專利名稱：含有有機(jī)半導(dǎo)體的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)及其制作方法，特別涉及含有有機(jī)半導(dǎo)體的夾心源電極和漏電極結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制作方法(下稱為夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。
現(xiàn)有有機(jī)半導(dǎo)體一般是同一分子材料作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源層。美國(guó)專利US5629530公布了電子給體和受體有機(jī)分子共同構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的有源層，由于該類半導(dǎo)體是利用P型和N型摻雜導(dǎo)電的原理，所以其場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的開(kāi)關(guān)電流比和遷移率性質(zhì)都很低。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括襯底1，在襯底1上形成柵電極2，柵絕緣層3形成在襯底1和柵電極2上，其特征在于有源層4形成在柵絕緣層3上，并露出部分絕緣層3，源/漏電級(jí)5形成在部分有源層4和部分柵絕緣層3上，有源層6形成在露出的柵絕緣層3、有源層4、源電極和漏電極柵5上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法包括步驟a.在襯底上形成導(dǎo)電材料，并采用光刻方法形成柵電極；b.在襯底和柵電極上形成絕緣層；c.在絕緣層上氣相沉積半導(dǎo)體層，并留有部分絕緣層裸露；d.在裸露的絕緣層和半導(dǎo)體層上形成導(dǎo)電材料，并采用光刻方法或剝離方法形成源電極和漏電極；e.在源電極、漏電極、裸露半導(dǎo)體層和裸露的絕緣層上氣相沉積或旋涂半導(dǎo)體層。
本發(fā)明充分發(fā)揮有機(jī)半導(dǎo)體低溫加工的優(yōu)點(diǎn)，采用兩種或兩種以上材料共同構(gòu)成有源半導(dǎo)體層，增強(qiáng)有源層和源漏電極的有效接觸，降低器件的閾值電壓，并且半導(dǎo)體和源漏電極能夠與絕緣層緊密連接。


圖1a是現(xiàn)有技術(shù)的頂電極構(gòu)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)例。
圖1b是現(xiàn)有技術(shù)的底電極構(gòu)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)例。
圖1c是現(xiàn)有技術(shù)的立式構(gòu)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)例。
圖2是本發(fā)明夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)施例結(jié)構(gòu)。
圖3是本發(fā)明夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)施過(guò)程。
圖4是本發(fā)明夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)施例1中有源層采用不完整酞箐銅層、酞箐銅與酞箐銅復(fù)合層、酞箐鎳與酞箐鎳復(fù)合層、酞箐銅與酞箐鎳復(fù)合層的輸出特性曲線。
圖5a是本發(fā)明夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)施例2中有源層采用酞箐銅與酞箐銅復(fù)合層和酞箐銅與酞箐釹復(fù)合層以及酞箐釹單層器件的輸出特性曲線。
圖5b是本發(fā)明夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)施例2中有源層采用酞箐銅與酞箐銅復(fù)合層和酞箐銅與酞箐釹復(fù)合層的轉(zhuǎn)移特性曲線。
圖6是本發(fā)明酞箐銅與酞箐鎳共晶的有機(jī)半導(dǎo)體作為有源層的頂電極構(gòu)型器件的輸出特性曲線。
在本發(fā)明實(shí)施例中，一種有源半導(dǎo)體是采用現(xiàn)有P型半導(dǎo)體CuPc和NiPc的共晶和層狀復(fù)合構(gòu)成。在器件中該有源半導(dǎo)體與其中單一材料比較，開(kāi)關(guān)電流比沒(méi)有顯著損失，而閾值電壓有顯著降低，載流子遷移率性質(zhì)有顯著提高。其原理是幾種材料混合、共晶和層狀復(fù)合構(gòu)成的半導(dǎo)體與源和漏電極的表面接觸比單一材料與源和漏電極的表面接觸得到顯著改善。
在本發(fā)明實(shí)施例中，一種有源半導(dǎo)體是采用現(xiàn)有P型半導(dǎo)體CuPc和電阻性材料NdPc2的層狀復(fù)合構(gòu)成。在器件中該有源半導(dǎo)體與其中單一材料比較，開(kāi)關(guān)電流比和載流子遷移率有顯著提高，閾值電壓有顯著降低。其原理是兩種分子層狀復(fù)合構(gòu)成的半導(dǎo)體與源和漏電極的表面接觸比CuPc與源和漏電極的表面接觸好，同時(shí)NdPc2增強(qiáng)了CuPc的場(chǎng)效應(yīng)傳輸性質(zhì)。
