柔性垂直沟道有机薄膜晶体管及其制作方法

摘要

本发明提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管及其制作方法，改变了传统的平面沟道有机薄膜晶体管的构型，使用垂直沟道构型极大的缩短了沟道长度，使得薄膜晶体管可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流；使用无缺陷、具有高导电性及高透明度的石墨烯材料制备栅极，使得薄膜晶体管的电学性能更好；使用六方氮化硼材料制备栅极绝缘层，与石墨烯材料制备的栅极共同作用，提高了薄膜晶体管的电学性能，并且由于石墨烯材料与六方氮化硼材料均为弯折性能较好的二维原子层结构材料，同时沟道层采用具有柔性的有机半导体材料，使得整个有机薄膜晶体管的弯折性能得到大幅度提高，有利于有机薄膜晶体管在柔性OLED显示屏中的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管及其制作方法。

背景技术

随着显示技术的发展，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)等平面显示装置因具有高画质、省电、机身薄及应用范围广等优点，而被广泛的应用于手机、电视、个人数字助理、数字相机、笔记本电脑、台式计算机等各种消费性电子产品，成为显示装置中的主流。

有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示器，也称为有机电致发光显示器，是一种新兴的平板显示装置，由于其具有自发光、驱动电压低、发光效率高、响应时间短、清晰度与对比度高、近180°视角、使用温度范围宽，可实现柔性显示与大面积全色显示等诸多优点，被业界公认为是最有发展潜力的显示装置。

相比于LCD显示屏，OLED显示屏以其亮度更高，视角更宽，响应速度更快，对比度更大，更为轻薄等优势在目前的显示屏市场中受到了更为广泛的关注。OLED显示屏属于电流驱动器件，从而对含有主动阵列的背板技术提出了更高的要求。目前，小尺寸的OLED显示屏多用以低温多晶硅(LTPS)为主动层的薄膜晶体管阵列(TFT array)。然而LTPS背板技术增加了制程时间、能耗及成本，同时多晶硅存在着大量的晶界，其制备技术难以保证获得均一的大面积薄膜，这些都会影响TFT元件的电性参数如阈值电压和漏电流等，从而使其驱动的像素出现发光不稳定的问题。为了稳定LTPS-TFT的阈值电压，面板厂商通常会设计7T1C的像素补偿电路，然而这样降低了OLED器件的像素开口率，使得发光性能受到影响，同时其制程也比较复杂。此外，低温多晶硅属于无机半导体材料，杨氏模量较大，不利于柔性OLED显示屏中柔性TFT背板的制备。有机薄膜晶体管(OTFT)制备简单，且易于弯折，适合制备柔性OLED显示屏，但其载流子迁移率较低，为获得能够驱动OLED像素的电流，在传统平面结构的OTFT中需要尽量缩短沟道长度，这需要高分辨率的曝光技术，极大增加了曝光成本。美国nVerpix公司提出了基于垂直沟道结构的有机薄膜晶体管器件，获得了较高的开态电流和较低的驱动电压，但其使用的栅极材料和绝缘层材料难以使器件真正意义上做到弯折，限制了垂直沟道结构的OTFT在柔性OLED显示屏中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法，制得的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管具有较短的沟道长度，可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流，有利于在低电压下驱动OLED像素发光，同时具有较好的弯折性能。

本发明的目的还在于提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管，具有较短的沟道长度，可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流，有利于在低电压下驱动OLED像素发光，同时具有较好的弯折性能。

为实现上述目的，本发明首先提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、提供一刚性基板，在所述刚性基板上形成一柔性衬底，在所述柔性衬底上形成栅极；

