TWI463715B - 垂直式有機薄膜電晶體及其製作方法 - Google Patents
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- Thin Film Transistor (AREA)
Description
本發明係有關於一種電晶體及其製作方法，特別有關於一種垂直式有機薄膜電晶體及其製作方法。
業界通常是採用平面式電晶體(planar transistor)作為基本的電路元件。一般來說，所謂的平面式電晶體乃是指電晶體的閘極通道(gate channel)與基板的表面兩者平行，且電晶體的汲極/源極區域分別設置在該閘極通道兩端。
平面式電晶體具有易與電路整合之優點，因而被廣泛地運用於積體電路之製造。然而，平面式電晶體會佔據較多的基板表面區域，使得積體電路的積集度無法提升。此外，在液晶顯示器領域中，隨著畫面日益精細，其單一畫素之面積也越來越小，致使現有的平面式薄膜電晶體所佔畫素面積之比例越來越大，此則，
造成了開口率下降，對比不高的問題。
因此，為了克服平面式電晶體的面積限制，有人提出了垂直式電晶體。然而，製造垂直式電晶體的方法因為其需複雜的多道曝光顯影製程，因此並不適合量產。
另一方面，顯示器朝著更輕、更薄、可撓曲的目標發展，對於基板的依存度較低的有機薄膜電晶體(Organic Thin Film Transistor,OTFT)已被開發出來，其最大優點在於元件可以在低溫(<200℃)下製作，可適用於塑膠基板，並且在面板彎曲時電晶體元件特性仍能維持。
藉此，有人提出了垂直式有機薄膜電晶體來克服上述問題。然而，垂直式有機薄膜電晶體於製作上困難度較高。一般而言，利用傳統的半導體製程來製作垂直結構的元件，需要進行多道成膜製程及圖案化製程，因此需要製作多面光罩。因此不但在製程上製作較為複雜，也會使製造成本上升。而且，經過微影蝕刻製程之後的有機半導體特性均有所破壞，而使得經由此法所製作之垂直結構之有機薄膜電晶體無法得到良好的元件特性。
Fujimoto Kiyoshi等人於文獻中Advanced Materials,19,525,2007提出利用聚苯乙烯(polystyrene,PS)奈米球體本身互斥的特性，並配合基板的靜電控制製作出垂直式有機薄膜電晶體。然而，以靜電方式控制聚苯乙烯球體在基板上的位置穩定性不佳，因此對應該聚苯乙烯球體之位置的垂直通道的位置亦無法精準控制。此外，其利用鋁當作閘極金屬，並以鋁自然形成的氧化層(氧化鋁Al2
O3
)作為絕緣層，並以該絕緣層與有機半導體層的接觸介面形成空乏層(depletion layer)。然而，氧化層的厚度非常薄，因此施加於其上的電壓不能太大，以免造成該垂直式有機薄膜電晶體的損壞。再者，一般來說，由於有機薄膜電晶體的導電性較一般無機薄膜電晶體來的差，因此需使用導電性較佳的金屬作為電極，而該文獻中使用鋁作為閘極電極將造成所製成的垂直式有機薄膜電晶體的電氣特性不佳。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種垂直式有機薄膜電晶體，其可採用導電性良好之金屬作為閘極電極，並設置一預定厚度之絕緣層於其上以解決耐壓及電氣特性不佳的問題。
本發明之另一目的在於提供一種製作上述垂直式有機薄膜電晶體之方法，其利用軟印刷成型(micro contact)技術，克服了傳統需要多道光罩製程的高昂成本問題。
為達上述之目的，本發明較佳實施例之垂直式有機薄膜電晶體包含一基板、一源極層、一第一圖案化絕緣層、一圖案化閘極層、一第二圖案化絕緣層、一有機半導體層及一汲極層。
該源極層設置於該基板表面。該第一圖案化絕緣層設置於源極層上，並暴露出該源極層之一局部表面。該圖案化閘極層對應設置於該第一圖案化絕緣層上。該第二圖案化絕緣層具有一預定厚度，該第二圖案化絕緣層覆蓋於該圖案化閘極層及該第一圖案化絕緣層，並暴露出該局部表面。該有機半導體層覆蓋於該第二圖案化絕緣層及該局部表面。該汲極層設置於該有機半導體層上，其中該有機半導體層作為該源極層和汲極層之間的一垂直通道。