酞箐銅與酞箐鎳共晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性曲線也見(jiàn)圖6，在VG為-30V時(shí)其飽和區(qū)的空穴載流子遷移率為0.04cm2/V.s，開(kāi)關(guān)電流比為4×105，在VG為-30V時(shí)的閾值電壓為-8V。
本發(fā)明的有機(jī)半導(dǎo)體，是由單一分子材料表現(xiàn)出半導(dǎo)體或?qū)w性質(zhì)的多種分子材料混合、共晶和層狀復(fù)合構(gòu)成，其場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的性質(zhì)(遷移率、閾值電壓和開(kāi)關(guān)電流比)與單一材料的器件比較得到顯著改善。
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，實(shí)施例所用步驟顯示在圖3中。
實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)所用酞箐銅(CuPc)、酞箐鋅(ZnPc)、酞箐鎳(NiPc)、酞箐鈷(CoPc)、自由酞箐(H2Pc)、酞箐氧鈦(TiOPc)、酞箐氧釩(VOPc)和并五苯(Pentacene)是商業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)升華純化后使用。
在7059玻璃襯底或柔性塑料襯底1上用射頻磁控濺射方法鍍上一層金屬Ta膜，厚度約200納米，并光刻成柵極形狀2；在柵極上用直流磁控濺射方法反應(yīng)濺射一層Ta2O5作為柵絕緣層3，厚度約100納米；然后采用分子氣相沉積方法制備酞箐銅的有源層4，厚度約20納米；接著制作Au的源電極和漏電極5，厚度約50納米；最后，分子氣相沉積一層約30納米有源層6，是酞箐銅、酞箐鋅、酞箐鎳、酞箐鈷、自由酞箐、酞箐氧鈦、酞箐氧釩和并五苯中的一種。
沒(méi)有沉積有源層6的器件和酞箐銅的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在VG為-30V時(shí)的輸出特性曲線見(jiàn)圖4，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象。
酞箐銅和酞箐銅夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在VG為-30V時(shí)的輸出特性曲線見(jiàn)圖4，其飽和區(qū)的空穴載流子遷移率為0.01cm2/V.s，閾值電壓為-18V，開(kāi)關(guān)電流比為4×104。
酞箐鎳與酞箐鎳夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在VG為-30V時(shí)輸出特性曲線也見(jiàn)圖4，其飽和區(qū)的空穴載流子遷移率為0.005cm2/V.s，開(kāi)關(guān)電流比為4×104，在VG為-30V時(shí)的閾值電壓為-16V。
酞箐銅與酞箐鎳夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在VG為-30V時(shí)輸出特性曲線也見(jiàn)圖4，其飽和區(qū)的空穴載流子遷移率為0.01cm2/V.s，開(kāi)關(guān)電流比為4×105，在VG為-30V時(shí)的閾值電壓為-13.5V。
酞箐銅與酞箐鎳夾心場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性質(zhì)與酞箐銅夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和酞箐鎳夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性質(zhì)相比較，開(kāi)關(guān)電流比沒(méi)有明顯變化，閾值電壓明顯降低。表1列出已有的有機(jī)半導(dǎo)體夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性質(zhì)，其中遷移率和閾值電壓是VG為-30V時(shí)的性質(zhì)。
表1半導(dǎo)體4 半導(dǎo)體6空穴遷移率 閾值電壓cm2/V.s-V酞箐銅 酞箐銅(CuPc) 0.0118酞箐鎳 酞箐鎳(NiPc) 0.005 16酞箐銅 酞箐鎳(NiPc) 0.0113.5酞箐銅/酞箐鎳(共晶) 0.04 8酞箐銅 酞箐鋅(ZnPc) 0.0065酞箐銅 酞箐鈷(CoPc) 0.00311酞箐銅 自由酞箐(H2Pc)0.00717酞箐銅 酞箐氧鈦(TiOPc)0.00917酞箐銅 酞箐氧釩(VOPc) 0.01 15酞箐銅 并五苯(Pentacene) 0.01 8實(shí)施例2實(shí)驗(yàn)所用雙酞箐金屬(La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Zr，Hf，Sn)、自由萘酞箐、萘酞箐鈷、萘酞箐銅、萘酞箐鋅和萘酞箐鎳是采用文獻(xiàn)[(1)J.Jiang，R.C.W.Liu，T.C.W.Mack，T.D.W.Chan，D.K.P.Ng，Polyhedron，1997，16，515；(2)W.Liu，J.Jiang，D.Du，D.P.Arnold，Aust.J.Chem.，2000，53，131；(3)R.Polley，M.Hanack，J.Org.Chem.，1995，60，8278；(4)M.hanack，R.Polley，S.Knecht，U.Schlick，Inorg.Chem.，1995，34，3621；(5)M.L.Kaplan，A.J.Lovinger，W.D.Reents，jun，P.H.Schmidt，Mol.Cryst.Liq.Cryst.，1984，112，345.]方法合成，并升華純化后使用。
