CN1877863A - 具有多层电极的有机薄膜晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有多层源极和漏极的薄膜晶体管(TFT)。源极和漏极每一个都包含第一导电材料的第一层和导电聚合物的第二层，所述导电聚合物的功函与半导体层的相同或相似。第二层与半导体层相接触。

Description

具有多层电极的有机薄膜晶体管
美国政府享有本发明的已付许可(paid-up license)以及在有限情况下要求专利权人依据NIST合同70NANBOH3033号的条款所规定的合理条款许可他人的权利。
技术领域
本发明在各个实施方案中涉及多层电极和包括所述多层电极的薄膜晶体管(TFT)。
背景技术
在现代电子器件，比如传感器、成像器件和显示器件中，TFT是基础组件。对于一些应用，尤其是对于大面积电子器件，比如开关速度高并不重要的显示器(例如有源矩阵液晶监视器或电视)用背板开关线路而言，采用目前主流硅技术的TFT线路可能成本太高。硅基TFT线路的高成本主要源于资本密集型硅生产以及在制备这些线路所需的严格受控环境下的复杂高温、高真空光刻制备工艺。由于采用常规光刻工艺制备硅基TFT线路的成本和复杂性，人们对有机TFT(OTFT)的兴趣与日俱增。有机材料不仅仅提供了采用低成本的溶液或液体生产技术的可能性，而且还提供了有吸引力的机械性质，比如在物理方面的致密、轻质和挠性。
OTFT通常由位于衬底上的导电栅极、源极和漏极、将栅极与源极和漏极分隔开的电绝缘栅介电层、以及与栅介电层接触并且将源极和漏极桥接的半导体层组成。用于制备源极和漏极的材料对OTFT的性能有影响。该材料的功函在p型半导体的情况下应该与半导体的最高占据分子轨道(HOMO)相同或者非常接近，在n型半导体的情况下应该与半导体的最低未占据分子轨道(LUMO)相同或者非常接近，以便电荷注入和提取时没有能垒。能垒可以通过测量电极和半导体之间的电阻推算出来。为了获得最优化运行，要求接触电阻低或者没有。如果接触电阻高，那么为了注入和提取电荷载体，在电极处需要高的电场强度。
已经测试了多种用于源极和漏极的材料。导电聚合物与有机半导体在机械上和电学上相容，通常形成电阻性接触，因而没有接触电阻或者有低的接触电阻。但是，它们通常具有低电导率；例如，掺杂有PSS的市售PEDOT的电导率为10-1西门子每厘米(S/cm)。贵金属比如金和铂具有高导电性以及与半导体层相容的功函。但是，这些金属也非常昂贵，并不适于低成本的大面积器件。其它金属，比如铜和铝，比较便宜，但是其功函与大多数p型有机半导体的HOMO能级都不匹配。因此，当这些金属用作p型半导体的源极和漏极时，OTFT通常显示出高的接触电阻，并由此性能很差。
发明内容
本发明通过各种示例性实施方案涉及TFT。该TFT包括衬底、栅极、源极、漏极、介电层和半导体层。源极和漏极包括第一和第二层，而源极第二层与半导体层直接接触。
在本发明的其它实施方案中，TFT是有机TFT，其中半导体层是有机半导体层。
另外，本发明提供了新型器件和结构，以在源极和漏极的电学要求与用于低成本大面积器件的经济性材料之间获得平衡。公开了可用于OTFT中的具有多层结构的电极。多层结构包括至少第一层和第二层，所述第一层包含具有高电导率的材料，所述第二层包含功函与半导体层的能级相同或相似的材料。第二层位于第一层和半导体层之间。
在本发明的其它实施方案中，第一层是构成电极芯的金属。第二层是覆盖所述芯的表面并与半导体层接触的有机导电聚合物。所述金属提供高电导率，而所述有机导电聚合物提供与半导体层的电相容性。
