一种通过双交联反应对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法

摘要

本发明涉及一种通过双交联反应对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法，提供一有机薄膜晶体管，该有机薄膜晶体管包括自下而上依次设置的基底、绝缘层、有源层以及源漏电极；绝缘层通过采用溶液法，并利用旋涂工艺或刮涂工艺在基底中的栅极上形成绝缘层膜后，将液态有机小分子单体溶液渗入该绝缘层中，并经过UV光处理，使所述小分子单体溶液中的小分子单体聚合固化嵌入绝缘层的网状结构中，进行对绝缘层表面改性。本发明提出的绝缘层表面改性的方法，其操作方法简单、方便、改性效果明显，能有效降低了有机薄膜晶体管的漏电流并提高了有机薄膜晶体管的迁移率。

说明书

技术领域

本发明涉及机光电材料领域，特别是一种通过表面注入互穿网状聚合物对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法。

背景技术

绝缘层作为有机薄膜晶体管重要组成部分，其作用主要起到隔离栅极与有源层或源漏电极的作用，绝缘层不仅要有较低的漏电流和较高的电容，而且能够与有源层形成良好的接触面，不能对有源层薄膜的生长产生影响。在有机薄膜晶体管中无机材料和有机材料均可以用来制备绝缘层。其中最常用的是SiO₂，它具有较好的绝缘特性，但是不能与有机薄膜接触形成较好的接触界面，在其上制备有源层时需要进行修饰，此外制备SiO₂一般采用热生长法，制备成本较高>

采用有机材料制备绝缘层有众多优点，制备不需要高真空高温等苛刻的工艺条件，制作成本也较低，并且有机绝缘膜能够较好地匹配有机材料制备的有源层，有助于形成良好的绝缘膜与有源层的接触界面。尽管有机绝缘材料拥有众多优点，但有机绝缘材料存在易老化和不致密等缺点而影响器件的性能。运用新材料和探寻新的工艺方法来改善有机绝缘层材料性能，对提高有机薄膜晶体管的性能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过双交联反应对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种通过双交联反应对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法，提供一有机薄膜晶体管，该有机薄膜晶体管包括自下而上依次设置的基底、绝缘层、有源层以及源漏电极；所述绝缘层通过采用溶液法，并利用旋涂工艺或刮涂工艺在所述基底中的栅极上形成绝缘层膜后，将液态有机小分子单体溶液渗入该绝缘层中，并经过UV光处理，使所述小分子单体溶液中的小分子单体聚合固化嵌入绝缘层的网状结构中，进行对所述绝缘层表面改性。

在本发明一实施例中，所述溶液法中采用的溶液为聚乙烯苯酚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇或全氟树脂；所述液态有机小分子单体溶液采用甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯。

在本发明一实施例中，所述绝缘层膜的膜厚为500nm至2000nm，且经过热交联或光交联反应后生成网状结构的聚合物。

在本发明一实施例中，所述基底包括衬底与栅极；所述基底采用已制备好栅极的的柔性材料或硬质材料；所述柔性材料包括含ITO膜的PET以及PI；所述硬质材料包括高掺杂硅片以及ITO玻璃；

