[发明专利]有机半导体

说明书

技术领域

本发明总体上涉及有机半导体材料，并且具体地涉及用于形成薄膜晶体管的一部分的有机半导体。

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接收和注入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。晶体管可通过将组分沉积成薄膜以形成薄膜晶体管(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)。

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

参见图4，底栅有机薄膜晶体管(OTFT)的一般结构包括沉积于基片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沉积于沟道区中以连接源极和漏极13、14。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片上并间隔开，以在其间限定沟道区。有机半导体材料层沉积于沟道区中以连接源极和漏极，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。

可在刚性或柔性基片上制造有机薄膜晶体管。刚性基片可选自玻璃或硅，柔性基片可包括薄的玻璃或塑料，如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)(PEN)、聚碳酸酯和聚酰亚胺。

有机半导体材料可通过使用合适的溶剂而变得可溶液处理。示例性的溶剂包括单烷基苯或多烷基苯，例如甲苯和二甲苯；萘满；和氯仿。优选的溶液沉积技术包括旋涂和喷墨印刷。其他溶液沉积技术包括浸涂、辊印和丝网印刷。

限定在源极和漏极之间的沟道长度可最高达500微米，但是优选该长度小于200微米，更优选小于100微米，最优选小于20微米。

栅极可选自宽范围的导电材料，例如金属(例如金)或金属化合物(例如氧化铟锡)。或者，导电聚合物可沉积为栅极。这种导电聚合物可使用例如旋涂或喷墨印刷以及上述其他溶液沉积技术从溶液沉积。

绝缘层包含介电材料，该介电材料选自具有高电阻率的绝缘材料。电介质的介电常数k典型为大约2-3，尽管具有高k值的材料是所希望的，因为OTFT可获得的电容与k成正比，并且漏极电流ID与电容成正比。因而，为了以低工作电压来获得高漏极电流，具有在沟道区内的薄电介质层的OTFT是优选的。

介电材料可以是有机的或无机的。优选的无机材料包括SiO₂、SiN_x和旋涂玻璃(SOG)。优选的有机材料一般为聚合物并且包括绝缘聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酸酯类例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氟化聚合物以及苯并环丁烷(BCB)(可从Dow Corning公司购得)。绝缘层可以由材料的混合物形成或者包括多层结构。