在本发明的又一实施方案中，提供了具有多层源极和漏极的OTFT。源极和漏极的每一个包括第一导电材料的第一层和导电聚合物的第二层，所述导电聚合物的功函与有机半导体层的相同或相似。第二层和有机半导体层相接触。
下面将更具体公开本发明的这些和其它非限制性特征。
附图说明
下面简要描述了附图，这些附图用于举例说明本文公开的示例性实施方案，并不拟限制本发明。
图1代表本发明的TFT的第一实施方案。
图2代表本发明的TFT的第二实施方案。
图3代表本发明的TFT的第三实施方案。
图4代表本发明的TFT的第四实施方案。
图5代表本发明的TFT的第五实施方案。
具体实施方式
本发明描述了薄膜晶体管，包括：
源极；
漏极；和
半导体层；
其中所述源极包括源极第一层和源极第二层；
其中所述漏极包括漏极第一层和漏极第二层；和
其中所述源极第二层直接与所述半导体层接触。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层独立地是金属。
在实施方案中，源极第二层和漏极第二层独立地是导电聚合物。
在实施方案中，导电聚合物选自聚苯胺、聚吡咯、PSS-PEDOT、其衍生物和其混合物。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层两者是相同的金属；而且其中源极第二层和漏极第二层两者是相同的导电聚合物。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层独立选自铂、金、银、镍、铬、铜、铁、锡、锑、铅、钽、铟、钯、碲、铼、铱、铝、钌、锗、钼、钨、氧化锡-锑、氧化铟锡、氟掺杂氧化锌、锌、碳、石墨、玻璃碳、银膏、碳膏、锂、铍、钠、镁、钾、钙、钪、钛、锰、锆、镓、铌、钠、钠-钾合金、镁和锂。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层独立地选自铝、铜、银、镍、铬、铁、锡、锑、铅、钽、铟、钨、氧化锡-锑、氧化铟锡、氟掺杂氧化锌、锌、碳、石墨、银膏和碳膏。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层每个都具有约10纳米-约1000纳米的厚度。
在实施方案中，源极第二层和漏极第二层每个都具有高达约3000纳米的厚度。
在实施方案中，源极第二层和漏极第二层每个都具有约50纳米-约1000纳米的厚度。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层每个都具有大于10S/cm的电导率。
在实施方案中，源极第二层和漏极第二层每个都具有大于10-4S/cm的电导率。
在实施方案中，有机半导体层和源极第二层之间的功函差小于1.0eV。
在实施方案中，有机半导体层和源极第二层之间的功函差小于0.5eV。
在实施方案中，源极第一层、漏极第一层、源极第二层和漏极第二层都具有导电性。
在实施方案中，半导体是p型半导体。
本发明还描述了有机薄膜晶体管，包括：
源极；
漏极；和
有机半导体层；
其中所述源极包括源极第一层和源极第二层；
其中所述漏极包括漏极第一层和漏极第二层；
其中源极第一层和漏极第一层两者都独立地选自铜、银、铬、铝、氧化锡-锑、氧化铟锡、银膏、碳膏和其混合物；
其中所述源极第二层和漏极第二层两者都是导电聚合物；和
其中所述源极第二层直接与所述有机半导体层接触。
在实施方案中，源极第一层和漏极第一层两者都是铜，源极第二层和漏极第二层两者都是PSS-PEDOT，有机半导体是聚噻吩。
本发明进一步描述了制备多层电极的方法，包括：
选择表面和金属使得所述金属的表面能比所述表面的更高；
在所述表面上沉积所述金属以形成第一电极层；
