专利名称：一种有机薄膜场效应晶体管的封装方法
技术领域：
本发明涉及一种有机薄膜场效应晶体管的封装方法。
1986年，A.Tsumura et al.(A.Tsumura，H.Koezuka，and T.ando，Appl.Phys.Lett.，49(18)，1210，1986)首次用聚噻吩作为半导体材料制备得到有机薄膜场效应晶体管(Organic Thin-Film Field-Effect Transistors，以下简称OTFFETs)，自此以后有机晶体管技术得到不断的发展。1997年，Y.Y.Lin et al.(Y.Y.Lin，D.J.Gundlach，S.F.Nelson et al.，IEEE Electron Device Letters，18(12)，606，1997)制备得到了空穴载流子迁移率高于1.7cm2/V·s的OTFFETs，这样的性能完全可以与现在使用的无定型硅晶体管相媲美，而且在制造成本、制备工艺条件上远远胜于无定型硅晶体管，从此，打开了OTFFETs工业化应用的道路。
研究表明，当有机半导体器件(包括有机发光二极管和OTFFETs)放置在空气中时，它们的性能很容易衰减。当OTFFETs的有机半导体层处于与空气直接接触的情况下(包括如附
图1a源漏在顶的结构和附图1b源漏在底的结构)，这种性能衰减情况就非常明显，这将大大影响OTFFETs的应用。导致OTFFETs性能衰减的原因可能包括化学衰减、由空气引发的缺陷和有机半导体层表面吸附的水氧等，其中在有机半导体层表面吸附的水汽和氧气是造成OTFFETs性能衰减的一个重要原因。我们研究发现对器件采用封装的方法可以有效地隔绝水汽和氧气，对于延长器件寿命也有相当大的好处。美国发明US20020155729A1(
公开日2002年10月24日)提到通过封装的方法可以提高有机晶体管的性能，该发明采用无机氮化硅和二氧化硅作为封装材料，通过等离子增强型化学气相淀积(plasma enhanced chemical vapor deposition，以下简称PECVD)的方法制备了封装层，经过封装以后的器件载流子迁移率和开关电流比都得到了大幅度的提高。然而该发明没有涉及封装对于器件寿命的影响，而且这个技术方案存在以下缺点①PECVD法的工作温度比较高，最高超过150℃，这么高的温度对于热稳定性比较差的有机功能材料来说，会导致薄膜形貌产生变化甚至破坏有机材料结构；②在等离子条件下，气体环境中的某些气体可能会和某些有机功能材料发生发应，从而改变有机材料的结构，导致器件性能下降。
因此，我们需要寻找一个能够在较低工作温度下实施，并且不会对有机材料的表面形成破坏的封装方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种有机薄膜场效应晶体管的封装方法，该方法是向器件一侧或者两侧淀积封装层，其特征在于该封装层由一层聚合物材料厚膜层组成或由聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层以一定周期数n交替重叠组成。
在本发明的技术方案中所述的周期数n为1～10的整数。
在本发明的技术方案中所述的由一层聚合物材料厚膜层组成封装层的制备方法为在有机薄膜场效应晶体管的正面(基片上制备有有机薄膜场效应晶体管的一面)采用刮膜法或涂覆法制备一层液态的未聚合的聚合物单体层，经紫外线照射原位聚合成平整的固态膜。
在本发明的技术方案中所述的由聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层以一定周期数n交替重叠组成封装层的制备方法包括以下步骤①在有机薄膜场效应晶体管的正面蒸镀一层液态的未聚合的聚合物单体层，经紫外线照射原位聚合成平整的固态薄膜；②在上述聚合物材料层上淀积一层陶瓷材料薄膜层；③重复上述步骤①～②，在上述陶瓷材料层上再制备(n-1)周期的聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层。
上述技术方案中被封装的有机薄膜场效应晶体管可以包括源漏在顶和源漏在底的两种结构，对于不同结构的晶体管，它们的封装方法一致。
