專利名稱：使用共混溶液形成半導體層和絕緣層而制備底柵薄膜晶體管的改進方法
技術領域：
本發明涉及制備薄膜晶體管的方法，更具體而言，涉及用混合溶液形成半導體層和絕緣層而制備底柵薄膜晶體管的改進方法。
背景技術：
由于最近在聚合物合成和基于聚合物的器件性能上的進步，基于聚合物的電子器件成為基于無機材料的傳統器件的替代物。這些進步包括聚合物發光二極管(LED)的高發光效率和聚合物薄膜晶體管(TFT)的改進的場效應遷移率。但是，基于聚合物的電子器件的環境不穩定性仍然是商業壁壘。
氧、濕度、光、熱和其它環境參數一起會破壞聚合物材料。為了使材料的降解降到最低程度，基于聚合物的電子器件通常在嚴格控制的環境條件下制備和測試，典型地在充填了惰性氣體的“手套箱”中或真空條件下進行。在嚴格控制的環境下的大規模制備增加了制備成本，從而減少了商業化的機會。
將在制備的器件中的半導體和導電聚合物封裝起來，使其在環境中的暴露降到最低，因此也使制備后器件老化降到最小。但是，封裝聚合物層很困難，因為聚合物層和封裝采用的工藝不相容。封裝可用的許多材料采用的加工步驟涉及到可能破壞聚合物半導體的高溫或溶劑。沉積固態封裝層時采用的光也會破壞聚合物層。
因此，需要用于在電子器件中形成和封裝聚合物層的改進的非破壞性的方法。
發明內容
描述了形成底柵薄膜晶體管的方法。在本方法中，在基片的區域上形成源區和漏區，并且在源區和漏區之間還形成導電柵區，從而使基片分離導電柵區和聚合物半導體。包括設計用來形成半導體聚合物的材料和設計用來形成絕緣體的材料的共混溶液沉積在源區和漏區之間，從而使半導體聚合物在底柵晶體管的源區和漏區之間形成層。
還描述了用于制造包括多個底柵薄膜晶體管的顯示系統的中間結構，該中間結構包括基片；在基片的第一部分上形成的用于多個底柵薄膜晶體管的多個源區；在基片的第二部分上形成的用于多個漏區的多個漏區；和在位于每個源區和相應漏區之間的多個柵區上沉積的共混溶液，該共混溶液包括設計用來形成聚合物半導體和絕緣材料層的共混溶液。
還描述了包括多個底柵薄膜晶體管的顯示系統，該系統進一步包括第二絕緣導線，該導線與將第一電子器件和第二電子器件互連的絕緣導線近似平行。共混溶液沉積成線，該線的一部分覆蓋了第二絕緣導線。基片為導線的第一側面形成絕緣表面。聚合物共混溶液沉積成線，由聚合物共混溶液構成的該線的第一端耦合到第三電子器件的觸點上，由聚合物共混溶液構成的第二端耦合到第四電子器件的觸點上。第一、第二、第三和第四電子器件都是薄膜晶體管。
還描述了形成在基片上包括多個薄膜晶體管的顯示系統的方法，該方法包括如下操作在基片上沉積包括第一溶劑、第一導體和第一絕緣體的第一聚合物共混溶液，該聚合物共混溶液沉積成近似線狀，以將第一薄膜晶體管的觸點耦合到第二薄膜晶體管的觸點；等待第一聚合物共混溶液分離，以使第一導體和基片相鄰而且第一絕緣體和第一導體相鄰。
本方法還包括等待第一溶劑揮發；將包括第二溶劑、第二導體和第二絕緣體的第二聚合物共混溶液沉積成近似線狀，以使第三薄膜晶體管的觸點耦合到第四薄膜晶體管的觸點，第二聚合物共混溶液的近似線的區域和第一聚合物共混溶液的第一絕緣體相重疊。
本方法還包括等待第二聚合物共混溶液中的第二導體和第二絕緣體分離，以使在重疊區，第二導體的第一側和第一絕緣體相鄰而第二導體的第二側和第二絕緣體相鄰。
圖1顯示了底柵薄膜晶體管的一個實施例。
圖2顯示了采用處于液相的聚合物共混物形成圖1所示結構的第一步。
圖3顯示了聚合物共混物的聚結使得在半導體層上形成絕緣層。
圖4顯示了在底柵TFT中最終分離的薄膜和由聚合物絕緣體保護的最終聚合物半導體。
圖5顯示了由在空氣中的上述結構形成的TFT的傳輸特性。