步骤2、在所述栅极上形成栅极绝缘层，所述栅极绝缘层的尺寸小于所述栅极的尺寸；

在所述栅极绝缘层上形成源极，所述源极的尺寸小于或等于所述栅极绝缘层的尺寸；

步骤3、在所述源极上形成有机半导体层，所述有机半导体层的尺寸小于所述源极的尺寸；

在所述有机半导体层上形成漏极，所述漏极的尺寸小于或等于所述有机半导体层的尺寸；

在所述源极上形成与所述有机半导体层间隔设置的源极接触电极；

在所述栅极上形成与所述栅极绝缘层间隔设置的栅极接触电极；

步骤4、将所述柔性衬底从所述刚性基板上剥离，得到一柔性垂直沟道有机薄膜晶体管。

所述栅极的材料为石墨烯；所述栅极绝缘层的材料为六方氮化硼。

所述源极的材料为碳纳米管；所述有机半导体层的材料为P型有机半导体材料；所述有机半导体层的厚度为80nm～120nm。

所述步骤3中，采用一道掩膜板通过蒸镀的方法同时形成所述漏极、源极接触电极、及栅极接触电极，从而所述漏极、源极接触电极、及栅极接触电极的材料相同；所述漏极、源极接触电极、及栅极接触电极的材料为金属。

所述步骤3还包括将OLED显示单元制作于所述有机半导体层与漏极上的步骤，所述OLED显示单元包括在所述有机半导体层与漏极上从下到上依次层叠设置的空穴注入层、有机发光层、电子注入层、及阴极，所述漏极充当OLED阳极。

本发明还提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管，包括：柔性衬底、设于所述柔性衬底上的栅极、设于所述栅极上且间隔设置的栅极绝缘层与栅极接触电极、设于所述栅极绝缘层上的源极、设于所述源极上且间隔设置的有机半导体层与源极接触电极、以及设于所述有机半导体层上的漏极。

所述栅极的材料为石墨烯；所述栅极绝缘层的材料为六方氮化硼。

所述源极的材料为碳纳米管；所述有机半导体层的材料为P型有机半导体材料；所述有机半导体层的厚度为80nm～120nm。

所述漏极、源极接触电极、及栅极接触电极在同一蒸镀制程中形成，从而材料相同；所述漏极、源极接触电极、及栅极接触电极的材料为金属。

所述柔性垂直沟道有机薄膜晶体管还包括设于所述有机半导体层与漏极上的OLED显示单元，所述OLED显示单元包括在所述有机半导体层与漏极上从下到上依次层叠设置的空穴注入层、有机发光层、电子注入层、及阴极，所述漏极充当OLED阳极。

本发明的有益效果：本发明提供的一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管及其制作方法，改变了传统的平面沟道有机薄膜晶体管的构型，使用垂直沟道构型极大的缩短了沟道长度，使得薄膜晶体管可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流，有利于在低电压下驱动OLED像素发光，且不需要采用高分辨率的曝光技术，节约生产成本；使用无缺陷、具有高导电性及高透明度的石墨烯材料制备栅极，使得薄膜晶体管的电学性能更好；使用六方氮化硼材料制备栅极绝缘层，与石墨烯材料制备的栅极共同作用，提高了薄膜晶体管的电学性能，并且由于石墨烯材料与六方氮化硼材料均为弯折性能较好的二维原子层结构材料，同时沟道层采用具有柔性的有机半导体材料，使得整个有机薄膜晶体管的弯折性能得到大幅度提高，有利于有机薄膜晶体管在柔性OLED显示屏中的应用。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

附图中，

图1为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的流程图；

图2为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的步骤1的示意图；

图3为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的步骤2的示意图；

图4A为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的步骤3的第一实施例的示意图；

图4B为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的步骤3的第二实施例的示意图；

图5A为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的步骤4的第一实施例的示意图；

图5B为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法的步骤4的第二实施例的示意图；

图6为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的第一实施例的侧视示意图；

图7为图6的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管弯曲时的侧视示意图；

图8为图6的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的立体示意图；

图9为图6的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管弯曲时的立体示意图；

图10为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的第二实施例的侧视示意图；

图11为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管采用的石墨烯的原子结构示意图；

图12为本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管采用的六方氮化硼的原子结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例进行详细描述。