上述技术方案中被封装的有机薄膜场效应晶体管的基片为玻璃或塑料，塑料基片可由聚酯类或聚酰亚胺类化合物中一种材料组成，如聚对苯二甲酸乙二酯(以下简称PET)等。
本发明提供的有机薄膜场效应晶体管的封装方法，具有以下优点
①由该封装方法制备的封装层可以有效阻隔水氧，从而大大提高了有机薄膜场效应晶体管的性能，还大大提高了器件的稳定性；②无论封装层采用上述技术方案中的何种结构，都是首先制备一层聚合物材料层，这种材料可以在常温下采用简单的刮膜法、涂覆法或者真空淀积法覆盖到器件正面，可以简化封装层的制备工艺，而且由于采用紫外线固化成膜，避免了化学反应和高温对有机半导体层的破坏；③如果封装层采用上述技术方案中有机无机交替多层结构，无机陶瓷材料层是淀积在聚合物材料层上面，这样避免了在有机功能层表面直接淀积无机材料层而破坏有机半导体层结构。
下面结合附图通过具体实施方式
、实施例加以说明，本发明可变得更加清楚。
图2是本发明提出的有机薄膜场效应晶体管的封装层的结构示意图，其中10是有机薄膜场效应晶体管，20是封装层；图2a的封装层20由一层聚合物材料厚膜层组成，21同20；图2b的封装层20是由聚合物材料薄膜层211和陶瓷材料薄膜层212以一定周期数n交替重叠组成。
图3是本发明实施例1中放置在空气中的未封装的有机薄膜场效应晶体管的特性曲线和开关电流曲线随时间变化的情况；图3a是特性曲线随时间变化的情况；图3b是开关电流曲线随时间变化的情况。
图4是本发明实施例1中放置在空气中的封装的有机薄膜场效应晶体管的特性曲线和开关电流曲线随时间变化的情况；图4a是特性曲线随时间变化的情况；图4b是开关电流曲线随时间变化的情况。
下面结合附图和具体实施方式
详细阐述本发明的内容，应该理解本发明并不局限于下述优选实施方式，优选实施方式仅仅作为本发明的说明性实施方案。
图2a是本发明提出的有机薄膜场效应晶体管的封装层20由一层聚合物材料厚膜层21组成的结构示意图，其中10为有机薄膜场效应晶体管，由11、12、13、14、15、16共同构成(见图1)，11是基片，12是栅极，13是绝缘层，14是有机半导体层，15和16分别是源极和漏极。20为本发明提出的有机薄膜场效应晶体管的封装层，该封装层由一层聚合物材料厚膜层21组成，可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化胶中的一种聚合物，膜厚为100～1000μm。
结合图2a，本发明提出的由一层聚合物材料厚膜层21组成封装层20的制备方法详细阐述如下将有机薄膜场效应晶体管置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮气进行保护，在上述器件的正面采用刮膜法或涂覆法制备一层液态的未聚合的聚合物单体层，用紫外线照射使其固化，照射时间根据所采用材料、制备厚度的不同而不同，通常为1～30min，液态的单体层经紫外线照射原位聚合成平整的固态膜，膜厚为100～1000μm。
图2b是本发明提出的有机薄膜场效应晶体管的封装层20由聚合物材料薄膜层211和陶瓷材料薄膜层212以一定周期数n交替重叠组成的结构示意图，其中聚合物材料薄膜层211的膜厚为50～1000nm，可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化胶中的一种聚合物；陶瓷材料薄膜层212具有很高的水氧阻隔性能，膜厚为10～1000nm，可采用氮化物、氧化物或氮氧化物中的一种材料，氮化物一般为氮化硅、氮化铝、氮化钛等，氧化物一般为氧化硅、氧化铝、氧化钛等，氮氧化物一般为氮氧化硅、氮氧化铝、氮氧化钛等。
结合图2b，本发明提出的由聚合物材料薄膜层211和陶瓷材料薄膜层212以一定周期数n交替重叠组成封装层20的制备方法详细阐述如下①将有机薄膜场效应晶体管置于真空镀膜机中，抽真空度至10-4～10-3Pa，在上述器件的正面蒸镀一层液态的未聚合的聚合物单体层，用紫外线照射使其固化，照射时间根据所采用材料、蒸镀厚度的不同而不同，通常为1～30min，液态的单体层经紫外线照射原位聚合成平整的固态薄膜，膜厚为50～1000nm；②在上述聚合物材料层上利用直流磁控溅射或射频磁控溅射的方法制备陶瓷材料薄膜层，在背景压强为10-4～10-3Pa条件下通入氮气或氧气，控制反应起来的气体流量比，调节真空室的气压为0.1～10Pa，采用钛、铝、硅、氮化硅或者二氧化硅等靶材在0.5～50W/cm2的直流功率密度下溅射，通过冷却系统控制上述器件温度在40℃以下，溅射时间为10s～60min，溅射的膜厚为10～1000nm；③重复上述步骤①～②，在上述陶瓷材料层上再制备(n-1)周期的聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层。