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喷墨印刷制备有机薄膜晶体管及其电路的研究进展
发布时间:2013-07-21 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]有机薄膜晶体管具有许多优点，如材料来源广泛、与柔性衬底兼容、成膜技术多、轻型、可低温制造、制造成本低等，广泛应用于全有机有源矩阵显示、记忆组件、智能卡、电子标签、大面积传感阵列等领域。可以预见，ＯＴＦＴ 在很多方面都将极大改变目前由无机场效应晶体管构成的电子信息领域的单一现状。因此，有机电子器件越来越受到人们的广泛关注。
微图案化加工技术作为实现电子器件及其集成加工的必要手段，也成为有机电子研究领域的一个热点问题。传统的电子制造工艺普遍采用的光刻、刻蚀等技术存在着许多问题：设备昂贵、工艺复杂、对环境造成很大污染、在应用于有机电子器件加工中可能导致有机材料性能的下降甚至破坏等，这使得人们对直接印刷技术产生了浓厚的兴趣。在众多基于溶液加工的微图案技术中，喷墨印刷技术脱颖而出，被认为是最具有工业化前景的技术之一［２］。与传统电子制造工艺相比，喷墨印刷技术拥有许多优点：不需要原始的模板，在薄膜沉积的同时可以实现图案化；可充分发挥有机材料可溶加工的特点，高效实现有机薄膜在柔性和大面积衬底上的图案化加工，对衬底基本没有选择性；设备简单，操作简便；不需要高温加工，既不会破坏有机材料的性能，也不会对环境造成污染。目前，喷墨印刷技术，特别是按需喷墨印刷技术已经应用于有机发光二极管、有机薄膜晶体管、有源矩阵显示阵列、ＲＣ 滤波电路等有机电子器件及其电路研制领域。
本文综述了近年来基于喷墨印刷技术制备有机薄膜晶体管的研究进展，并总结了在制造过程中存在的问题。
２ 喷墨印刷制备有机薄膜晶体管研究进展
有机薄膜晶体管和无机场效应晶体管一样，基本结构都是由衬底、半导体有源层、绝缘层、栅电极和源、漏电极等部分组成，它属于三端有源器件，大多数为平面型结构。就其结构而言，根据栅电极的位置不同，可将其分为顶栅结构和底栅结构，此两类结构又可根据源、漏电极与有源层的位置不同，细分为顶接触结构和底接触结构。
相对于ＯＬＥＤ 等其他有机器件，有机薄膜晶体管的打印对图案化精度有更高的要求。在有机薄膜晶体管的制造中，为了得到足够的驱动电流和开关速度，要求源、漏电极之间的沟道长度最好小于５μｍ；但是，由于墨滴在统计学上的飞行方向的变化和它们在衬底上的扩散伸展，喷墨印刷的分辨率被限制在２０～５０μｍ 的范围。因此，晶体管源、漏电极的微图案化成为有机薄膜晶体管打印技术中最大的挑战，目前基于喷墨印刷制备ＯＴＦＴ 的研究主要集中在这一方面，目标是实现微米量级的分辨率并且能够精确对准。
２０００年，英国剑桥大学卡文迪许实验室Ｓｉｒｒｉｎｇｈａｕｓ等人开创性地利用喷墨印刷技术制造了有机薄膜晶体管［４］。他们利用光刻和Ｏ２ 等离子体刻蚀的方法在亲水性的玻璃衬底上刻蚀出一狭窄条状表面疏水的聚酰亚胺薄膜作为阻挡层，以其作为辅助实现了导电聚合物ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ 水溶液的打印，制备了聚合物源、漏电极；然后，在电极上旋涂聚合物ｐｏｌｙ（９，９ｄｉｏｃｔｙｌｆｌｕｏｒｅｎｅｃｏｂｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）（Ｆ８Ｔ２）和ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｐｈｅｎｏｌ）（ＰＶＰｈ），制备了有机半导体层和绝缘层；最后，通过喷墨印刷的方法实现了聚合物栅电极的图案化，完成了有机薄膜晶体管的组装。采用以上方法制备得到的晶体管，其沟道长度为５μｍ，开关电流比可以达到１０５，电子迁移率达到０．０２ｃｍ２／Ｖ·ｓ。制备过程中，聚酰亚胺阻挡层具有双重功能，它不但定义了高分辨率的沟道，而且还是自组织半导体层沉积的对准模板。
为了提高喷墨印刷图案化的精度，Ｓｉｒｒｉｎｇｈａｕｓ等人又将喷墨印刷技术与表面图案辅助反润湿的方法结合，先利用光刻技术设定ＰＭＭＡ 疏水线条，然后在其上打印ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ 水溶液形成源漏电极，将可加工晶体管的沟道长度缩小到了５００ｎｍ。
为了进一步简化工艺，Ｓｉｒｒｉｎｇｈａｕｓ也尝试利用纳米压印和凹凸等非光刻工艺来定义沟道，由这两种方法得到的最小沟道长度分别为２５０ｎｍ 和６０ｎｍ。与前几种方法相比，采用低表面能处理形成自对准的技术由于不需要高精度的图案化加工技术（光刻），并且工艺相对简单、成本更低、精度较高，因此更具实用价值和应用前景。
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