在已有第一电极层的表面上涂覆导电聚合物的水分散体，以在所述第一电极层上形成第二电极层；
任选地干燥所述第一和第二电极层以形成多层电极。
在实施方案中，涂覆步骤通过旋涂或浸涂来进行。
本发明进一步描述了通过上述方法制备的多层电极。
本发明描述了具有多层源极和漏极的TFT。每个源极和漏极包括第一层和第二层，所述第一层包括第一导电材料，所述第二层包括导电聚合物。在实施方案中，源极第一层可以与漏极第一层相同或者不同。源极第二层可以和漏极第二层相同或者不同。在实施方案中，源极第二层与OTFT的半导体层接触。优选，源极第二层的功函与半导体层的HOMO或者LUMO能级相同或者相似，具体取决于它分别是p型半导体还是n型半导体。
通过参考附图，可以更全面地理解本发明公开的组件、方法和装置。这些图仅仅是出于方便以及验证本发明的容易性而给出的示意性表述，所以，并不拟说明其器件或组件的相关尺寸和维度，和/或限定或限制示例性实施方案的范围。
虽然为了清楚起见在下面描述中采用了具体术语，但是这些术语旨在仅仅涉及经选择用于在图中举例说明的实施方案的特殊结构，并不拟限定或限制本发明的范围。在附图和下面的描述中，应该理解相似的附图标记是指具有相似功能的组件。
图1示出了本发明的TFT构造。TFT10包括与栅极12以及介电层16相接触的衬底14。虽然在此处栅极12被绘制在衬底14内部，但是并不要求如此；关键是介电层16将栅极12与源极18、漏极20以及半导体层30分隔开。源极18包括与介电层16接触的第一层26以及与半导体层30接触的第二层28。漏极20还包括与介电层16接触的第一层22以及与半导体层30接触的第二层24。半导体层30位于源极18和漏极20之上和之间。
图2示出了本发明的另一TFT构造。TFT40包括与栅极42以及介电层46相接触的衬底44。半导体层48位于介电层46的顶部并将其与源极50和漏极52分开。源极50包括第一层58和第二层60。漏极52也包括第一层54和第二层56。注意，仅仅源极50和漏极52的第二层60和56接触半导体层48。
图3示出了本发明的另一TFT构造。TFT70包括衬底72，衬底72也充当栅极并与介电层74接触。半导体层76位于介电层74的顶部并将其与源极78以及漏极80分开。源极78包括第一层86和第二层88。漏极80也包括第一层82和第二层84。注意，仅仅源极78和漏极80的第二层88和84接触半导体层76。
图4示出了本发明的另一TFT构造。TFT100包括衬底102，衬底102与源极104、漏极106以及半导体层116相接触。源极104包括与衬底102接触的第一层112以及与半导体层116接触的第二层114。漏极106也包括与衬底102接触的第一层108以及与半导体层116接触的第二层110。半导体层116位于源极104和漏极106之上和之间。介电层118位于半导体层116顶部。栅极120位于介电层118顶部，并且不与半导体层116接触。
图5示出了本发明的另一TFT构造。TFT122包括衬底124，衬底124与栅极126以及介电层128相接触。在介电层128顶部是包括第一层132和第二层134的源极130以及包括第一层140和第二层142的漏极136。半导体148将源极和漏极桥接。
衬底可以由包括但不限于硅、玻璃板、塑料膜或片的材料构成。对于结构性挠性器件而言，可以优选塑料衬底，例如聚酯、聚碳酸酯和聚酰亚胺片材等。衬底厚度可以为约10微米到大于10毫米，示例性厚度(尤其对于柔性塑料衬底而言)是约50-约100微米，对于刚性衬底比如玻璃或硅而言是约1-约10毫米。