实施例1本实施例OTFFETs结构如下Glass(基片)/ITO(栅极)/PMMA(绝缘层)/并五苯(半导体层)/Au(源、漏电极)(1)其中，PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯的缩写，沟道长度为100μm，沟道宽度为5mm，沟道宽长比为50。
将上述式(1)所示的一个器件置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮气进行保护。在上述器件的正面采用刮膜法覆盖一层液态的未聚合的UV固化胶(UV STRCTL352，乐泰公司)，用紫外线照射5min使其聚合，UV固化胶经紫外线照射原位聚合成平整的固态膜，膜厚为100μm，封装完毕。放置在空气中的未封装和封装的OTFFETs的特性曲线和开关电流曲线随时间变化的情况分别见附图3a、3b、4a、4b，数据比较见下表1。表1
由表1可以看出，未封装的器件在500h以后载流子迁移率下降了30％，开关电流比下降了一个数量级。而封装后器件的稳定性大大提高，在500h以后晶体管的性能变化不大。
由表3可以看出，未封装的器件在500h以后载流子迁移率下降33％，开关电流比下降到原来的五分之一。而封装以后晶体管的稳定性大大提高，在500h后载流子迁移率只降低了不到10％，开关电流比仅仅下降了33％。
本实施例OTFFETs结构同式(1)封装层结构为OTFFETs/(UV固化胶<100nm>/氮化钛<80nm>)n我们测定了刚封装、封装后100h、300h和500h后的晶体管的载流子迁移率和开关电流比，数据比较见下表4。表4
由表4可以看出，我们发现，周期数从1开始增加的时候，随着周期数的增加，器件的稳定性也不断提高，但是当交替周期数达到4层以后，器件的性能在500h内几乎不发生衰减，而由于周期数增加，器件封装的过程将大大复杂化。
将上述式(2)所示的一个器件置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮气进行保护。在上述器件的正面采用刮膜法覆盖一层液态的未聚合的UV固化胶(UV STRCTL352，乐泰公司)，用紫外线照射20min使其聚合，UV固化胶经紫外线照射原位聚合成平整的固态膜，膜厚为500μm，封装完毕。未封装和封装的OTFFETs的数据比较见下表6。表6
由表6可以看出，未封装的器件在500h以后载流子迁移率下降62％，开关电流比下降到原来的二十分之一。而封装以后晶体管的稳定性大大提高，在500h后载流子迁移率下降了13％，开关电流比仅仅下降了40％。
将上述式(3)所示的一个器件置手套箱中，用氮气进行保护。在上述器件的正面采用涂覆法覆盖一层液态的未聚合的UV固化胶(UV STRCTL352，乐泰公司)，用紫外线照射30min使其聚合，UV固化胶经紫外线照射原位聚合成平整的固态膜，膜厚为1000μm，封装完毕。未封装和封装的OTFFETs的数据比较见下表2。表8
由表8可以看出，未封装的器件在500h以后载流子迁移率下降33％，开关电流比下降一个数量级。而封装以后晶体管的稳定性大大提高，在500h后载流子迁移率基本不变，开关电流比仅仅下降了25％。实施例9将上述式(3)所示的另一个器件置于真空镀膜机中，抽真空至5×10-4Pa。在上述器件的正面蒸镀一层液态的UV固化胶(UV STRCTL352，乐泰公司)，用紫外线照射使其固化，照射时间为5min，UV固化胶经紫外线照射原位聚合成平整的固态薄膜，膜厚为300nm。在背景压强为10-4～10-3Pa条件下通入氮气，调节真空室的气压为0.40Pa，采用二氧化硅靶在96W的直流功率下向UV固化胶上溅射，基片温度控制在40℃以下，生长时间为10min，二氧化硅薄膜膜厚为50nm。重复上述步骤再制备4个周期的(UV固化胶/二氧化硅)复合薄膜层，得到双周期的封装层。未封装和封装的OTFFETs的数据比较见下表3。表9
