專利名稱：一種小線寬溝道的制備方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種有機薄膜晶體管(OTFT)溝槽的制造方法，可用于小線寬溝槽型結構的OTFT制造。
背景技術：
制造成本更低、功耗更小、速度更快的半導體器件已經成為半導體以及電子產業追求的目標之一。為實現上述目標，必須提高集成度，半導體器件的尺寸需要持續地隨著技術發展而進行縮小。傳統的晶體管制造方法主要是機械加工和金屬化工藝方法。機械加工對機床精度要求很高，晶體管線寬一般在毫米微米級。金屬化工藝制造晶體管時需要在源漏極進行離子滲透，形成電極材料，摻雜濃度難以控制，或是通過化學試劑刻蝕基板形成溝道，在晶體管線寬較小時，存在閾值電壓的漂移問題；精度一般都在微米級，難以實現較大的集成度， 生產效率低下。目前，光刻蝕和納米壓印是最常用的兩種晶體管溝道制造方法。光刻蝕法可以用 248nm的激光生產溝道寬度為250nm的晶體管，但其制備過程中需要掩膜，且工藝復雜，成本很高。納米壓印是使用一個物理模具或模板將圖案壓印入壓印介質從而將圖案轉印到基板上，具有較高的分辨率，可以生產IOOnm以下的微細結構。但納米壓印需要精度很高的模板，模板制造工藝限制了其分辨率；壓印介質與基板存在兼容性問題，壓印過程中存在介質蒸發問題；每次都要制造一個單個的光刻版，不能大面積生產，費時且效率低下；超精細分辨率及精度需要使生產成本急劇飆升。靜電紡絲法是一種簡單、經濟型制備連續長一維納米纖維的方法，如圖4所示。 Daoheng Sun 等(Near-Field Electrospinning, ΝΑΝΟ LETTERS, 6, 2006)提出近場靜電紡絲(NFES)，克服了傳統電紡絲纖維無序和不可控的缺點，實現了紡絲定位，能夠制造出直徑為50 500nm、排列有序的納米纖維。

發明內容
本發明的目的在于提出一種小線寬溝道的制備方法，利用近場靜電紡絲技術的定位技術，在基板上溝槽位置噴印一條有機水溶性材料的亞微米級纖維；待纖維固化后，在有機水溶性材料直纖維兩側分別印刷疏水性有機薄膜晶體管的源極和漏極圖案；待電極圖案固化后，將基板放入蒸餾水中，使有機水溶性材料纖維溶解入水中，形成小線寬溝道。本發明的制備工藝可減小TFT的溝道寬度，獲得溝道寬度在50nm 1 μ m的TFT，從而提高TFT 器件的性能。具有制造成本低、工藝簡單、對環境要求低、可實現亞微米甚至納米溝道寬度的特點。為實現上述目的所采用的技術方案為一種小線寬溝道的制備方法，包括如下步驟1)在有機半導體層上溝道區噴印一條有機水溶性材料的亞微米級纖維；
采用水溶性有機材料溶液作為靜電紡絲的墨液來制備纖維，其中，溶液與有機半導體層(襯底)的潤濕角約為90° ；采用近場電紡絲工藝將所述纖維定位到有機半導體層上的溝道處，所形成的纖維直徑約為50nm 1 μ m ；2)待纖維固化后，在有機水溶性材料直纖維兩側分別印刷疏水性有機薄膜晶體管的源極和漏極圖案纖維完全固化后，采用不溶于水的疏水性電極材料作為墨液在有機半導體層上印刷電極，從而在所述纖維兩側形成電子器件的源極和漏極。可采用常規印刷工藝，如電噴霧、氣噴等，由于電極墨液對纖維的非潤濕性，墨液會鋪展到纖維的兩側待疏水性電極材料固化后，如果疏水性電極材料(如納米金屬材料)形成電極需要燒結，則對上述形成的源極和漏極進行燒結。如果疏水性電極材料形成電極不需要燒結， 則直接進行下一步。3)待電極圖案固化后，將基板放入蒸餾水中，使有機水溶性材料纖維溶解入水中， 形成小線寬溝道電極墨液固化后將器件放入蒸餾水或水性溶劑中中，纖維溶于水或溶劑中，即可形成小線寬的溝道。本發明還公開了一種OTFT的制備方法，包括1)選取基底，基底材料不能溶于水或水性溶劑。2)在基底上制備OTFT的柵極，有機絕緣層和有機半導體層，柵極、有機絕緣層和有機半導體層材料都不能溶于水或水性溶劑。3)利用上述小線寬溝道的制備方法在有機半導體層上制備小溝道。本發明工藝簡單，制造成本低，它利用噴墨打印等低分辨率(微米級)工藝制備了高分辨率溝道(納米級)的電子器件，這是其它普通工藝難以實現的。此外，本發明為非接觸式工藝，能夠用來制備生物器件。