栅极由导电材料构成。它可以是薄金属膜、导电聚合物膜、由导电油墨或糊剂制成的导电膜、或者衬底本身，例如重度掺杂的硅。栅极材料的例子包括但不限于铝、金、铬、氧化铟锡、导电聚合物比如聚苯乙烯磺酸酯掺杂的聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)(PSS-PEDOT)、和包含碳黑/石墨的导电油墨/糊剂。栅极可以通过真空蒸镀、金属或导电金属氧化物的溅射、常规光刻和蚀刻、化学气相沉积、旋涂、流延或印刷、或者其它沉积方法制备。对于金属膜而言，栅极厚度为例如约10-约200纳米，对于导电聚合物而言是约1-约10微米。
介电层通常可以是无机材料膜或有机聚合物膜。适于用作介电层的无机材料的例子包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、钛酸钡和钛酸锆钡等。合适有机聚合物的例子包括聚酯、聚碳酸酯、聚(乙烯基苯酚)、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸酯)和环氧树脂等。介电层的厚度取决于所用材料的介电常数，并且可以是例如约5纳米-约5000纳米，包括约100-约1000纳米。介电层的电导率可以是例如小于约10-12西门子每厘米(S/cm)。介电层采用本领域公知的方法，包括在制备栅极时所描述的那些方法来制备。
半导体层通常是有机半导体材料。有机半导体的例子包括但不限于并苯，比如蒽、并四苯、并五苯和取代的并五苯、苝、富勒烯、低聚噻吩、聚噻吩和其取代的衍生物、聚吡咯、聚对亚苯基、聚对苯基亚乙烯基、萘二甲酸二酐、萘二酰亚胺、聚萘、酞菁如铜酞菁或者锌酞菁和其取代衍生物。半导体层厚度为约5纳米-约1000纳米，包括约20-约100纳米。在某些构造中，比如图1和5所示的构造中，半导体层完全覆盖源极和漏极。半导体层可以通过分子束沉积、真空蒸镀、升华、旋涂、浸涂和本领域公知的其它常规方法，包括在制备栅极时所述的那些方法制备。在其它实施方案中，半导体是无机半导体，比如ZnO、ZnS、和硅纳米线等。
就电性能特征而言，有机半导体通常电导率为10-8-10-4S/cm。也可以加入本领域公知的各种掺杂剂来改变电导率。有机半导体可以是p型或者n型半导体。在实施方案中，半导体是p型半导体。
源极和漏极由第一层和第二层组成，所述第一层包括第一导电材料，所述第二层包括导电聚合物。第一导电材料的电导率是例如大于0.1S/cm，大于1S/cm，大于10S/cm，大于1000S/cm，或者大于10000S/cm。第二层中的导电聚合物的电导率例如大于10-4S/cm，大于10-2S/cm，大于0.1S/cm，或者大于10S/cm。在实施方案中，电极的第一层通常提供高的电导率，而电极的第二层与半导体层的能级相匹配。电极第二层中的导电聚合物的功函应该与半导体层的HOMO或LUMO能级相同或者非常相近，具体取决于分别是p型半导体还是n型半导体。对于大多数p型半导体而言，优选功函大于4.8电子伏特(eV)的导电聚合物。半导体层和电极第二层的导电聚合物之间的功函差小于例如1.0eV，小于例如0.5eV，或者小于例如0.2eV。
原则上，任何导电材料都适于作为源极或者漏极的第一层。在实施方案中，第一导电材料通常选自但不限于铂、金、银、镍、铬、铜、铁、锡、锑、铅、钽、铟、钯、碲、铼、铱、铝、钌、锗、钼、钨、氧化锡-锑、氧化铟锡、氟掺杂氧化锌、锌、碳、石墨、玻璃碳、银膏、碳膏、锂、铍、钠、镁、钾、钙、钪、钛、锰、锆、镓、铌、钠、钠-钾合金、镁和锂。在其它实施方案中，采用更便宜的金属，它们是银、镍、铬、铜、铁、锡、锑、铅、钽、铟、铝、钨、氧化锡-锑、氧化铟锡、氟掺杂氧化锌、锌、碳、石墨、银膏和碳膏。第一层的厚度可以是约10纳米-1000纳米，包括约50-约500纳米，并可以通过本领域公知的任何沉积方法，包括在制备栅极时描述的那些方法制备。
