專利名稱：一種有機薄膜場效應晶體管的封裝方法
技術領域：
本發明涉及一種有機薄膜場效應晶體管的封裝方法。
1986年，A.Tsumura et al.(A.Tsumura，H.Koezuka，and T.ando，Appl.Phys.Lett.，49(18)，1210，1986)首次用聚噻吩作為半導體材料制備得到有機薄膜場效應晶體管(Organic Thin-Film Field-Effect Transistors，以下簡稱OTFFETs)，自此以后有機晶體管技術得到不斷的發展。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)制備得到了空穴載流子遷移率高于1.7cm2/V·s的OTFFETs，這樣的性能完全可以與現在使用的無定型硅晶體管相媲美，而且在制造成本、制備工藝條件上遠遠勝于無定型硅晶體管，從此，打開了OTFFETs工業化應用的道路。
研究表明，當有機半導體器件(包括有機發光二極管和OTFFETs)放置在空氣中時，它們的性能很容易衰減。當OTFFETs的有機半導體層處于與空氣直接接觸的情況下(包括如附

圖1a源漏在頂的結構和附圖1b源漏在底的結構)，這種性能衰減情況就非常明顯，這將大大影響OTFFETs的應用。導致OTFFETs性能衰減的原因可能包括化學衰減、由空氣引發的缺陷和有機半導體層表面吸附的水氧等，其中在有機半導體層表面吸附的水汽和氧氣是造成OTFFETs性能衰減的一個重要原因。我們研究發現對器件采用封裝的方法可以有效地隔絕水汽和氧氣，對于延長器件壽命也有相當大的好處。美國發明US20020155729A1(
公開日2002年10月24日)提到通過封裝的方法可以提高有機晶體管的性能，該發明采用無機氮化硅和二氧化硅作為封裝材料，通過等離子增強型化學氣相淀積(plasma enhanced chemical vapor deposition，以下簡稱PECVD)的方法制備了封裝層，經過封裝以后的器件載流子遷移率和開關電流比都得到了大幅度的提高。然而該發明沒有涉及封裝對于器件壽命的影響，而且這個技術方案存在以下缺點①PECVD法的工作溫度比較高，最高超過150℃，這么高的溫度對于熱穩定性比較差的有機功能材料來說，會導致薄膜形貌產生變化甚至破壞有機材料結構；②在等離子條件下，氣體環境中的某些氣體可能會和某些有機功能材料發生發應，從而改變有機材料的結構，導致器件性能下降。
因此，我們需要尋找一個能夠在較低工作溫度下實施，并且不會對有機材料的表面形成破壞的封裝方法。
為實現上述目的，本發明的技術方案是提供一種有機薄膜場效應晶體管的封裝方法，該方法是向器件一側或者兩側淀積封裝層，其特征在于該封裝層由一層聚合物材料厚膜層組成或由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數n交替重疊組成。
在本發明的技術方案中所述的周期數n為1～10的整數。
在本發明的技術方案中所述的由一層聚合物材料厚膜層組成封裝層的制備方法為在有機薄膜場效應晶體管的正面(基片上制備有有機薄膜場效應晶體管的一面)采用刮膜法或涂覆法制備一層液態的未聚合的聚合物單體層，經紫外線照射原位聚合成平整的固態膜。
在本發明的技術方案中所述的由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數n交替重疊組成封裝層的制備方法包括以下步驟①在有機薄膜場效應晶體管的正面蒸鍍一層液態的未聚合的聚合物單體層，經紫外線照射原位聚合成平整的固態薄膜；②在上述聚合物材料層上淀積一層陶瓷材料薄膜層；③重復上述步驟①～②，在上述陶瓷材料層上再制備(n-1)周期的聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層。
上述技術方案中被封裝的有機薄膜場效應晶體管可以包括源漏在頂和源漏在底的兩種結構，對于不同結構的晶體管，它們的封裝方法一致。
上述技術方案中被封裝的有機薄膜場效應晶體管的基片為玻璃或塑料，塑料基片可由聚酯類或聚酰亞胺類化合物中一種材料組成，如聚對苯二甲酸乙二酯(以下簡稱PET)等。