请参阅图1，本发明首先提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、如图2所示，提供一刚性基板10，在所述刚性基板10上形成一柔性衬底11，在所述柔性衬底11上形成栅极20。

具体的，所述刚性基板10为玻璃基板。

优选的，所述柔性衬底11为聚酰亚胺(PI)薄膜。

具体的，所述栅极20的材料为石墨烯，优选为无缺陷石墨烯。

具体的，所述步骤1中，所述栅极20的制备方法为：采用化学气相沉积(CVD)的方法在所述柔性衬底11上沉积石墨烯层，之后对所述石墨烯层进行图案化处理，得到栅极20。

步骤2、如图3所示，在所述栅极20上形成栅极绝缘层30，所述栅极绝缘层30的尺寸小于所述栅极20的尺寸；

在所述栅极绝缘层30上形成源极40，所述源极40的尺寸小于或等于所述栅极绝缘层30的尺寸。

具体的，所述栅极绝缘层30的材料为六方氮化硼(h-BN)。

优选的，所述栅极绝缘层30为两层单原子层的六方氮化硼薄膜。

具体的，所述步骤2中，所述栅极绝缘层30的制备方法为：采用化学气相沉积(CVD)的方法在铜箔上生长六方氮化硼薄膜，并将在铜箔上生长的六方氮化硼薄膜转移到所述步骤1制备的栅极20上，之后对所述六方氮化硼薄膜进行图案化处理，得到所述栅极绝缘层30。

具体的，所述源极40的材料为碳纳米管。

优选的，所述源极40包括稀疏排列的多个单壁碳纳米管，所述稀疏排列定义为多个单壁碳纳米管之间具有缝隙的排列方式。具体的，所述稀疏排列的单壁碳纳米管采用真空过滤的方法制备。

步骤3、如图4A所示，在所述源极40上形成有机半导体层50，所述有机半导体层50的尺寸小于所述源极40的尺寸；

在所述有机半导体层50上形成漏极60，所述漏极60的尺寸小于或等于所述有机半导体层50的尺寸；

在所述源极40上形成与所述有机半导体层50间隔设置的源极接触电极41；

在所述栅极20上形成与所述栅极绝缘层30间隔设置的栅极接触电极21。

具体的，所述步骤3中，采用蒸镀的方法形成所述有机半导体层50。优选的，所述有机半导体层50的材料为P型(空穴型)有机半导体材料。

具体的，所述P型有机半导体材料包括烷基取代的聚噻吩、噻吩及其衍生物、并五苯、酚箐类化合物、苝、及红荧烯中的一种或多种。

优选的，所述步骤3中，采用一道掩膜板通过蒸镀的方法同时形成所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21，从而所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21的材料相同。

具体的，所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21的材料为金属。优选的，所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21的材料为金(Au)。

具体的，所述栅极接触电极21用于实现栅极20与相关联信号线路(如扫描线)之间的连接。所述源极接触电极41用于接地，从而实现所述源极40接地。

具体的，所述有机半导体层50的厚度为80nm～120nm，优选的，所述有机半导体层50的厚度为100nm。

具体的，本发明制备的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管中，由于源极40与漏极60分别设于有机半导体层50的上方与下方，即相当于沟道的方向(从源极40到漏极60的方向)垂直于有机半导体层50等水平结构层，因此所述沟道的长度等于所述有机半导体层50的厚度，与传统的平面沟道有机薄膜晶体管相比，本发明制备的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的沟道长度大大缩减，可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流。

进一步的，如图4B所示，所述步骤3还可以包括将OLED显示单元90制作于所述有机半导体层50与漏极60上的步骤，所述OLED显示单元90包括在所述有机半导体层50与漏极60上从下到上依次层叠设置的空穴注入层91、有机发光层92、电子注入层93、及阴极94等结构层，所述漏极60直接充当OLED阳极，通过将OLED显示单元90原位集成在所述有机半导体层50与漏极60上制备一体化的垂直沟道型有机发光二极管，与传统的有机发光二极管相比，不需要在TFT上制备像素定义层与OLED阳极，大大降低了传统OLED有源矩阵的制备成本，提高OLED发光器件的像素开口率。