在源极或漏极的第二层中，可以采用任何导电聚合物。在其它实施方案中，导电聚合物是聚苯胺、聚吡咯、PSS-PEDOT、或者它们的衍生物或混合物。这些聚合物也可以进行掺杂以改善自身的电导率。一般而言，它们的电导率大于10-3S/cm。第二层的厚度可以是从单层分子到约3000纳米，包括约10-约1000纳米，并可以通过本领域公知的任何沉积方法，包括在制备栅极时描述的那些方法制备。
源极和漏极两者的第一层优选由相同材料构成，第二层也是如此。例如，源极和漏极两者的第一层所选用的材料是铜，而两个电极的第二层所选用的材料是PSS-PEDOT。但是，本发明还考虑了每个电极的两层材料独立进行选择；例如，源极的第一层是铜，源极的第二层是PSS-PEDOT层，漏极的第一层是铝，漏极的第二层是聚苯胺层。
在实施方案中，第一层构成电极的芯。在另一实施方案中，第二层覆盖该芯除了其一个面以外的所有部分，并将该第一层与半导体层分离。该芯的剩余面可以与TFT的另一组件接触。例如，第一层的剩余面在图1中与介电层接触，在图4中与衬底接触。但是，所述剩余面并不需要与TFT的另一元件接触。例如，在图2和3中，就没有接触。在其它实施方案中，第二层仅仅覆盖第一层的部分，而且电极的第一层和第二层都与半导体层接触。例如，在图5中就是如此。
在有些实施方案中，基于电极第一层和电极的所述第一层沉积在其上的表面之间的表面能差，第二层被沉积在第一层上。例如，选择第一层的材料使其具有高表面能，而电极的所述第一层沉积在其上的表面或者化学改性表面经选择具有低表面能。这样使得导电聚合物第二层可以沉积，例如通过水基分散体。由于表面能的差异，第二层仅仅固定在第一层上，而不固定到所述表面能低的表面或者化学改性表面上。沉积可以例如通过浸涂和旋涂进行。在其它优选实施方案中，第二层通过导电聚合物的单体的原位电化学聚合沉积到第一层上。源极和/或漏极的第一层在所述电化学聚合中充当电极。通过将具有所述第一层的衬底浸没到含有导电聚合物单体的溶液中并施加电压在第一层上形成聚合物。
OTFT的各个组件可以以任何次序沉积到衬底上。但是，一般而言，栅极和半导体层应该都与介电层接触。另外，源极和漏极应该都与半导体层接触，具体而言，电极的第二层应该与半导体层接触。
下面的实施例为了进一步举例说明本发明的具有多层电极的OTFT。这些例子仅仅是示例性的，并不拟将根据本发明制备的器件限制到其中给出的材料、条件或工艺参数上。所有份数都是体积百分比，除非另有说明。
实施例
实施例1
构建具有图1所示构造的底接触型薄膜晶体管。它包括n型掺杂硅晶片，在该晶片上具有热法生长的、厚度约110纳米的氧化硅层。晶片充当栅极。氧化硅层充当介电层，其电容经电容计测量为约30纳法拉每平方厘米(nF/cm2)。硅晶片先用异丙醇清洗，空气干燥，然后浸没到60℃的辛基三氯硅烷(OTS8)在甲苯中的0.1M溶液中20分钟。晶片随后用甲苯和异丙醇清洗并干燥。在该氧化硅介电层顶部，通过具有不同沟道长度和宽度的阴影掩模真空沉积上厚度约60nm的铜层，以形成源极和漏极的第一层。测量前进水接触角，以对OTS8改性衬底和源极及漏极的第一铜层的表面能进行评价。观察到OTS8改性衬底上的水接触角是98±2°，表明是疏水性表面而且表面能低。另一方面，观察到第一铜层上的水接触角是50±2°，表明是亲水性表面而且表面能高。将具有铜第一层的衬底浸入0.2重量％PPS-PEDOT的水分散体中，缓慢去除，干燥。由于铜和OTS8改性氧化硅之间的表面能差，仅仅在第一铜层上涂覆了约10-20纳米的PSS-PEDOT薄层，以形成多层源极和漏极。采用下面的聚噻吩制备半导体层：