圖6顯示了采用互連線的電路的頂視圖，其中互連線通過將半導體聚合物和絕緣聚合物分開而形成。
圖7顯示了兩個交叉的互連線之間的交叉區的側截面圖。
圖8顯示了包括采用共混的聚合物形成的半導體聚合物和電極觸點的二極管。
具體實施例方式
在此描述了制備和封裝聚合物電子器件的方法。本方法采用由半導體聚合物和絕緣聚合物組成的聚合物共混物。沉積后，該聚合物共混物分離，形成由絕緣聚合物封裝的聚合物半導體層。可以使用本方法的例子是形成基于聚合物的薄膜晶體管(TFT)。將提供形成這種聚合物TFT的細節。但是，使用所述封裝的半導體聚合物可以形成許多不同的器件，而所述的本發明不應限于任何一種器件。
圖1顯示了示例性底柵聚合物TFT 100的示意圖。圖示的TFT包括分布在源區108和漏區112之間的聚合物半導體層104。聚合物半導體104在基片116上形成。在此圖示中，基片是介電層116。基片在柵線110上形成。在運行中，位于柵線上的電荷控制著聚合物半導體104的導電率。因此，柵線110上的電荷控制著漏區112和源區108之間的電流流動。介電層116和柵線110共同形成基底結構124。
圖2～5顯示了采用聚合物共混溶液形成包括封裝的聚合物半導體的底柵聚合物TFT的方法。在最終結構中，從聚合物共混溶液中沉淀的封裝層保護聚合物半導體104。在一個實施方案中，聚合物共混溶液包括半導體聚合物和絕緣聚合物。此處使用的絕緣聚合物定義為對電流通道提供非常高阻抗的聚合物。絕緣聚合物和半導體聚合物共同溶解在常見溶劑中。
許多不同的聚合物可以用于半導體聚合物和絕緣聚合物。典型的半導體聚合物的例子包括諸如聚(3-烷基噻吩)(P3AT)、聚(3-正己基噻吩)(P3HT)和聚[5，5’-雙(3-十二烷基-2-噻吩基)-2，2’-并噻吩](PQT-12)的聚噻吩及諸如聚(芴-共-并噻吩)(F8T2)和聚(9，9’-二辛基芴-共-雙-N，N’-(4-丁基苯基)-雙-N，N’-苯基-1，4-苯二胺)(TFB)的聚芴。典型的溶于溶劑的絕緣聚合物的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)。在退火時變成聚合物的典型單體(此后稱作聚合物前體)的例子包括苯并環丁烯(BCB)。可以用來溶解半導體聚合物和絕緣聚合物的典型溶劑是有機溶劑，如二氯苯、二甲苯、氯仿、1，3，5-三甲基苯以及其它。一種示例性聚合物共混溶液包括PMMA和PQT-12，其中PMMA與PQT-12的比為0.1％-99.9％。
在可替換的實施方案中，其它材料可以代替聚合物絕緣體和聚合物導體。例如，絕緣體可以由前體材料形成，該前體材料在退火或固化工藝后變成絕緣體。同樣地，在退火或固化工藝后變成聚合物半導體的前體材料可以用實際溶解的聚合物代替。特別地，聚合物介電膜可以從預聚合物(也稱作聚合物前體)的沉積獲得。聚合物前體的溶液可以包含單體和低聚物，它們在熱處理時轉變成不溶性聚合物膜。通過前體(以及其它)沉積得到的介電聚合物的例子是從兩個單體，即二酐和二胺合成的聚酰亞胺。通過引入柔性橋單體、氟化單體和硅酮單體以及乙炔封端的聚酰亞胺，對二酐和二胺進行結構改性，已經合成了聚酰亞胺的一些變體。不同類的介電聚合物是從單體雙苯并環丁烯(BCB)衍生的聚苯并環丁烯(PBCB)。BCB前體的熱聚合在無氧環境下于250℃左右發生。
圖2顯示了在包括柵線206和基片208的基底結構上沉積聚合物共混溶液204。聚合物共混溶液204沉積在源區212和漏區216之間。源區212和漏區216可以用包括光刻技術、噴射沉積和本領域技術人員已知的其它技術的各種技術形成。在沉積過程中，半導體聚合物和絕緣聚合物溶在溶劑里形成均勻的液態聚合物溶液。典型地，聚合物溶液不要求加熱，并在室溫(10～50℃)時保持液態。