本發明提供的有機薄膜場效應晶體管的封裝方法，具有以下優點
①由該封裝方法制備的封裝層可以有效阻隔水氧，從而大大提高了有機薄膜場效應晶體管的性能，還大大提高了器件的穩定性；②無論封裝層采用上述技術方案中的何種結構，都是首先制備一層聚合物材料層，這種材料可以在常溫下采用簡單的刮膜法、涂覆法或者真空淀積法覆蓋到器件正面，可以簡化封裝層的制備工藝，而且由于采用紫外線固化成膜，避免了化學反應和高溫對有機半導體層的破壞；③如果封裝層采用上述技術方案中有機無機交替多層結構，無機陶瓷材料層是淀積在聚合物材料層上面，這樣避免了在有機功能層表面直接淀積無機材料層而破壞有機半導體層結構。
下面結合附圖通過具體實施方式
、實施例加以說明，本發明可變得更加清楚。
圖2是本發明提出的有機薄膜場效應晶體管的封裝層的結構示意圖，其中10是有機薄膜場效應晶體管，20是封裝層；圖2a的封裝層20由一層聚合物材料厚膜層組成，21同20；圖2b的封裝層20是由聚合物材料薄膜層211和陶瓷材料薄膜層212以一定周期數n交替重疊組成。
圖3是本發明實施例1中放置在空氣中的未封裝的有機薄膜場效應晶體管的特性曲線和開關電流曲線隨時間變化的情況；圖3a是特性曲線隨時間變化的情況；圖3b是開關電流曲線隨時間變化的情況。
圖4是本發明實施例1中放置在空氣中的封裝的有機薄膜場效應晶體管的特性曲線和開關電流曲線隨時間變化的情況；圖4a是特性曲線隨時間變化的情況；圖4b是開關電流曲線隨時間變化的情況。
下面結合附圖和具體實施方式
詳細闡述本發明的內容，應該理解本發明并不局限于下述優選實施方式，優選實施方式僅僅作為本發明的說明性實施方案。
圖2a是本發明提出的有機薄膜場效應晶體管的封裝層20由一層聚合物材料厚膜層21組成的結構示意圖，其中10為有機薄膜場效應晶體管，由11、12、13、14、15、16共同構成(見圖1)，11是基片，12是柵極，13是絕緣層，14是有機半導體層，15和16分別是源極和漏極。20為本發明提出的有機薄膜場效應晶體管的封裝層，該封裝層由一層聚合物材料厚膜層21組成，可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物，膜厚為100～1000μm。
結合圖2a，本發明提出的由一層聚合物材料厚膜層21組成封裝層20的制備方法詳細闡述如下將有機薄膜場效應晶體管置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮氣進行保護，在上述器件的正面采用刮膜法或涂覆法制備一層液態的未聚合的聚合物單體層，用紫外線照射使其固化，照射時間根據所采用材料、制備厚度的不同而不同，通常為1～30min，液態的單體層經紫外線照射原位聚合成平整的固態膜，膜厚為100～1000μm。
圖2b是本發明提出的有機薄膜場效應晶體管的封裝層20由聚合物材料薄膜層211和陶瓷材料薄膜層212以一定周期數n交替重疊組成的結構示意圖，其中聚合物材料薄膜層211的膜厚為50～1000nm，可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物；陶瓷材料薄膜層212具有很高的水氧阻隔性能，膜厚為10～1000nm，可采用氮化物、氧化物或氮氧化物中的一種材料，氮化物一般為氮化硅、氮化鋁、氮化鈦等，氧化物一般為氧化硅、氧化鋁、氧化鈦等，氮氧化物一般為氮氧化硅、氮氧化鋁、氮氧化鈦等。
結合圖2b，本發明提出的由聚合物材料薄膜層211和陶瓷材料薄膜層212以一定周期數n交替重疊組成封裝層20的制備方法詳細闡述如下①將有機薄膜場效應晶體管置于真空鍍膜機中，抽真空度至10-4～10-3Pa，在上述器件的正面蒸鍍一層液態的未聚合的聚合物單體層，用紫外線照射使其固化，照射時間根據所采用材料、蒸鍍厚度的不同而不同，通常為1～30min，液態的單體層經紫外線照射原位聚合成平整的固態薄膜，膜厚為50～1000nm；②在上述聚合物材料層上利用直流磁控濺射或射頻磁控濺射的方法制備陶瓷材料薄膜層，在背景壓強為10-4～10-3Pa條件下通入氮氣或氧氣，控制反應起來的氣體流量比，調節真空室的氣壓為0.1～10Pa，采用鈦、鋁、硅、氮化硅或者二氧化硅等靶材在0.5～50W/cm2的直流功率密度下濺射，通過冷卻系統控制上述器件溫度在40℃以下，濺射時間為10s～60min，濺射的膜厚為10～1000nm；③重復上述步驟①～②，在上述陶瓷材料層上再制備(n-1)周期的聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層。