所述有源层通过采用旋涂工艺、刮图工艺或喷墨打印工艺进行制备；

所述源漏电极采用的材料为Au、Ag或Al。

在本发明一实施例中，该方法适用于制备底栅顶接触结构或底栅底接触结构的有机薄膜晶体管。

在本发明一实施例中，通过该方法制备底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管的制备步骤如下：

步骤S11：准备好已洗干净的基底，该基底采用硬质材料，包括高掺杂硅片或ITO玻璃；或已制备好栅极的柔性材料，包括含ITO膜的PET与PI；

步骤S12：采用旋涂工艺或刮涂工艺在所述步骤S11中的基底上制备一层500nm至2000nm的绝缘层薄膜，并经过热交联或光交联反应形成网状结构的聚合物；

步骤S13：使用胶头滴管将液态有机小分子单体溶液滴在所述绝缘层模上，并铺满整个绝缘层表面，然后静置；

步骤S14：使用高速转速的旋涂机，将绝缘层膜表面多余的液态有机小分子单体溶液通过离心力清除掉；

步骤S15：将渗入液态有机小分子单体溶液的绝缘层的样品放在紫外灯下照射，使其发生光交联反应，使其聚合固化；

步骤S16：采用旋涂工艺、刮图工艺或喷墨打印工艺制备30nm至50nm的有源层；

步骤S17：采用热蒸发的方式并利用掩膜版真镀出源漏电极。

在本发明一实施例中，通过该方法制备底栅底接触结构的有机薄膜晶体管的制备步骤如下：

步骤S21：准备好已洗干净的基底，该基底采用硬质材料，包括高掺杂硅片或ITO玻璃；或已制备好栅极的柔性材料，包括含ITO膜的PET与PI；

步骤S22：采用旋涂工艺或刮涂工艺在所述步骤S11中的基底上制备一层500nm至2000nm的绝缘层薄膜，并经过热交联或光交联反应形成网状结构的聚合物；

步骤S23：使用胶头滴管将液态有机小分子单体溶液滴在所述绝缘层模上，并铺满整个绝缘层表面，然后静置；

步骤S24：使用高速转速的旋涂机，将绝缘层膜表面多余的液态有机小分子单体溶液通过离心力清除掉；

步骤S25：将渗入液态有机小分子单体溶液的绝缘层的样品放在紫外灯下照射，使其发生光交联反应，使其聚合固化；

步骤S26：采用热蒸发的方式并利用掩膜版真镀出源漏电极；

步骤S27：采用旋涂工艺、刮图工艺或喷墨打印工艺制备30nm至50nm的有源层。

在本发明一实施例中，将1-3%质量的巴斯夫光引发剂和3%质量的EGDMA交联剂完全溶解在液态有机小分子单体溶液中，其中，EGDMA既能作为交联剂，也能为作液态小分子单体。

在本发明一实施例中，所述液态小分子单体溶液在绝缘层表面静置1s至5s，得到不同渗透厚度的有机小分子单体层。

在本发明一实施例中，所述旋涂机采用3000 rpm至5000 rpm的转速将绝缘层表面多余的有机小分子单体溶液清除掉，以保持绝缘表面较低的表面粗糙度。

在本发明一实施例中，使用长波段的紫外光，且将紫外灯在距离所述绝缘层表面2cm至10cm的范围内照射10min，将液态有机小分子单体完全聚合固化嵌入于所述绝缘层中。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：通过本发明所提供的方法制作的有机薄膜晶体管，通过对绝缘层表面改性，增加绝缘层薄膜加致密以及改善绝缘层表面化学性能和薄膜形貌，从而提高该薄膜晶体管的迁移率和减小薄膜晶体管的漏电流。本发明中所采用的光交联反应方式，操作简单，成本低，有利于推广运用，具备显著的经济和社会效益，且得到的有机薄膜晶体管具有较好的光电性能。

附图说明

图1是本发明一种通过双交联反应对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法中所采用的有机薄膜晶体管的三维结构示意图，其中：100为源漏电极，110为有机半导体层，120为经过表面改性的绝缘层，130为P-型高参杂硅。

图2（a）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例1进行表面改性前后的接触角测试图。

图2（b）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例2进行表面改性前后的接触角测试图。

图2（c）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例3进行表面改性前后的接触角测试图。

图2（d）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例4进行表面改性前后的接触角测试图。

图3（a）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例1进行表面改性前后的原子力显微镜图。

图3（b）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例2进行表面改性前后的原子力显微镜图。

图3（c）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例3进行表面改性前后的原子力显微镜图。

图3（d）是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例4进行表面改性前后的原子力显微镜图。

图4是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例1、2、3、4进行表面改性前后器件的漏电流变化大小。

图5是本发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法中实例1、2、3、4进行表面改性前后器件的转移特性曲线变化情况。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种通过表面注入互穿网状聚合物对有机薄膜晶体管绝缘层优化的方法，提供一有机薄膜晶体管，该有机薄膜晶体管包括自下而上依次设置的基底、绝缘层、有源层以及源漏电极；所述绝缘层通过采用溶液法，并利用旋涂工艺或刮涂工艺在所述基底中的栅极上形成绝缘层膜后，将液态有机小分子单体溶液渗入该绝缘层中，并经过UV光处理，使所述小分子单体溶液中的小分子单体聚合固化嵌入绝缘层的网状结构中，进行对所述绝缘层表面改性。其中，如图1所示，100为源漏电极，110为有机半导体层，120为经过表面改性的绝缘层，130为P-型高参杂硅。

进一步的，在本实施例中，所述溶液法中采用的溶液为聚乙烯苯酚（PVP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）或全氟树脂（CYTOP）；所述液态有机小分子单体溶液采用甲基丙烯酸（MAA）、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯(2-HEMA)或二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)。