圖1為本發明工藝流程2為本發明專利制備溝道的截面3為本發明專利制備溝道的俯視平面4為近場電紡絲的結構示意圖其中，1為有機半導體層，2為有機絕緣層，3為柵極，4為有機水溶性材料纖維，5為潤濕角，6為電子漂移區，7為漏極，8為支架，9為高壓電源，10為靜電紡絲形成的纖維，11 為接收基板，12為靜電紡絲溶液，13為噴射器。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。利用本發明所述工藝方法制造的OTFT管的小線寬溝道如下第一步用有機水溶性材料如(如PVP、PEO等)配制溶液，使溶液各項參量如質量分數、粘度、表面張力、溫度等滿足靜電紡絲工藝參數，如PH值為7-9、黏度為l-4cP和表面張力為20-40mN/m，另外溶液與襯底的潤濕角最好在90°左右。以疏水性電極材料(如各種碳納米管CNT，納米金屬材料等)為溶質，選擇合適的溶劑配制溶液，溶液性能滿足OTFT 的電極的各項性能要求，同時還要滿足采用的常規印刷工藝(電噴霧、氣噴等)的要求。第二步以上述有機水溶性材料溶液為墨液，利用近場靜電紡絲的定位技術在有機半導體層的溝道區打印一條表面光滑，線寬為50nm 1 μ m的有機水溶性材料直纖維，纖維的具體線寬根據實際應用溝道寬度而定，纖維線寬的實現通過調整靜電紡絲工藝參量來完成，若溶液參量可再次調整，也可通過調整溶液參量或者兩種參量協同調整來完成。第三步待有機水溶性材料直纖維完全固化后，以疏水性電極材料溶液為墨液，利用打印工藝對準纖維進行噴印，可采用常規印刷工藝，如電噴霧、氣噴等，由于電極墨液對纖維的非潤濕性，墨液會鋪展到纖維的兩側，形成OTFT的源極和漏極。待疏水性電極材料固化后，如果疏水性電極材料(如納米金屬材料)形成電極需要燒結，則對上述形成的源極和漏極進行燒結，燒結工藝可采用常規工藝，如真空燒結，激光燒結等，燒結溫度一般在200攝氏度以下，具體溫度數值根據電極材料而定。燒結也會使部分或整個的有機水溶性材料直纖維燒掉。如果疏水性電極材料形成電極不需要燒結，則直接進行下一步。第四步將有機半導體層的器件置入蒸餾水或水性溶劑中，使有機水溶性材料溶解入水中，使源極和漏極之間形成50nm 1 μ m的小線寬溝道。以PVP為有機水溶性材料，碳納米管(CNT)為疏水性電極材料制備出的小溝道在在OTFT制備中的應用，包括如下步驟第一步，根據器件類型、工藝過程和應用環境等選取有機材料聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)作為OTFT的基底。第二步，利用常規工藝利用常規工藝如絲網印刷、納米壓印、噴印、傳印、直寫、沉積等在基底上制備OTFT的柵極。制備OTFT的柵極層，有機絕緣層和有機半導體層，柵極、 有機絕緣層和有機半導體層材料都不能溶于水或水性溶劑。第三步，以有機水溶性材料PVP為墨液，利用靜電紡絲技術在有機半導體層的溝道區打印一條表面光滑，線寬為50nm 1 μ m的PVP直纖維，要求溶液材料，與襯底(即有機半導體層)的潤濕角約為90°。第四步，待PVP纖維完全固化后，待水溶性有機材料直纖維完全固化后，以疏水性電極材料溶液為墨液，利用打印工藝對準纖維進行噴印，由于溶液對纖維的非潤濕性，墨液會分開到纖維的兩側，形成OTFT的源極和漏極，剖面結構如圖2和圖3。第五步，待CNT直纖維完全固化后，將有機半導體層的器件放入蒸餾水中，使PVP 溶解入水中，形成50nm Ιμπι的小線寬溝道，溝道制備流程如圖1所示。以PEO為有機水溶性材料，納米銀粉為疏水性電極材料制備出的小溝道在在OTFT 制備中的應用，包括如下步驟第一步，根據器件類型、工藝過程和應用環境等選取聚酰亞胺薄膜(PI)作為OTFT 的基底。第二步，利用常規工藝如絲網印刷、納米壓印、噴印、傳印、直寫等在基底上制備 OTFT的柵極，有機絕緣層和有機半導體層，基底、柵極、有機絕緣層和有機半導體層材料都不能溶于水或水性溶劑。