可以用不同技術沉積共混的聚合物溶液204。沉積技術的例子包括旋涂、逐滴流延(drop casting)、噴墨印刷和浸涂。所用的沉積方法取決于幾個因素，包括要制備的器件和聚合物溶液的粘度。例如，當噴墨印刷該聚合物溶液時，粘度典型地保持在40mPa.s以下，可以調整聚合物/溶劑的濃度以便于噴墨。當旋涂時，可以使用較高濃度和較高粘度的聚合物共混溶液，因為可以通過旋涂速度和溶劑揮發速率控制膜的形成。
沉積后但在溶劑揮發前的即刻，該聚合物共混溶液中富含溶劑，而且分子遷移速度快。溶液的這個階段通常稱作擴散和液體流動狀態。液體流動狀態的特征在于分子在共混的聚合物溶液中的分子遷移率高。半導體聚合物和絕緣體之間的相分離的第一階段就發生在液體流動狀態期間。此處所用相分離定義為溶在常見溶劑中的不同聚合物分子互相排斥并自動分離從而形成不同聚合物的不同域、相的過程。
圖3顯示了處于相分離的較后階段，即通常稱作聚結階段的聚合物共混溶液。在聚結階段，由于溶劑量變少，分子遷移率下降，但不同域仍在形成。在此階段，每個域的組成和大小一直在變化。在圖3中，共混的聚合物溶液204中的半導體聚合物304退出了該共混聚合物溶液。聚結階段的特征在于聚合物共混溶液分子的分子遷移率低。聚合物溶液構成組分的分離受到仔細控制。如下所述，多種方法可用來控制這種分離，包括仔細選擇基片、溶劑、半導體聚合物和絕緣聚合物的特性，以形成所需的結構。
形成圖3所示結構的一種方法涉及基于基片208的表面能和聚合物與基片208的相互反應來選擇基片208和聚合物溶液化合物。特別地，對基片表面能和材料進行選擇，以使半導體聚合物304和基片具有親和性，從而得到的可潤濕性條件比絕緣材料對基片的要好。在描述的實施例中，絕緣材料分離到上表面，形成雙層結構。可以代替的，可以對基片表面能和絕緣材料進行選擇，以使絕緣材料優選潤濕半導體聚合物而不是基片208。因此，通過一個聚合物對另一聚合物的以及每種聚合物對基片表面的潤濕特性，可以部分控制聚合物層的排列和形成。
不同的技術可以用來調節聚合物之間以及聚合物和基片之間的相互作用。為了調節基片和聚合物之間的相互作用，可以對基片表面能進行改性。基片表面能的改性技術包括但不限于等離子體處理、從溶液中沉積自組裝單層、氟化烴封端的硫醇或COOH封端的硫醇的沖壓。可以采用其它附著化學產生同樣的封端單層，包括基于硅烷化的單層。
控制雙層形成的第三種方法是使用材料的組合，其中選擇半導體聚合物和絕緣材料，使得這兩種聚合物在常見溶劑中有不同的溶解度。在給出的實施例中，底層材料的溶解度低于頂層材料的溶解度。在圖示的實施例中，底層材料是半導體聚合物304。絕緣聚合物308形成頂層材料。沉淀后，溶劑逐漸揮發，導致半導體聚合物304在高溶解度的絕緣聚合物之前離開溶液。當溶劑繼續揮發時，絕緣聚合物308也達到飽和而從溶液中沉淀出來，導致在半導體聚合物304上形成絕緣聚合物308。
圖4顯示了半導體聚合物404與絕緣聚合物408最終分離后的底柵TFT。在圖4中，溶劑已經揮發了。溶劑離開膜所花費的時間通常稱作轉變時間。對溶劑從聚合物共混物中的去除進行控制，以維持足夠的轉變時間從而使半導體聚合物能夠與絕緣體完全分離。為了延長處于擴散和液體流動狀態的時間，通常采用高沸點溶劑。高沸點溶劑的溶劑揮發速率低。示例性的溶劑是沸點超過60℃的有機溶劑。滿足這些特性的典型溶劑是二氯苯。典型的溶劑揮發時間是在沉積后1～6分鐘。