於一較佳實施例中，該第二圖案化絕緣層之預定厚度介於10奈米至2微米之間，且該第二圖案化絕緣層為一無機絕緣層，例如為氮化矽。另外，該第一圖案化絕緣層為一有機絕緣層，其材料為聚醯亞胺。
為達成另一目的，本發明提供一種垂直式有機薄膜電晶體之製作方法，其包括下列步驟：利用一第一膜仁在一基板上壓印出一源極層；利用一第二膜仁在該源極層上壓印出一第一圖案化絕緣層，該第一圖案化絕緣層覆蓋該源極層但暴露出該源極層之一局部表面；利用該第二膜仁在該第一圖案化絕緣層上壓印出一圖案化閘極層；利用一光罩製程形成具有一預定厚度之一第二圖案化絕緣層，該第二圖案化絕緣層覆蓋於該圖案化閘極層及該第一圖案化絕緣層，並暴露出該源極層之該局部表面；利用該第三膜仁在該第二圖案化絕緣層及該局部表面上壓印出一有機半導體層；以及利用該第三膜仁在該有機半導體層上壓印出一汲極層。
在一實施例中，壓印係以軟印刷成型(micro contact)製程實施。較佳地，該第一、第二及第三膜仁之材料係為鎳或聚二甲基矽氧烷(PDMS)。在一實施例中，該光罩製程係一掀去(lift off)法。
根據本發明之垂直式有機薄膜電晶體及其製作方法，其僅使用一道光罩製程來製作該第二圖案化絕緣層，並可控制該預定厚度來調整垂直式有機薄膜電晶體的電氣特性，藉此解決耐壓及電氣特性不佳的問題。此外，本發明之製作方法採用軟印刷成型製程，克服了傳統需要多道光罩製程的高昂成本問題。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明說明書提供不同的實施例來說明本發明不同實施方式的技術特徵。其中，實施例中的各組件的配置是為清楚說明本發明揭示的內容，並非用以限制本發明。且不同實施例中圖式標號的部分重複，是為了簡化說明，並非意指不同實施例之間的關聯性。
請參照第1圖，第1圖繪示本發明較佳實施例之垂直式有機薄膜電晶體，應注意其並非以實際比例表示。該垂直式有機薄膜電晶體100包含一基板110、一源極層120、一第一圖案化絕緣層130、一圖案化閘極層140、一第二圖案化絕緣層150、一有機半導體層160及一汲極層170。該基板110較佳為軟性基板，例如塑膠基板，其較佳材質可為聚對萘二甲酸乙酯(PEN)、乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚醚碸(PES)和聚醯亞胺(PI)。然而，本發明並不限於以軟性基板實施，一般玻璃基板亦可實施。
該源極層120設置於該基板110表面，其材質較佳為金。需注意的是，在第1圖中僅為局部表示，源極層120並非覆蓋在該基板110的全部表面。該第一圖案化絕緣層130設置於源極層120上，並暴露出該源極層120之一局部表面122。該第一圖案化絕緣層130之材質較佳為聚醯亞胺(PI)、或氟化聚合物(CYTOP)。
該圖案化閘極層140對應設置於該第一圖案化絕緣層130上，其材質較佳為金或銀等高導電率金屬，從而可增加該有機半導體的導電性。據此，該圖案化閘極層140上不易形成氧化層。
該第二圖案化絕緣層150具有一預定厚度D，該第二圖案化絕緣層150覆蓋於該圖案化閘極層140及該第一圖案化絕緣層130之側邊，並暴露出該源極層120之該局部表面122。值得注意的是，該第二圖案化絕緣層150係以一光罩製程形成(其細節詳述於後)，因此可控制其預定厚度D。該第二圖案化絕緣層150之預定厚度介於10奈米至2微米之間，且該第二圖案化絕緣層150為一無機絕緣層，例如為氮化矽(SiNX
)或氧化矽(SiO2
)。
該有機半導體層160覆蓋於該第二圖案化絕緣層150及該局部表面122，以與該源極層120接觸。較佳地，該有機半導體層160之材料為並五苯(pentacene)或銅酞菁(copper phthalocyanine,CuPc)。該汲極層170設置於有機半導體層160上，其中該有機半導體層160作為該源極層120和汲極層170之間的一垂直通道。