第三步，以有機水溶性材料PEO為墨液，利用靜電紡絲技術在有機半導體層的溝道區打印一條表面光滑，線寬為50nm 1 μ m的PEO直纖維，PEO溶液材料與襯底的潤濕角約為90°。第四步，待PEO纖維完全固化后，以直徑為20-30的納米銀溶液為墨液，利用打印工藝對準纖維進行噴印，由于溶液對纖維的非潤濕性，墨液會分開到纖維的兩側，形成OTFT 的源極和漏極。第五步，待納米銀材料固化后，對其進行激光燒結，燒結溫度為150攝氏度。可能 PEO纖維會有部分被燒掉。第六步，燒結完成后，將基板放入蒸餾水中，使PEO溶解入水中，將有機半導體層置入蒸餾水中，使水溶性有機材料直纖維溶解入水中，形成50nm Iym的小線寬溝道。
權利要求
1.一種用于有機薄膜晶體管的小線寬溝道的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)印刷纖維條在有機薄膜晶體管器件的有機半導體層的溝道區印刷一條有機水溶性材料纖維；(2)印刷電極待纖維固化后，將疏水性電極材料溶液對準纖維進行沉積，從而在纖維兩側形成電極圖案，作為有機薄膜晶體管的源極和漏極；(3)形成溝道電極圖案固化后，放入水或水性溶劑中，使所述有機水溶性材料纖維溶解，即可在有機半導體層的溝道區形成寬度與所述纖維直徑相同的溝道。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，采用水溶性有機材料溶液作為墨液，通過靜電紡絲工藝完成纖維條的印刷。
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述水溶性有機材料溶液與有機半導體層的潤濕角約為90°。
4.根據權利要求1-3之一所述的制備方法，其特征在于，所述纖維不被電極溶液潤濕。
5.根據權利要求1-4之一所述的制備方法，其特征在于，所述的有機水溶性材料為PVP 或 ΡΕ0。
6.根據權利要求1-5之一所述的制備方法，其特征在于，在步驟O)中，還包括對形成的源極和漏極進行燒結處理。
7.根據權利要求1-6之一所述的制備方法，其特征在于，所述纖維條的線寬為50nm 1 μ m0
8.根據權利要求1-7之一所述的制備方法，其特征在于，所述疏水性電極材料為碳納米管CNT或納米金屬材料。
9.一種有機薄膜晶體管(OTFT)的制備方法，包括如下過程(1)選取基底，其中基底材料不溶于水或水性溶劑；(2)在基底上制備有機薄膜晶體管(OTFT)的柵極、有機絕緣層和有機半導體層，其中， 所述柵極、有機絕緣層和有機半導體層材料都不溶于水或水性溶劑；(3)利用權利要求1-8之一所述的制備方法在所述有機半導體層上制備小線寬溝道； 通過上述過程即可制備形成有機薄膜晶體管(OTFT)。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述基底材料為聚酰亞胺薄膜(PI)或聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)。
全文摘要
本發明提供了一種用于有機薄膜晶體管的小溝道的制備方法，包括(1)在有機薄膜晶體管器件的有機半導體層的溝道區印刷一條有機水溶性材料纖維；(2)待纖維固化后，將疏水性電極材料溶液對準纖維進行沉積，從而在纖維兩側形成電極圖案，作為有機薄膜晶體管的源極和漏極；(3)電極圖案固化后，放入水或水性溶劑中，使所述有機水溶性材料纖維將溶于水，即可在有機半導體層的溝道區形成寬度與所述纖維直徑相同的溝道。本發明還提供了上述方法在制備有機薄膜晶體管(OTFT)。本發明的方法可以用來制造薄膜晶體管源極和漏極之間的小線寬溝道，可實現亞微米/納米尺度的溝道寬度，極大地提高了OTFT器件的性能。
文檔編號D01D5/00GK102222770SQ201110164570
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月17日 優先權日2011年6月17日
發明者尹周平, 易海濤, 王小梅, 黃永安 申請人:華中科技大學