通過改變加工技術也可以增加轉變時間；因此，所述方法的使用不局限于高沸點溶劑。控制揮發速率的第二種方法是創建富含溶劑的氣氛，該氣氛降低了溶劑揮發速率。獲得富含溶劑的氣氛的一種方法是在與該共混溶液共同的密封環境里提供溶劑儲存池。采用富含溶劑的氣氛特別適合旋涂和逐滴流延方法。
溶劑揮發后，半導體聚合物膜304保持與介電層220的接觸。實施例圖示的結構是底柵TFT。在TFT中，半導體聚合物膜充當開關，根據施加在柵線224上的電壓控制源區212和漏區216之間的電流流動。聚合物半導體通常表現為P型半導體。在P型半導體聚合物膜中，當在柵線224上沒有施加電壓時，該半導體聚合物膜阻止電流在源區212和漏區216之間的流動。當在柵線224上施加電壓時，該P型半導體聚合物膜允許電流在源區212和漏區216之間流動。
在圖4中，絕緣聚合物408將半導體聚合物404封裝起來，通過減少在環境中的暴露使器件的降解最小化。這種封裝改善了該半導體聚合物的長期性能，并也允許在該薄膜晶體管的柵區上沉積其它的器件。
圖5顯示了圖4所示類型的TFT的近似傳輸特性。縱軸504表示漏電流，橫軸508表示柵電壓。第一條線512表示制備后立刻得到的傳輸特性，第二條線516表示制備2天后的器件特性。從中可見，類似的性能表明在2天后變化非常小，意味著絕緣聚合物通過封裝該半導體聚合物有效地將該半導體聚合物的降解降至最小。
雖然是就TFT而言作出的以上描述，但采用聚合物共混物創建封裝電路元件的絕緣層可以用于各種電子器件。封裝可以用來如前所述在環境上隔離電路元件，或者可以用來在電氣上隔離電路元件從而使電路元件能夠堆疊。例如，絕緣體可以與導電聚合物或金屬膠體分散體共混，形成雙層膜。該雙層膜包括導電層和非導電層。圖6顯示了用導電和非導電的共混物制備堆疊的互連線。在圖6中，雙層的非導電層將堆疊的互連線隔離以防止短路。在可替換的實施方案中，導體/絕緣體共混物還可以用來形成二極管的頂觸點。典型的二極管包括發光二極管、整流二極管和光電二極管。圖8顯示了采用絕緣體和導體共混物形成二極管頂觸點的例子。
在圖6所示的實施方案中，導電和絕緣聚合物的共混溶液形成電路元件之間的互連線。導線如線604和線608將電路器件，如電路器件612、616、620互連起來。在圖6所示的實施例中，電路器件612、616、620是用于顯示系統的薄膜晶體管，盡管薄膜晶體管的這種排列通常也可以用于傳感系統。
形成圖6的結構的一種方法采用液滴噴射機構，如噴墨印刷機或壓電印刷機構，以噴出共混溶液的液滴。噴射后，導體和絕緣聚合物分離。攜帶導體和絕緣體的溶劑揮發，使導體被絕緣體覆蓋。如上述半導體和絕緣共混溶液的情形，多種技術可以用來確保絕緣體覆蓋導體。這些技術包括選擇優選潤濕導體的基片，選擇優選潤濕導體的絕緣體或選擇在溶劑中的溶解度比絕緣體低的導體。
許多不同的化合物可以用作導體、絕緣聚合物和溶劑。導體材料的例子包括摻有聚苯乙烯磺酸的聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)(PEDOT/PSS)、聚苯胺(PANI)、金屬納米粒子(Au、Ag)、碳納米管。前面確定的絕緣聚合物的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(4-乙烯基苯酚)(PVP)和苯并環丁烯(BCB)。前面確定的典型的溶劑包括有機溶劑，如二氯苯、二甲苯、氯仿和1，3，5-三甲基苯以及其它。
隨著溶劑的揮發，導體形成連接電子器件的諸如線604和線608的導線。當該電子器件是顯示器的晶體管時，這些導線可以將晶體管的源區、漏區和柵區耦合到電源上，或者控制顯示器的電路上。絕緣聚合物層覆蓋并使每條導線絕緣。絕緣聚合物保護導線604和608不受環境損壞。絕緣聚合物還允許其它電子器件在導線604、608上堆疊，包括防止相互交叉的導線624、628短路或者另外干擾在線604、608里攜帶的電流。