由表9可以看出，未封装的器件在500h以后载流子迁移率下降33％，开关电流比下降一个数量级。而封装以后晶体管的稳定性大大提高，在500h后载流子迁移率和开关电流比几乎都不发生变化。
尽管结合优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例和附图，尤其是本发明的封装层可以制备在晶体管的正面，也可以制备在整个器件的表面。应当理解，在本发明构思的引导下，本领域技术人员可进行各种修改和改进，所附权利要求概括了本发明的范围。
权利要求
1.一种有机薄膜场效应晶体管的封装方法，该方法是向器件一侧或者两侧淀积封装层，其特征在于该封装层由一层聚合物材料厚膜层组成或由聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层以一定周期数n交替重叠组成。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述的聚合物材料厚膜层采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化胶中的一种聚合物。
3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述的由一层聚合物材料厚膜层组成封装层的制备方法为在有机薄膜场效应晶体管的正面采用刮膜法或涂覆法制备一层液态的未聚合的聚合物单体层，经紫外线照射原位聚合成平整的固态膜。
4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述的周期数n为1～10的整数。
5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述的聚合物材料薄膜层采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化胶中的一种聚合物。
6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述的陶瓷材料薄膜层采用氮化物、氧化物或氮氧化物中的一种材料。
7.根据权利要求6所述的封装方法，其特征在于，所述的陶瓷材料薄膜层采用氮化硅、氮化铝、氮化钛、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮氧化硅、氮氧化铝、氮氧化钛中的一种材料。
8.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述的由聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层以一定周期数n交替重叠组成封装层的制备方法包括以下步骤①在有机薄膜场效应晶体管的正面蒸镀一层液态的未聚合的聚合物单体层，经紫外线照射原位聚合成平整的固态薄膜；②在上述聚合物材料层上淀积一层陶瓷材料薄膜层；③重复上述步骤①～②，在上述陶瓷材料层上再制备(n-1)周期的聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层。
9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述的淀积陶瓷材料薄膜层采用直流磁控溅射或射频磁控溅射的方法。
全文摘要
本发明涉及一种有机薄膜场效应晶体管的封装方法。该方法是向器件一侧或者两侧淀积封装层，其特征在于该封装层由一层聚合物材料厚膜层组成或由聚合物材料薄膜层和陶瓷材料薄膜层以一定周期数n交替重叠组成。由这种封装方法制备的封装层可以有效阻隔水氧，从而大大提高了有机薄膜场效应晶体管的性能，还大大提高了器件的稳定性，延长器件的使用寿命。
文档编号H01L51/05GK1457107SQ0312106
公开日2003年11月19日 申请日期2003年3月21日 优先权日2003年3月21日
发明者董桂芳, 胡远川, 王立铎, 邱勇 申请人:清华大学