步骤4、如图5A与图5B所示，将所述柔性衬底11从所述刚性基板10上剥离，得到一柔性垂直沟道有机薄膜晶体管80。

具体的，所述步骤4中，采用激光剥离技术(LLO)将所述柔性衬底11从所述刚性基板10上剥离。

上述柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法，改变了传统的平面沟道有机薄膜晶体管的构型，使用垂直沟道构型极大的缩短了沟道长度，使得薄膜晶体管可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流，有利于在低电压下驱动OLED像素发光，且不需要采用高分辨率的曝光技术，节约生产成本；使用无缺陷、具有高导电性及高透明度的石墨烯材料制备栅极20，使得薄膜晶体管的电学性能更好；使用六方氮化硼材料制备栅极绝缘层30，与石墨烯材料制备的石墨烯栅极20共同作用，提高了薄膜晶体管的电学性能，并且由于石墨烯材料与六方氮化硼材料均为弯折性能较好的二维原子层结构材料，同时沟道层采用具有柔性的有机半导体材料，使得整个有机薄膜晶体管的弯折性能得到大幅度提高，有利于有机薄膜晶体管在柔性OLED显示屏中的应用。

请参阅图6至图9，基于上述柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的制作方法，本发明还提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管80，包括：柔性衬底11、设于所述柔性衬底11上的栅极20、设于所述栅极20上且间隔设置的栅极绝缘层30与栅极接触电极21、设于所述栅极绝缘层30上的源极40、设于所述源极40上且间隔设置的有机半导体层50与源极接触电极41、以及设于所述有机半导体层50上的漏极60。

优选的，所述柔性衬底11为聚酰亚胺(PI)薄膜。

具体的，所述栅极20的材料为石墨烯，优选为无缺陷石墨烯。具体的，所述石墨烯的原子结构如图11所示，其具有很高的载流子迁移率、导电性和透明度，且弹性和可弯折性能非常好，有利于电子的传输与柔性底发光型OLED显示器件的制备。

具体的，所述栅极绝缘层30的材料为六方氮化硼(h-BN)。优选的，所述栅极绝缘层30为两层单原子层的六方氮化硼薄膜。

具体的，所述六方氮化硼的原子结构如图12所示，采用六方氮化硼制备的绝缘层具有非常平整和光滑的表面，表面缺陷态密度很少，介电击穿强度很高，已经被证实为是石墨烯基电子器件理想的绝缘层，将石墨烯材料制备的栅极20与六方氮化硼材料制备的栅极绝缘层30共同使用，可以获得较好的电学性能，并且由于石墨烯与六方氮化硼均为二维原子层结构材料，相比于基于金属电极和无机材料绝缘层的有机薄膜晶体管，本发明的有机薄膜晶体管可以获得更好的弯折性能，可用于制备基于有机薄膜晶体管的柔性OLED显示设备，增大有机薄膜晶体管在柔性OLED显示领域应用的潜能。

具体的，所述源极40的材料为碳纳米管，优选的，所述源极40包括稀疏排列的多个单壁碳纳米管，所述稀疏排列定义为多个单壁碳纳米管之间具有缝隙的排列方式。具体的，所述稀疏排列的单壁碳纳米管结构一方面可以起到导电的作用，另一方面其稀疏的网状结构不会完全屏蔽栅极电场线。

优选的，所述有机半导体层50的材料为P型有机半导体材料，所述P型有机半导体材料具有较高的载流子迁移率，能够提升有机薄膜晶体管的开态电流。具体的，所述P型有机半导体材料包括烷基取代的聚噻吩、噻吩及其衍生物、并五苯、酚箐类化合物、苝、及红荧烯中的一种或多种。