圖7顯示了導線交叉的例子的橫截面側視圖，如圖6的交叉點650。首先沉積的導線604包括覆蓋在導電層708上的絕緣層712。絕緣層712允許電器件沉積在導線604上。在圖7的實施例中，“電器件”是另一條導線654。導線654垂直跨過導線604。
在成形過程中，攜帶絕緣層712的溶劑揮發后沉積導線654。典型地，導線654也用包括溶劑、導體和絕緣體的聚合物共混物印刷。所用的溶劑經過仔細選擇，因而不會溶解先前沉積的層，溶劑尤其不能溶解絕緣體712。典型的溶劑例子包括水基和醇基的溶劑。可以替換地，底絕緣體可以用在退火期間交聯的前體形成，以使其暴露在后續沉積的溶劑中時不會溶解。
隨著溶劑的揮發，聚合物共混物形成導電層716。溶在聚合物共混溶液中的絕緣材料在導電層上形成絕緣層720。該絕緣層密封導電層716，使其免受環境破壞，還使得后續電子器件可以沉積在導線654上。
圖8顯示了聚合物材料的導體/絕緣體共混物的另一種用途。在圖8中，共混溶液用于形成二極管的電觸點。在一個實施方案中，二極管是發光二極管。
在圖8中，第一導體804沉積在基片800上。第一導體804可以是諸如鋁或銅的金屬。半導體808沉積在第一電極804上，形成二極管的有源區。當電能注入半導體時，半導體通過面例如面808輸出光。
第二電觸點或電極812在半導體808上形成。第二電觸點在包括導電材料、絕緣材料和溶劑的聚合物共混溶液中沉積。隨著溶劑的揮發，導電材料和絕緣體分離并退出溶液。導電材料形成電極812。絕緣材料形成保護層815。通過將電極812和第一導體804耦合到電源上，半導體808可以被電激發而輸出光。
權利要求
1.形成底柵薄膜晶體管TFT的方法，包括以下操作在第一基片區上形成源區；在第二基片區上形成漏區；在源區和漏區之間沉積共混溶液，該共混溶液包括設計用來形成半導體聚合物的材料和設計用來形成絕緣體的材料，使得在沉積后，在底柵薄膜晶體管的源區和漏區之間形成聚合物半導體層。
2.用于形成底柵聚合物薄膜晶體管的結構，包括基片；在基片的第一部分上形成的源區；在基片的第二部分上形成的漏區；和在柵區上以及源區和漏區之間沉積的共混溶液，該共混溶液包括設計用來形成聚合物半導體和絕緣材料層的共混溶液。
3.用于制造包括多個底柵薄膜晶體管的顯示系統的中間結構，該中間結構包括基片；在基片的第一部分上形成的用于多個底柵薄膜晶體管的多個源區；在基片的第二部分上形成的用于多個漏區的多個漏區；和，在位于每個源區和相應漏區之間的多個柵區上沉積的共混溶液，該共混溶液包括設計用來形成聚合物半導體和絕緣材料層的共混溶液。
4.在基片上包括多個薄膜晶體管的顯示系統的形成方法，該方法包括下列操作在基片上沉積包括第一溶劑、第一導體和第一絕緣體的第一聚合物共混溶液，該聚合物共混溶液沉積成近似線狀，以將第一薄膜晶體管的觸點耦合到第二薄膜晶體管的觸點；和等待第一聚合物共混溶液分離，使得第一導體和基片相鄰而且第一絕緣體和第一導體相鄰。
全文摘要
描述了形成由絕緣聚合物層保護的半導體聚合物層的改進方法。在該方法中，用于形成半導體聚合物和絕緣聚合物的材料溶解在溶劑中。該共混溶液沉積在基片上，其中半導體聚合物和絕緣聚合物分離。隨著溶劑的揮發，半導體材料形成TFT的有源區，絕緣聚合物使該半導體聚合物在空氣中的暴露降到最低。
文檔編號G09F9/00GK1722388SQ200510079479
公開日2006年1月18日 申請日期2005年6月23日 優先權日2004年6月24日
發明者A·C·阿里亞斯 申請人:帕洛阿爾托研究中心公司