CN100466323C - 一种非平面沟道有机场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种非平面沟道场效应晶体管结构，包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体层；其在衬底上沉积和图案化栅极以后，顺次构筑第一层绝缘层、源电极、第二层绝缘层和漏电极，最后沉积有机半导体层，至少包括一层有机膜。本发明金属层的厚度为30～300纳米，沟道长度0.3～150微米。
Description
技术领域
本发明涉及有机场效应晶体管技术领域，特别涉及一种新型非平面沟道有机场效应晶体管结构，是一种近垂直沟道结构的有机场效应晶体管和一种由两种不同金属分别作为源漏电极的有机场效应晶体管。
背景技术
自从Tsumura et al.(Tsumura，A.；Koezuka，H.；Ando，T.Appl.Phys.Lett.1986，49，1210)关于有机场效应晶体管的报道以来，有机场效应晶体管由于其在有源矩阵显示，有机集成电路，电子商标等方面的潜在应用价值得到了人们的广泛关注。与无机晶体管相比，有机场效应晶体管具有低成本，重量轻，柔韧性好等特点。近年来，有机场效应晶体管取得了长足的发展。其中并五苯的场效应迁移率已经超过1.5cm2V-1s-1(Nelson，S.F.；Lin，Y.Y.；Gundlach，D.J.；Jackson，T.N.Appl.Phys.Lett.1998，72，1854)，已经可以和无定形硅相媲美。红荧烯的单晶场效应迁移率高达15cm2V-1s-1(Sundar，V.C.；Zaumseil，J.；Podzorov，V.；Menard，E.；Willett，R.L.；Someya，T.；Gershenson，M.E.；Rogers，J.A.Science 2004，303，1644)。
减小尺寸是有机场效应晶体管制备高集成电路的必经之路，这是因为沟道长度的降低可以提高晶体管的工作速度。目前，人们采用多种方法来实现这一目的，如：光刻，印刷等等(1:Touwslager，F.J.；Willard，N.P.；deLeeuw，D.M.Appl.Phys.Lett.2002，81，4556.2:Leufgen，M.；Lebib，A.；Muck，T.；Bass，U.；Wagner，V.；Borzenko，T.；Schmidt，G.；Geurts，J.；Molenkamp，L.W.Appl.Phys.Lett.2004，84，1582)，但是这些方法仍然存在问题。为了进一步降低沟道长度，人们引入垂直结构的场效应晶体管结构(1:Stutzmann，N.；Friend，R.H.；Sirringhaus，H.Science 2003，299，1881.2:Parashkov，R.；Becker，E.；Hartmann，S.；Ginev，G.；Schneider，D.；Krautwald，H.；Dobbertin，T.；Metzdorf，D.；Brunetti，F.；Schildknecht，C.；Kammoun，A.；Brandes，M.；Riedl，T.；Johannes，H.H.；Kowalsky，W.Appl.Phys.Lett.2003，82，4579.3:Parashkov，R.；Becker，E.；Ginev，G.；Riedl，T.；Brandes，M.；Johannes，H.H.；Kowalsky，W.Appl.Phys.Lett.2004，85，5751.)。由于垂直结构的场效应晶体管的沟道长度是由绝缘层的厚度决定，因此可以很容易控制沟道长度。但是这种结构很难实现栅极的有效调控，从而导致此类晶体管具有较小的开关比。此外，有机发光场效应晶体管由于在同一材料、同一器件中实现开关和光发射的集成，成为目前研究热点(1:Hepp，A.；Heil，H.；Weise，W.；Ahles，M.；Schmechel，R.；Seggern，H.V.Phys.Rev.Lett.2003，91，157406.2:Ahles，M.；Hepp，A.；Schmechel，R.；Seggern，H.V.Appl.Phys.Lett.2004，84，428.)它最大程度上简化了器件制备工艺，成本低廉，有广阔的前景。而这种结构需要沟道中同时存在空穴和电子，同时由两种不同金属构成的场效应晶体管可以实现这一目的，但是利用目前所采用的下电极结构很难构筑具有不同源漏金属电极的场效应晶体管。
发明内容：
本发明的目的是在于提供一种新型的非平面沟道场效应晶体管结构。
本发明的另一目的在于这种结构可以实现沟道长度小于1微米的近垂直沟道的场效应晶体管和同时由两种不同金属作为源漏电极的有机场效应晶体管。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种非平面沟道场效应晶体管，为近垂直沟道结构，包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体层；其在衬底上沉积和图案化栅极以后，顺次构筑第一层绝缘层、源电极、第二层绝缘层和漏电极，最后沉积有机半导体层，至少包括一层有机膜。
所述的非平面沟道场效应晶体管，其所述衬底，是由玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成。
所述的非平面沟道场效应晶体管，其所述栅极和源漏电极，是由具有低电阻的材料构成，包括金、银、铝、铜等各种金属及合金材料以及金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料，沉积方法可以是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积等各种沉积方法。
所述的非平面沟道场效应晶体管，其所述第一和第二绝缘层材料具有良好的介电性能，包括无机绝缘材料二氧化硅、氮化硅和有机绝缘材料，制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀等。
所述的非平面沟道场效应晶体管，其所述有机半导体层是具有场效应性能的有机材料，包括有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们混合物，成膜方式可以是真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷等技术。