相較於習知技術，本發明利用光罩製程來製作該第二圖案化絕緣層150，並可控制該預定厚度D來調整垂直式有機薄膜電晶體的電氣特性。舉例來說，該圖案化閘極層140與汲極層170可視為電容器之兩平行金屬板，在兩板之間填以介質(第二圖案化絕緣層150與有機半導體層160)。則電容之大小與金屬板之面積A及介質之介電係數ε成正比，而與兩板間之距離d成反比，即C=(εA)/d。因此，本發明可控制第二圖案化絕緣層150的預定厚度D，進一步控制兩板間之距離d而改變電容值，藉此改良習知技術中僅以自然形成的氧化層(氧化鋁)作為絕緣層之厚度太薄而無法施加大電壓的缺點。
以下將詳細說明製作上述垂直式有機薄膜電晶體100之步驟。請參考第2圖，第2圖繪示本發明較佳實施例之垂直式有機薄膜電晶體之製作方法的流程圖。該方法開始於步驟S10。
請參照第3圖，第3圖繪示步驟S10之示意圖。在步驟S10中，利用一第一膜仁220在一基板110上壓印出源極層120。需注意的是，上述壓印係指以軟印刷成型(micro contact)製程實施。具體而言，該第一膜仁220先沾黏奈米金粒子125或其他適合材料，再將奈米金粒子125壓印在該基板110上，再透過此技術領域所習知的脫模離型將奈米金粒子125殘留在該基板110上。其中該第一膜仁220較佳地為鎳或軟性的聚二甲基矽氧烷(PDMS)。
請參照第4圖，第4圖繪示步驟S20之示意圖。在步驟S20中，利用一第二膜仁240在該源極層120上壓印出第一圖案化絕緣層130，該第一圖案化絕緣層130覆蓋該源極層120但暴露出該源極層120之局部表面122。同樣地，上述壓印係指一軟印刷成型(micro contact)製程。舉例而言，該第二膜仁240先沾黏聚醯亞胺(PI) 135或其他適合材料，再將聚醯亞胺135壓印在該源極層120上。其中該第二膜仁240較佳地為鎳或軟性的聚二甲基矽氧烷(PDMS)。
請參照第5圖，第5圖繪示步驟S30之示意圖。在步驟S20中，利用該第二膜仁240在該第一圖案化絕緣層130上壓印出圖案化閘極層140。需注意的是，圖案化閘極層140與第一圖案化絕緣層130之輪廓相同，因此可使用同一模仁壓印，即該第二膜仁240。同樣地，該第二膜仁240先沾黏奈米金粒子125，再將奈米金粒子125壓印在該第一圖案化絕緣層130上。
請參照第6A至6C圖，第6A至6C圖繪示步驟S40之示意圖。在步驟S40中，利用一光罩製程形成具有一預定厚度D之第二圖案化絕緣層150，該第二圖案化絕緣層150覆蓋於該圖案化閘極層140及該第一圖案化絕緣層130，並暴露出該源極層120之該局部表面122。在此較佳實施例中，該光罩製程係一掀去(lift off)法。具體來說，利用一光罩在該局部表面122形成一光阻結構152，如第6A圖所示。接著，於其上沈積一層無機絕緣層154，例如為氮化矽(SiNX
)或氧化矽(SiO2
)，如第6B圖所示。最後，再利用剝膜劑去除掉該光阻結構152及部分無機絕緣層154，而得出該第二圖案化絕緣層150，如第6C圖所示。
請參照第7圖，第7圖繪示步驟S50之示意圖。在步驟S50中，利用一第三膜仁260在該第二圖案化絕緣層150及該局部表面122上壓印出有機半導體層160。同樣地，該第三膜仁260先沾黏並五苯165或其他適合材料，再將並五苯165壓印在該第二圖案化絕緣層150及該局部表面122上。其中該第三膜仁260較佳地為鎳或軟性的聚二甲基矽氧烷(PDMS)。
請參照第8圖，第8圖繪示步驟S60之示意圖。在步驟S60中，利用該第三膜仁260在該有機半導體層160上壓印出汲極層170，最後得到此較佳實施例之垂直式有機薄膜電晶體100。需注意的是，汲極層170與有機半導體層160之輪廓相同，因此可使用同一模仁壓印，即該第三膜仁260。同樣地，該第三膜仁260先沾黏奈米金粒子125或其他適合材料，再將奈米金粒子125壓印在該有機半導體層160上。
綜上所述，根據本發明之垂直式有機薄膜電晶體及其製作方法，其僅使用一道光罩製程來製作該第二圖案化絕緣層150，並可控制該預定厚度D來調整垂直式有機薄膜電晶體的電氣特性，藉此解決耐壓及電氣特性不佳的問題。此外，本發明之製作方法採用軟印刷成型製程，克服了傳統需要多道光罩製程的高昂成本問題。
雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧垂直式有機薄膜電晶體
110‧‧‧基板
120‧‧‧源極層
122‧‧‧局部表面
125‧‧‧奈米金粒子
130‧‧‧第一圖案化絕緣層
135‧‧‧聚醯亞胺
140‧‧‧圖案化閘極層
150‧‧‧第二圖案化絕緣層
152‧‧‧光阻結構
154‧‧‧無機絕緣層
160‧‧‧有機半導體層
165‧‧‧並五苯
170‧‧‧汲極層
220‧‧‧第一膜仁
240‧‧‧第二膜仁
260‧‧‧第三膜仁
D‧‧‧預定厚度
d‧‧‧兩板之距離
第1圖繪示本發明較佳實施例之垂直式有機薄膜電晶體。
第2圖繪示本發明較佳實施例之垂直式有機薄膜電晶體之製作方法的流程圖。
第3圖繪示步驟S10之示意圖。
第4圖繪示步驟S20之示意圖。
第5圖繪示步驟S30之示意圖。
第6A至6C圖繪示步驟S40之示意圖。
第7圖繪示步驟S50之示意圖。
第8圖繪示步驟S60之示意圖。
100．．．垂直式有機薄膜電晶體
110．．．基板
120．．．源極層
122．．．局部表面
130．．．第一圖案化絕緣層
140．．．圖案化閘極層
150．．．第二圖案化絕緣層
160．．．有機半導體層
170．．．汲極層
D．．．預定厚度
d．．．兩板之距離
Claims (10)
- 一種垂直式有機薄膜電晶體，包含：一基板；一源極層，設置於該基板表面；一第一圖案化絕緣層，設置於該源極層上，並暴露出該源極層之一局部表面；一圖案化閘極層，對應設置於該第一圖案化絕緣層上；一第二圖案化絕緣層，具有一預定厚度，該第二圖案化絕緣層覆蓋於該圖案化閘極層及該第一圖案化絕緣層的一側邊，並暴露出該局部表面；一有機半導體層，覆蓋於該第二圖案化絕緣層及該局部表面；以及一汲極層，設置於該有機半導體層上，其中該有機半導體層作為該源極層和汲極層之間的一垂直通道。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直式有機薄膜電晶體，其中該第二圖案化絕緣層之預定厚度介於10奈米至2微米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直式有機薄膜電晶體，其中該第二圖案化絕緣層為一無機絕緣層。
- 如申請專利範圍第3項所述之垂直式有機薄膜電晶體，其中該無機絕緣層之材料為氮化矽或氧化矽。
- 如申請專利範圍第1項所述之垂直式有機薄膜電晶體，其 中該第一圖案化絕緣層為一有機絕緣層。
- 如申請專利範圍第3項所述之垂直式有機薄膜電晶體，其中該有機絕緣層之材料為聚醯亞胺(PI)或氟化聚合物(CYTOP)。
- 一種垂直式有機薄膜電晶體之製作方法，其包括下列步驟：利用一第一膜仁在一基板上壓印出一源極層；利用一第二膜仁在該源極層上壓印出一第一圖案化絕緣層，該第一圖案化絕緣層覆蓋該源極層但暴露出該源極層之一局部表面；利用該第二膜仁在該第一圖案化絕緣層上壓印出一圖案化閘極層；利用一光罩製程形成具有一預定厚度之一第二圖案化絕緣層，該第二圖案化絕緣層覆蓋於該圖案化閘極層及該第一圖案化絕緣層的一側邊，並暴露出該源極層之該局部表面；利用該第三膜仁在該第二圖案化絕緣層及該局部表面上壓印出一有機半導體層；以及利用該第三膜仁在該有機半導體層上壓印出一汲極層。
- 如申請專利範圍第7項所述之垂直式有機薄膜電晶體之製作方法，其中壓印係以軟印刷成型製程實施。
- 如申請專利範圍第7項所述之垂直式有機薄膜電晶體之製作方法，其中該第一、第二及第三膜仁之材料係為鎳或聚二甲基矽氧烷。
- 如申請專利範圍第7項所述之垂直式有機薄膜電晶體之 製作方法，其中該光罩製程係一掀去法。
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Patent Citations (3)
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