨印刷机或压电印刷机构，以喷出共混溶液的液滴。喷射后，导体和绝缘聚合物分离。携带导体和绝缘体的溶剂挥发，使导体被绝缘体覆盖。如上述半导体和绝缘共混溶液的情形，多种技术可以用来确保绝缘体覆盖导体。这些技术包括选择优选润湿导体的基片，选择优选润湿导体的绝缘体或选择在溶剂中的溶解度比绝缘体低的导体。

许多不同的化合物可以用作导体、绝缘聚合物和溶剂。导体材料的例子包括掺有聚苯乙烯磺酸的聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT/PSS)、聚苯胺(PANI)、金属纳米粒子(Au、Ag)、碳纳米管。前面确定的绝缘聚合物的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)和苯并环丁烯(BCB)。前面确定的典型的溶剂包括有机溶剂，如二氯苯、二甲苯、氯仿和1，3，5-三甲基苯以及其它。

随着溶剂的挥发，导体形成连接电子器件的诸如线604和线608的导线。当该电子器件是显示器的晶体管时，这些导线可以将晶体管的源区、漏区和栅区耦合到电源上，或者控制显示器的电路上。绝缘聚合物层覆盖并使每条导线绝缘。绝缘聚合物保护导线604和608不受环境损坏。绝缘聚合物还允许其它电子器件在导线604、608上堆叠，包括防止相互交叉的导线624、628短路或者另外干扰在线604、608里携带的电流。

图7显示了导线交叉的例子的横截面侧视图，如图6的交叉点650。首先沉积的导线604包括覆盖在导电层708上的绝缘层712。绝缘层712允许电器件沉积在导线604上。在图7的实施例中，“电器件”是另一条导线654。导线654垂直跨过导线604。

在成形过程中，携带绝缘层712的溶剂挥发后沉积导线654。典型地，导线654也用包括溶剂、导体和绝缘体的聚合物共混物印刷。所用的溶剂经过仔细选择，因而不会溶解先前沉积的层，溶剂尤其不能溶解绝缘体712。典型的溶剂例子包括水基和醇基的溶剂。可以替换地，底绝缘体可以用在退火期间交联的前体形成，以使其暴露在后续沉积的溶剂中时不会溶解。

随着溶剂的挥发，聚合物共混物形成导电层716。溶在聚合物共混溶液中的绝缘材料在导电层上形成绝缘层720。该绝缘层密封导电层716，使其免受环境破坏，还使得后续电子器件可以沉积在导线654上。

图8显示了聚合物材料的导体/绝缘体共混物的另一种用途。在图8中，共混溶液用于形成二极管的电触点。在一个实施方案中，二极管是发光二极管。

在图8中，第一导体804沉积在基片800上。第一导体804可以是诸如铝或铜的金属。半导体808沉积在第一电极804上，形成二极管的有源区。当电能注入半导体时，半导体通过面例如面808输出光。

第二电触点或电极812在半导体808上形成。第二电触点在包括导电材料、绝缘材料和溶剂的聚合物共混溶液中沉积。随着溶剂的挥发，导电材料和绝缘体分离并退出溶液。导电材料形成电极812。绝缘材料形成保护层815。通过将电极812和第一导体804耦合到电源上，半导体808可以被电激发而输出光。