进一步的，在本实施例中，所述绝缘层膜的膜厚为500nm至2000nm，且经过热交联或光交联反应后生成网状结构的聚合物。

进一步的，在本实施例中，所述基底包括衬底与栅极；所述基底采用已制备好栅极的的柔性材料或硬质材料；所述柔性材料包括含ITO膜的PET以及PI；所述硬质材料包括高掺杂硅片以及ITO玻璃；

所述有源层通过采用旋涂工艺、刮图工艺或喷墨打印工艺进行制备；

所述源漏电极采用的材料为Au、Ag或Al。

进一步的，在本实施例中，该方法适用于制备底栅顶接触结构或底栅底接触结构的有机薄膜晶体管。

较佳的，通过采用本发明中所提出的方法制备底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管的制备步骤如下：

步骤S11：准备好已洗干净的基底，该基底采用硬质材料，包括高掺杂硅片或ITO玻璃；或已制备好栅极的柔性材料，包括含ITO膜的PET与PI；

步骤S12：采用旋涂工艺或刮涂工艺在所述步骤S11中的基底上制备一层500nm至2000nm的绝缘层薄膜，并经过热交联或光交联反应形成网状结构的聚合物；

步骤S13：使用胶头滴管将液态有机小分子单体溶液滴在所述绝缘层模上，并铺满整个绝缘层表面，然后静置；

步骤S14：使用高速转速的旋涂机，将绝缘层膜表面多余的液态有机小分子单体溶液通过离心力清除掉；

步骤S15：将渗入液态有机小分子单体溶液的绝缘层的样品放在紫外灯下照射，使其发生光交联反应，使其聚合固化；

步骤S16：采用旋涂工艺、刮图工艺或喷墨打印工艺制备30nm至50nm的有源层；

步骤S17：采用热蒸发的方式并利用掩膜版真镀出源漏电极。

在本实施例中，将1-3%质量的巴斯夫光引发剂（Irgacure 651）和3%质量的交联剂（EGDMA）完全溶解在液态有机小分子单体溶液中，其中，EGDMA既能作为交联剂，也能为作液态小分子单体。所述液态小分子单体溶液在绝缘层表面静置1s至5s，得到不同渗透厚度的有机小分子单体层，其中静置2s的效果最佳。所述旋涂机采用3000 rpm至5000 rpm的转速将绝缘层表面多余的有机小分子单体溶液清除掉，以保持绝缘表面较低的表面粗糙度。使用长波段的紫外光，且将紫外灯在距离所述绝缘层表面2cm至10cm的范围内照射10min，将液态有机小分子单体完全聚合固化嵌入于所述绝缘层中。

较佳的，通过采用本发明中所提出的方法制备底栅底接触结构的有机薄膜晶体管的制备步骤如下：

步骤S11：准备好已洗干净的基底，该基底采用硬质材料，包括高掺杂硅片或ITO玻璃；或已制备好栅极的柔性材料，包括含ITO膜的PET与PI；

步骤S12：采用旋涂工艺或刮涂工艺在所述步骤S11中的基底上制备一层500nm至2000nm的绝缘层薄膜，并经过热交联或光交联反应形成网状结构的聚合物；

步骤S13：使用胶头滴管将液态有机小分子单体溶液滴在所述绝缘层模上，并铺满整个绝缘层表面，然后静置；

步骤S14：使用高速转速的旋涂机，将绝缘层膜表面多余的液态有机小分子单体溶液通过离心力清除掉；

步骤S15：将渗入液态有机小分子单体溶液的绝缘层的样品放在紫外灯下照射，使其发生光交联反应，使其聚合固化；

步骤S16：采用热蒸发的方式并利用掩膜版真镀出源漏电极；

步骤S17：采用旋涂工艺、刮图工艺或喷墨打印工艺制备30nm至50nm的有源层。

进一步的，在本实施例中，将1-3%质量的巴斯夫光引发剂（Irgacure 651）和3%质量的交联剂（EGDMA）完全溶解在液态有机小分子单体溶液中，其中，EGDMA既能作为交联剂，也能为作液态小分子单体。所述液态小分子单体溶液在绝缘层表面静置1s至5s，得到不同渗透厚度的有机小分子单体层，其中静置2s的效果最佳。所述旋涂机采用3000 rpm至5000 rpm的转速将绝缘层表面多余的有机小分子单体溶液清除掉，以保持绝缘表面较低的表面粗糙度。使用长波段的紫外光，且将紫外灯在距离所述绝缘层表面2cm至10cm的范围内照射10min，将液态有机小分子单体完全聚合固化嵌入于所述绝缘层中。