在7059玻璃襯底或柔性塑料襯底1上用射頻磁控濺射方法鍍上一層金屬Ta膜，厚度約200納米，并光刻成柵極形狀2；在柵極上用直流磁控濺射方法反應(yīng)濺射一層Ta2O5作為柵絕緣層3，厚度約100納米；然后采用分子氣相沉積方法制備酞箐銅的有源層4，厚度約20納米；接著采用光刻技術(shù)制作Au的源電極和漏電極5，厚度約50納米；最后，分子氣相沉積一層約30納米有源層6，是雙酞箐金屬(La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Zr，Hf，Sn)、自由萘酞箐、萘酞箐鈷、萘酞箐銅、萘酞箐鋅和萘酞箐鎳中的一種。
酞箐釹頂電極場(chǎng)效應(yīng)晶體管和酞箐銅與酞箐釹夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線見(jiàn)圖5，酞箐釹頂電極場(chǎng)效應(yīng)晶體管沒(méi)有表現(xiàn)出場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象，夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出穩(wěn)定的場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象，其VG為-30V時(shí)飽和區(qū)的空穴載流子遷移率為0.5cm2/V.s，VG為-30V時(shí)的閾值電壓為-12V。表2列出含新型有機(jī)半導(dǎo)體的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管性質(zhì)，其中遷移率是VG為-30V時(shí)的性質(zhì)。
表2半導(dǎo)體4半導(dǎo)體6 空穴遷移率cm2/V.s酞箐銅 雙酞箐鑭(La Pc2) 0.02酞箐銅 雙酞箐鈰(Ce Pc2) 0.017酞箐銅 雙酞箐鐠(Pr Pc2) 0.025酞箐銅 雙酞箐釹(Nd Pc2) 0.015酞箐銅 雙酞箐釤(Sm Pc2) 0.01酞箐銅 雙酞箐銪(Eu Pc2) 0.03酞箐銅 雙酞箐釓(Gd Pc2) 0.025酞箐銅 雙酞箐鋱(Tb Pc2) 0.009酞箐銅 雙酞箐鏑(Dy Pc2) 0.02酞箐銅 雙酞箐鈥(Ho Pc2) 0.01酞箐銅 雙酞箐鉺(Er Pc2) 0.05酞箐銅 雙酞箐銩(Tm Pc2) 0.03酞箐銅 雙酞箐鐿(Yb Pc2) 0.03酞箐銅 雙酞箐镥(Lu Pc2) 0.07酞箐銅 雙酞箐釔(Y Pc2)0.05酞箐銅 雙酞箐鋯(Zr Pc2) 0.06酞箐銅 雙酞箐鉿(Hf Pc2) 0.02酞箐銅 雙酞箐錫(Sn Pc2) 0.007酞箐銅 自由萘酞箐(H2Nc) 0.01酞箐銅 萘酞箐鈷(CoNc) 0.08酞箐銅 萘酞箐銅(CuNc) 0.02酞箐銅 萘酞箐鋅(ZnNc) 0.05酞箐銅 萘酞箐鎳(NiNc) 0.02實(shí)施例3
實(shí)驗(yàn)所用氟代酞箐銅和氟代酞箐鋅是商業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)升華純化后使用。
在7059玻璃襯底或柔性塑料襯底1上用射頻磁控濺射方法鍍上一層金屬Ta膜，厚度約200納米，并光刻成柵極形狀2；在柵極上用直流磁控濺射方法反應(yīng)濺射一層Ta2O5作為柵絕緣層3，厚度約100納米；然后采用分子氣相沉積方法制備氟代酞箐銅的有源層4，厚度約20納米；接著采用光刻技術(shù)制作Au的源電極和漏電極5，厚度約50納米；最后，分子氣相沉積一層約30納米氟代酞箐銅的有源層6。夾心場(chǎng)效應(yīng)器件的飽和區(qū)的電子遷移率為0.02cm2/V.s。氟代酞箐銅與氟代酞箐鋅夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的飽和區(qū)的電子遷移率為0.016cm2/V.s。
本發(fā)明不限于上述各個(gè)實(shí)施例。一般來(lái)說(shuō)，本專利所公開(kāi)的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以加工形成二維和三維的集成器件中的元件。這些集成器件可能應(yīng)用在柔性集成電路、有源矩陣顯示等方面。使用基于本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管元件可以低溫加工。加工本發(fā)明的雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管不限于傳統(tǒng)的光刻工藝，也可以采用打印、印刷等加工方法。