實施例1本實施例OTFFETs結構如下Glass(基片)/ITO(柵極)/PMMA(絕緣層)/并五苯(半導體層)/Au(源、漏電極)(1)其中，PMMA為聚甲基丙烯酸甲酯的縮寫，溝道長度為100μm，溝道寬度為5mm，溝道寬長比為50。
將上述式(1)所示的一個器件置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮氣進行保護。在上述器件的正面采用刮膜法覆蓋一層液態的未聚合的UV固化膠(UV STRCTL352，樂泰公司)，用紫外線照射5min使其聚合，UV固化膠經紫外線照射原位聚合成平整的固態膜，膜厚為100μm，封裝完畢。放置在空氣中的未封裝和封裝的OTFFETs的特性曲線和開關電流曲線隨時間變化的情況分別見附圖3a、3b、4a、4b，數據比較見下表1。表1

由表1可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降了30％，開關電流比下降了一個數量級。而封裝后器件的穩定性大大提高，在500h以后晶體管的性能變化不大。
由表3可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降33％，開關電流比下降到原來的五分之一。而封裝以后晶體管的穩定性大大提高，在500h后載流子遷移率只降低了不到10％，開關電流比僅僅下降了33％。
本實施例OTFFETs結構同式(1)封裝層結構為OTFFETs/(UV固化膠<100nm>/氮化鈦<80nm>)n我們測定了剛封裝、封裝后100h、300h和500h后的晶體管的載流子遷移率和開關電流比，數據比較見下表4。表4


由表4可以看出，我們發現，周期數從1開始增加的時候，隨著周期數的增加，器件的穩定性也不斷提高，但是當交替周期數達到4層以后，器件的性能在500h內幾乎不發生衰減，而由于周期數增加，器件封裝的過程將大大復雜化。
將上述式(2)所示的一個器件置于干燥的手套箱中，手套箱中用氮氣進行保護。在上述器件的正面采用刮膜法覆蓋一層液態的未聚合的UV固化膠(UV STRCTL352，樂泰公司)，用紫外線照射20min使其聚合，UV固化膠經紫外線照射原位聚合成平整的固態膜，膜厚為500μm，封裝完畢。未封裝和封裝的OTFFETs的數據比較見下表6。表6

由表6可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降62％，開關電流比下降到原來的二十分之一。而封裝以后晶體管的穩定性大大提高，在500h后載流子遷移率下降了13％，開關電流比僅僅下降了40％。
將上述式(3)所示的一個器件置手套箱中，用氮氣進行保護。在上述器件的正面采用涂覆法覆蓋一層液態的未聚合的UV固化膠(UV STRCTL352，樂泰公司)，用紫外線照射30min使其聚合，UV固化膠經紫外線照射原位聚合成平整的固態膜，膜厚為1000μm，封裝完畢。未封裝和封裝的OTFFETs的數據比較見下表2。表8

由表8可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降33％，開關電流比下降一個數量級。而封裝以后晶體管的穩定性大大提高，在500h后載流子遷移率基本不變，開關電流比僅僅下降了25％。實施例9將上述式(3)所示的另一個器件置于真空鍍膜機中，抽真空至5×10-4Pa。在上述器件的正面蒸鍍一層液態的UV固化膠(UV STRCTL352，樂泰公司)，用紫外線照射使其固化，照射時間為5min，UV固化膠經紫外線照射原位聚合成平整的固態薄膜，膜厚為300nm。在背景壓強為10-4～10-3Pa條件下通入氮氣，調節真空室的氣壓為0.40Pa，采用二氧化硅靶在96W的直流功率下向UV固化膠上濺射，基片溫度控制在40℃以下，生長時間為10min，二氧化硅薄膜膜厚為50nm。重復上述步驟再制備4個周期的(UV固化膠/二氧化硅)復合薄膜層，得到雙周期的封裝層。未封裝和封裝的OTFFETs的數據比較見下表3。表9