下面结合附图及实施例具体说明发明一种基于绝缘层表面改性的有机薄膜晶体管器件优化方法。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。

以下将通过具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

本实施例中，有机薄膜晶体管的结构如图1所示，从下往上依次为基底、栅极、绝缘层、有源层、源漏极。使用的基底和栅极材料为P型高参杂硅片，绝缘层材料为聚乙烯苯酚（PVP）和有机绝缘光聚合单体，有源层材料为PDVT-8半导体聚合物，源漏极为50nm厚金，具体的操作步骤如下：

步骤一：将已割好1.5cm×2cm尺寸的硅片经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）清洗，后用氮气吹干后得到干净的硅片。

步骤二：将150mg/ml的PVP溶液通过过滤塞滴满硅片，后通过旋涂的方式以2000rpm（30s）的转速使PVP溶液在硅片形成均匀的薄膜，再将硅片移入手套箱里进行120℃（2h）的交联反应制备一层850nm的绝缘层薄膜。

步骤三：在已制备好PVP绝缘层薄膜的样品上滴上小分子单体溶液，其中，有机液态小分子单体：EGDMA:光引发剂Irgacure 651=96:3:1，静置1s-5s后使用5000rpm（60s）转速将绝缘层表面多余的小分子单体溶液通过离心力清除掉。

步骤四：将样品放在距长波段、高功率的紫外灯下2cm-10cm的范围内光照十分钟。

步骤五：使用1000rpm（60s）的转速旋涂PDVT-8溶液制备有源层并在150℃条件下加热10 min。

步骤六：采用热蒸发的方法在该样品上通过专用掩膜板蒸镀出源漏电极，电极厚度为50nm。

为了进一步说明本发明的技术效果，下面具体结合不同的实施例进行对比说明。

实施例1

1）将大小为1.5cm×2cm的P型硅片经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）清洗后，再用氮气吹干得到干净的硅片作为栅极。

2）使用带0.22um过滤塞的注射器将150mg/ml的PVP溶液铺满硅片，后用2000rpm（30s）的转速使PVP溶液在硅片形成均匀的膜，再将硅片移入手套箱里进行120℃（2h）的交联反应制备一层850nm的绝缘层薄膜。

3）将半导体聚合物PDVT-8以5mg/ml溶解在三氯甲烷中，使用1000rpm（60s）的转速旋涂PDVT-8溶液制备有源层，后在150℃条件下加热10 min。

4）最后采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在步骤5)所得的硅片上蒸镀出沟道长为30um，宽为1mm的50nm厚源漏电极。

实施例2

1）将大小为1.5cm×2cm的P型硅片经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）清洗后，再用氮气吹干得到干净的硅片作为栅极。

2）使用带0.22um过滤塞的注射器将150mg/ml的PVP溶液铺满硅片，后用2000rpm（30s）的转速使PVP溶液在硅片形成均匀的膜，再将硅片移入手套箱里进行120℃（2h）的交联反应制备一层850nm的绝缘层薄膜。

3）在已制备好绝缘层薄膜的样品上滴满甲基丙烯酸(MAA)小分子单体溶液，其中，MAA液态小分子单体：EGDMA：光引发剂Irgacure 651=96:3:1，静置2s后使用5000rpm（60）的转速将绝缘层表面多余的小分子单体溶液清除掉。

4）准备一个40w-BL型号的飞利浦紫外灯，将样品放在距紫外灯下2cm-10cm的范围内光照十分钟。

5）将半导体聚合物PDVT-8以5mg/ml溶解在三氯甲烷中，使用1000rpm（60s）的转速旋涂PDVT-8溶液制备有源层，后在150℃条件下加热10 min。

6）最后采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在步骤5)所得的硅片上蒸镀出沟道长为30um，宽为1mm的50nm厚源漏电极。

实施例1与实施例2 中制备的绝缘层薄膜接触角表征如图2（a）、2（b）所示，改性前后的接触角从32.08°降低为27.48°，说明薄膜与有机半导体溶液的润湿性变得更好；AFM薄膜表面如图3（a）、3（b）所示，表面粗糙度由Rq=0.666 nm 减少到Rq=0.337 nm，是薄膜表面更加光滑从而有利于电子传输；MIM结构的薄膜漏电流测试如图4所示，在-40伏条件下的漏电流密度从1.81×10^-5A>-2降低到6.85×10^-6A>-2；OTFT转移特性曲线如图5所示，晶体管的迁移率从0.08>2/Vs增大到0.33>2/Vs，说明通过该实施例有利改性薄膜形貌和器件性能。