權(quán)利要求
1.一種含有有機(jī)半導(dǎo)體的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底(1)，在襯底(1)上形成柵電極(2)，柵絕緣層(3)形成在襯底(1)和柵電極(2)上，其特征在于有源層(4)形成在柵絕緣層(3)上，并露出部分絕緣層(3)，源/漏電級(jí)(5)形成在部分有源層(4)和部分柵絕緣層(3)上，有源層(6)形成在露出的柵絕緣層(3)、有源層(4)、源電極和漏電極柵(5)上。
2.按權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有源層(4)是具有空洞的半導(dǎo)體材料。
3.按權(quán)利要求2所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的半導(dǎo)體材料是有機(jī)半導(dǎo)體材料或有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化材料。
4.按權(quán)利要求3所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有機(jī)半導(dǎo)體材料是兩種或兩種以上分子構(gòu)成的混合、共晶或?qū)訝顝?fù)合的固態(tài)材料。
5.按權(quán)利要求4所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有機(jī)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率在10-3cm2/Vs以上。
6.按權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有源層(4)和(6)的半導(dǎo)體材料是相同的。
7.按權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有源層(4)和(6)的半導(dǎo)體材料是不相同的。
8.按權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有源層(4)和(6)的半導(dǎo)體材料是共晶的。
9.按權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述的有源層(4)和(6)分別由CuPc、NiPc、ZnPc、H2Pc、TiOPc、VOPc、F16CuPc、F16ZnPc和Pentacene之一或至少兩種材料構(gòu)成。
10.按權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，有源層(4)是CuPc、NiPc、ZnPc、H2Pc、F16CuPc、F16ZnPc和Pentacene其中的一種或至少兩種材料構(gòu)成，有源層(6)是雙酞箐金屬、H2Nc、CoNc、CuNc、ZnNc和NiNc中的一種或至少兩種材料構(gòu)成。
11.按權(quán)利要求10所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，雙酞箐金屬為L(zhǎng)a，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Zr，Hf，Sn。
12.一種含有有機(jī)半導(dǎo)體的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法，包括步驟a.在襯底上形成導(dǎo)電材料，并采用光刻方法形成柵電極；b.在襯底和柵電極上形成絕緣層；c.在絕緣層上氣相沉積半導(dǎo)體層，并留有部分絕緣層裸露；d.在裸露的絕緣層和半導(dǎo)體層上形成導(dǎo)電材料，并采用光刻方法或剝離方法形成源電極和漏電極；e.在源電極、漏電極、裸露半導(dǎo)體層和裸露的絕緣層上氣相沉積或旋涂半導(dǎo)體層。
全文摘要
一種含有有機(jī)半導(dǎo)體的夾心型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底(1)，在襯底(1)上形成柵電極(2)，柵絕緣層(3)形成在襯底(1)和柵電極(2)上，其特征在于有源層(4)形成在柵絕緣層(3)上，并露出部分絕緣層(3)，源/漏電級(jí)(5)形成在部分有源層(4)和部分柵絕緣層(3)上，有源層(6)形成在露出的柵絕緣層(3)、有源層(4)、源電極和漏電極柵(5)上。本發(fā)明充分發(fā)揮有機(jī)半導(dǎo)體低溫加工的優(yōu)點(diǎn)，采用兩種或兩種以上材料共同構(gòu)成有源半導(dǎo)體層，增強(qiáng)有源層與源和漏電極有效接觸，降低器件的閾值電壓，并且半導(dǎo)體和源漏電極能夠與絕緣層牢固連接。
文檔編號(hào)H01L51/10GK1398004SQ02129458
公開(kāi)日2003年2月19日 申請(qǐng)日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月28日
發(fā)明者閻東航, 王軍, 張堅(jiān) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所