由表9可以看出，未封裝的器件在500h以后載流子遷移率下降33％，開關電流比下降一個數量級。而封裝以后晶體管的穩定性大大提高，在500h后載流子遷移率和開關電流比幾乎都不發生變化。
盡管結合優選實施例對本發明進行了說明，但本發明并不局限于上述實施例和附圖，尤其是本發明的封裝層可以制備在晶體管的正面，也可以制備在整個器件的表面。應當理解，在本發明構思的引導下，本領域技術人員可進行各種修改和改進，所附權利要求概括了本發明的范圍。
權利要求
1.一種有機薄膜場效應晶體管的封裝方法，該方法是向器件一側或者兩側淀積封裝層，其特征在于該封裝層由一層聚合物材料厚膜層組成或由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數n交替重疊組成。
2.根據權利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的聚合物材料厚膜層采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物。
3.根據權利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的由一層聚合物材料厚膜層組成封裝層的制備方法為在有機薄膜場效應晶體管的正面采用刮膜法或涂覆法制備一層液態的未聚合的聚合物單體層，經紫外線照射原位聚合成平整的固態膜。
4.根據權利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的周期數n為1～10的整數。
5.根據權利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的聚合物材料薄膜層采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、UV固化膠中的一種聚合物。
6.根據權利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的陶瓷材料薄膜層采用氮化物、氧化物或氮氧化物中的一種材料。
7.根據權利要求6所述的封裝方法，其特征在于，所述的陶瓷材料薄膜層采用氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氧化硅、氧化鋁、氧化鈦、氮氧化硅、氮氧化鋁、氮氧化鈦中的一種材料。
8.根據權利要求1所述的封裝方法，其特征在于，所述的由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數n交替重疊組成封裝層的制備方法包括以下步驟①在有機薄膜場效應晶體管的正面蒸鍍一層液態的未聚合的聚合物單體層，經紫外線照射原位聚合成平整的固態薄膜；②在上述聚合物材料層上淀積一層陶瓷材料薄膜層；③重復上述步驟①～②，在上述陶瓷材料層上再制備(n-1)周期的聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層。
9.根據權利要求8所述的封裝方法，其特征在于，所述的淀積陶瓷材料薄膜層采用直流磁控濺射或射頻磁控濺射的方法。
全文摘要
本發明涉及一種有機薄膜場效應晶體管的封裝方法。該方法是向器件一側或者兩側淀積封裝層，其特征在于該封裝層由一層聚合物材料厚膜層組成或由聚合物材料薄膜層和陶瓷材料薄膜層以一定周期數n交替重疊組成。由這種封裝方法制備的封裝層可以有效阻隔水氧，從而大大提高了有機薄膜場效應晶體管的性能，還大大提高了器件的穩定性，延長器件的使用壽命。
文檔編號H01L51/05GK1457107SQ0312106
公開日2003年11月19日 申請日期2003年3月21日 優先權日2003年3月21日
發明者董桂芳, 胡遠川, 王立鐸, 邱勇 申請人:清華大學