实施例3

1）将大小为1.5cm×2cm的P型硅片经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）和氮气吹干后得到干净的硅片作为栅极。

2）使用带0.22um过滤塞的注射器将150mg/ml的PVP溶液铺满硅片，后用2000rpm（30s）的转速使PVP溶液在硅片形成均匀的膜，再将硅片移入手套箱里进行120℃（2h）的交联反应制备一层850nm的绝缘层薄膜。

3）在已制备好绝缘层薄膜的样品上滴满甲基丙烯酸甲酯（MMA）小分子单体溶液，其中，MMA液态小分子单体：EGDMA：光引发剂Irgacure 651=96:3:1，静置2s后使用5000rpm（60s）的转速将绝缘层表面多余的小分子单体溶液溶液清除掉。

4）准备一个40w-BL型号的飞利浦紫外灯，将样品放在距紫外灯下2cm-10cm的范围内光照十分钟。

5）将半导体聚合物PDVT-8以5mg/ml溶解在三氯甲烷中，使用1000rpm（60s）的转速旋涂PDVT-8溶液制备有源层，后在150℃条件下加热10 min。

6）最后采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在步骤5)所得的硅片上蒸镀出沟道长为30um，宽为1mm的50nm厚源漏电极。

实施例1与实施例3 制备的绝缘层薄膜接触角表征如图2（a）、2（c）所示，改性前后的接触角从32.08°降低为16.32°，说明薄膜与有机半导体溶液的润湿性变得更好；AFM薄膜表面如图3（a）、3（c）所示，表面粗糙度由Rq=0.666nm 减少到Rq=0.195nm，是薄膜表面更加光滑从而有利于电子传输；MIM结构的薄膜漏电流测试如图4所示，在-40伏条件下的漏电流密度从1.81×10^-5A>-2降低到3.2×10^-6A>-2；OTFT转移特性曲线如图5所示，晶体管的迁移率从0.08>2/Vs增大到1.09>2/Vs，说明通过该实施例有利改性薄膜形貌和器件性能。

实施例4

1）将大小为1.5cm×2cm的P型硅片经丙酮、异丙醇、三氯甲烷、蒸馏水（三次）和氮气吹干后得到干净的硅片作为栅极。

2）使用带0.22um过滤塞的注射器将150mg/ml的PVP溶液铺满硅片，后用2000rpm（30s）的转速使PVP溶液在硅片形成均匀的膜，再将硅片移入手套箱里进行120℃（2h）的交联反应制备一层850nm的绝缘层薄膜。

3）在已制备好绝缘层薄膜的样品上滴满二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)小分子单体溶液，其中，EGDMA液态小分子单体：光引发剂Irgacure 651=99:1，静置2s后使用5000rpm（60 s）的转速将绝缘层表面多余的小分子单体溶液溶液清除掉。

4）准备一个40w-BL型号的飞利浦紫外灯，将样品放在距紫外灯下2cm-10cm的范围内光照十分钟。

5）将半导体聚合物PDVT-8以5mg/ml溶解在三氯甲烷中，使用1000rpm（60s）的转速旋涂PDVT-8溶液制备有源层，后在150℃条件下加热10 min。

6）最后采用热蒸发的方式利用专用掩膜板在步骤5)所得的硅片上蒸镀出沟道长为30um，宽为1mm的50nm厚源漏电极。

实施例1与实施例4 制备的绝缘层薄膜接触角表征如图2（a）、2（d）所示，改性前后的接触角从32.08°降低为20.12°，说明薄膜与有机半导体溶液的润湿性变得更好；AFM薄膜表面如图3（a）、3（d）所示，表面粗糙度由Rq=0.666nm 减少到Rq=0.278nm，是薄膜表面更加光滑从而有利于电子传输；MIM结构的薄膜漏电流测试如图4所示，在-40伏条件下的漏电流密度从1.81×10^-5A>-2降低到7.09×10^-6A>-2；OTFT转移特性曲线如图5所示，晶体管的迁移率从0.08cm²/Vs增大到0.99cm²/Vs，说明通过该实施例有利改性薄膜形貌和器件性能。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。