Figure A20061008878900121
其中n是约5-约5000的数。在本实施例中，相对于聚苯乙烯标准，该聚合物的Mw是22900，Mn是17300。在美国专利申请公开2003/0160230中描述了这种聚噻吩和其制备，在此全部引入作为参考。通过以1000rpm的速度旋涂聚噻吩在二氯苯中的溶液约100-约120秒，并在真空中于80℃干燥约2-约10小时，在器件顶部沉积约30纳米厚的半导体聚噻吩层。然后，将半导体层加热到约130℃-约140℃，保持约10分钟-约30分钟。
采用Keithley 4200SCS半导体表征***对该器件进行表征。通过测量其输出和传输曲线，对沟道长度为60或190微米、沟道宽度为1000或5000微米的薄膜晶体管进行了表征。具有多层源触点和漏触点的器件在约0伏特开启，具有良好的饱和度，提供0.05cm2/V.s的场效应迁移率和10-5-10-6的电流开/关比。在输出曲线上没有观察到接触电阻。
对比例1
在本对比例中，采用与实施例1相同的程序制备器件，除了在源极和漏极中没有采用第二层以外。将沟道长度为60或90微米、沟道宽度为1000或5000微米的薄膜晶体管用于评价。所述仅仅采用铜层作为源极和漏极的器件没有显示出任何器件性能。它甚至在栅电压为-60V时，也不能开启。这是由于铜电极和半导体层之间的接触电阻高。
尽管已经描述了具体的实施方案，但是对于申请人或本领域其它技术人员而言可能出现目前没有预见或者不可预见的替代方案、修改、变体、改进和基本等同物。因此，所附权利要求的当前提交版本以及可能的修改版本旨在包括所有这些替换方案、修改、变体、改进和基本等同物。

Claims (10)

1、薄膜晶体管，包括：
源极；
漏极；和
半导体层；
其中所述源极包括源极第一层和源极第二层；
其中所述漏极包括漏极第一层和漏极第二层；和
其中所述源极第二层直接与所述半导体层接触。
2、权利要求1的薄膜晶体管，其中所述源极第一层和漏极第一层独立地是金属。
3、权利要求1的薄膜晶体管，其中所述源极第二层和漏极第二层独立地是导电聚合物。
4、权利要求3的薄膜晶体管，其中所述导电聚合物选自聚苯胺、聚吡咯、PSS-PEDOT、其衍生物和其混合物。
5、权利要求1的薄膜晶体管，其中源极第一层和漏极第一层两者是相同的金属；而且其中源极第二层和漏极第二层两者是相同的导电聚合物。
6、权利要求1的薄膜晶体管，其中所述源极第一层和漏极第一层独立地选自铂、金、银、镍、铬、铜、铁、锡、锑、铅、钽、铟、钯、碲、铼、铱、铝、钌、锗、钼、钨、氧化锡-锑、氧化铟锡、氟掺杂氧化锌、锌、碳、石墨、玻璃碳、银膏、碳膏、锂、铍、钠、镁、钾、钙、钪、钛、锰、锆、镓、铌、钠、钠-钾合金、镁和锂。
7、有机薄膜晶体管，包括：
源极；
漏极；和
有机半导体层；
其中所述源极包括源极第一层和源极第二层；
其中所述漏极包括漏极第一层和漏极第二层；
其中源极第一层和漏极第一层两者都独立选自铜、银、铬、铝、氧化锡-锑、氧化铟锡、银膏、碳膏和其混合物；
其中所述源极第二层和漏极第二层两者都是导电聚合物；和
其中所述源极第二层直接与所述有机半导体层接触。
8、制备多层电极的方法，包括：
选择表面和金属使得金属的表面能比表面的高；
在所述表面上沉积所述金属以形成第一电极层；
在已有第一电极层的表面上涂覆导电聚合物的水分散体，以在所述第一电极层上形成第二电极层；
任选地干燥所述第一和第二电极层以形成多层电极。
9、权利要求8的方法，其中所述涂覆步骤通过旋涂或浸涂进行。
10、由权利要求8的方法制备的多层电极。
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