具体的，所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21在同一蒸镀制程中形成，从而材料相同。

具体的，所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21的材料为金属。优选的，所述漏极60、源极接触电极41、及栅极接触电极21的材料为金(Au)。

具体的，所述栅极接触电极21用于实现栅极20与相关联信号线路(如扫描线)之间的连接。所述源极接触电极41用于接地，从而实现所述源极40接地。

具体的，本发明的柔性垂直沟道有机薄膜晶体管的工作原理是：利用碳纳米管材料制备的源极40与有机半导体层50之间形成肖特基接触的特性，在工作过程中，通过调控施加于栅极20上的电压来调节源极40与有机半导体层50之间的肖特基势垒的大小，进而达到控制薄膜晶体管开关性能的目的，以有机半导体层50采用P型有机半导体材料制作为例：

在栅极20上施加负电压(栅源电压Vgs<0)时，由于源极40包括稀疏排列的多个单壁碳纳米管，因此不会完全屏蔽栅极电场线，栅极电场线可以穿过源极40，降低源极40与有机半导体层50之间的肖特基势垒，使得源极40向有机半导体层50中注入的空穴数目增加，形成从源极40流向有机半导体层50的正向电流(开态电流/源漏电流)，薄膜晶体管视为打开状态，并且，随着在栅极20上施加的负电压(栅源电压)的绝对值越大，肖特基势垒降低越多，正向电流(开态电流/源漏电流)越大；

在栅极20上施加正电压(栅源电压Vgs＞0)时，栅极电场线同样可以穿过源极40，增加源极40与有机半导体层50之间的肖特基势垒，有机半导体层50中的空穴需要越过很高的势垒才能注入到源极40中，因此从有机半导体层50流向源极40的反向电流非常非常小，薄膜晶体管视为关闭状态。

进一步的，如图10所示，所述柔性垂直沟道有机薄膜晶体管80还可以包括设于所述有机半导体层50与漏极60上的OLED显示单元90，所述OLED显示单元90包括在所述有机半导体层50与漏极60上从下到上依次层叠设置的空穴注入层91、有机发光层92、电子注入层93、及阴极94等结构层，所述漏极60直接充当OLED阳极，通过将OLED显示单元90原位集成在所述有机半导体层50与漏极60上制得一体化的垂直沟道型有机发光二极管，与传统的有机发光二极管相比，不需要在TFT上制备像素定义层与OLED阳极，大大降低了传统OLED有源矩阵的制备成本，提高OLED发光器件的像素开口率。

上述柔性垂直沟道有机薄膜晶体管，通过采用垂直沟道构型获得较高的开态电流，有利于在低电压下驱动OLED像素发光，且不需要采用高分辨率的曝光技术，节约生产成本；采用石墨烯材料制备的栅极20与采用六方氮化硼材料制备的栅极绝缘层30共同使用，保证了薄膜晶体管具有良好的电学性能与弯折性能，有利于原位制备柔性OLED发光器件。

综上所述，本发明提供一种柔性垂直沟道有机薄膜晶体管及其制作方法，改变了传统的平面沟道有机薄膜晶体管的构型，使用垂直沟道构型极大的缩短了沟道长度，使得薄膜晶体管可以在较低的驱动电压下获得较大的源漏电流，有利于在低电压下驱动OLED像素发光，且不需要采用高分辨率的曝光技术，节约生产成本；使用无缺陷、具有高导电性及高透明度的石墨烯材料制备栅极，使得薄膜晶体管的电学性能更好；使用六方氮化硼材料制备栅极绝缘层，与石墨烯材料制备的栅极共同作用，提高了薄膜晶体管的电学性能，并且由于石墨烯材料与六方氮化硼材料均为弯折性能较好的二维原子层结构材料，同时沟道层采用具有柔性的有机半导体材料，使得整个有机薄膜晶体管的弯折性能得到大幅度提高，有利于有机薄膜晶体管在柔性OLED显示屏中的应用。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。