所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
第一步，栅极金属的沉积及图案化：
用乙醇、丙酮超声清洗、去离子水冲洗的衬底，经氮气吹干和烘箱烘干，之后匀胶、曝光、显影、蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的栅极电极。
第二步，第一层绝缘层的沉积：
将栅极图案化以后的衬底采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层。
第三步，源电极的沉积及其图案化：
在沉积有第一层绝缘层的衬底上，经过匀胶、曝光、显影之后，蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的源电极。
第四步，第二层绝缘层的沉积：
在源电极和第一层绝缘层上采用成膜方式沉积至少一层绝缘层。
第五步，漏电极的沉积及其图案化：
在第二层绝缘层上，匀胶、曝光、显影之后，蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的源电极，最后刻蚀第二层绝缘层得到沟道。
第六步，有机半导体层材料的沉积及器件测试：
将制备好的漏电极结构晶体管上，采用有机物成膜方法得到厚度为50～150纳米的有机半导体层；将制备好的非平面沟道场效应晶体管，在大气环境下室温下测试后，得成品。
所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其所述非平面沟道为源漏电极不在同一水平面上，导电沟道为一斜坡，沟道的倾斜角度随着沟道长度的降低逐渐增大。
所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其所述金属层的厚度为30～300纳米；
所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其所述沟道长度0.5～6微米。
所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其所述有机物成膜方法，为真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷；有机物为聚合物时，采用甩膜、滴膜、印刷；为小分子时真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷。
本发明有具有以下特点和优点：
1：本发明制备的有机场效应晶体管可以通过光刻技术和绝缘层厚度两种方法控制导电沟道的长度，可利用普通光刻技术将导电沟道长度减小到1微米以下。
2：本发明公开的方法，与其它方法相比，可利用同一工艺制备从近平面沟道结构到近垂直沟道结构的沟道具有各种倾角的有机场效应晶体管。
3：本发明公开的方法，源漏电极为两次沉积制备，可以任意改变源漏电极的组成，易于制备由两种不同金属作为源漏电极的场效应晶体管。在有机发光场效应晶体管有应用价值。
附图说明：
图1：为本发明场效应晶体管的有机材料分子式；
图2：为本发明场效应晶体管的非平面沟道场效应晶体管的制备流程图；其中，图2(a)为栅极制备及其图案化，图2(b)为第一层绝缘层的沉积，图2(c)为源金属电极的沉积及其图案化，图2(d)为第二层绝缘层的沉积，图2(e)为漏金属电极的沉积及其图案化，图2(f)为具有较小沟道倾角的场效应晶体管，图2(g)为近垂直沟道场效应晶体管；
图3：为本发明场效应晶体管的制备器件的原子力显微镜图；其中，图3(a)的沟道长度为6微米，图3(b)的沟道长度为3微米，图3(c)的沟道长度为500纳米；
图4：为本发明场效应晶体管基于CuPc的非平面沟道有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图；其中，图4(a)的沟道长度为6微米，图4(b)的沟道长度为3微米，图4(c)的沟道长度为500纳米。
具体实施方式
实施例1：
图1所示的是用于制备本发明的有机材料的分子式，为酞菁铜(CuPc)。
图2所示的为本发明的非平面沟道场效应晶体管的制备流程图；其中，图2(a)为栅极制备及其图案化，图2(b)为第一层绝缘层的沉积，图2(c)为源金属电极的沉积及其图案化，图2(d)为第二层绝缘层的沉积，图2(e)为漏金属电极的沉积及其图案化，图2(f)为具有较小沟道倾角的场效应晶体管，图2(g)为近垂直沟道场效应晶体管。
本发明的一种场效应晶体管依次包括衬底、绝缘层、栅极电极、源漏电极、有机半导体层。其中衬底可由以下材料制成：玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成。绝缘层可为无机绝缘层和有机绝缘层，包括二氧化硅、氮化硅、聚乙烯醇等。电极可由金、银、铝、铜、镁等各种金属及合金材料以及氧化物(如氧化铟锡)导电材料组成。有机半导体层可为单层、双层，可以是一种材料也可是混合材料。
图3为制备器件的原子力显微镜图，其中，图3(a)的沟道长度为6微米，图3(b)的沟道长度为3微米，图3(c)的沟道长度为500纳米。下面举例对沟道长度为6微米，源漏电极均为金电极基于CuPc的有机场效应晶体管(图3(a))的制备加以说明，但本发明并不局限于此。
第一步，栅极电极的制备
将硅片经乙醇、丙酮超声、去离子水冲洗、氮气吹干后，烘干，将硅衬底置于等离子体增强的化学气相沉积系统内，分别沉积二氧化硅和氮化硅，厚度分别为150纳米，之后甩涂光刻胶(AZ 5124)，烘干后曝光，然后采用AZ显影液显影，将该衬底置于真空系统内，在2×10-4Pa的真空条件下，蒸镀金电极，厚度为100纳米，最后采用丙酮、乙醇超声、去离子水冲洗后(剥离)吹干，得到图案化的栅极电极。
第二步，第一层绝缘层的沉积
将制备好栅极的衬底置于等离子体增强的化学气相沉积系统内，分别沉积二氧化硅和氮化硅，厚度分别为150纳米。
第三步，源电极的制备
按第一步的步骤，唯一不同的是金电极的厚度为200纳米。得到图案化的源电极。
第四步，第二层绝缘层的沉积
按第二步的步骤，得到第二层绝缘层。
第五步，漏电极的制备
按第一步的步骤，唯一不同的是金电极的厚度为200纳米。得到图案化的漏电极。然后经离子体清洗两分钟、后用湿法刻蚀绝缘层后，用丙酮、乙醇超声、去离子水冲洗、烘干。得到电极结构。
第六步，有机半导体层的制备及测试
在真空度为4×10-4Pa的条件下以2
/s的速度蒸镀CuPc，厚度为80纳米。之后利用HP4140B半导体测试仪对器件性能进行测试。基于该结构的CuPc迁移率为3.2×10-3cm2V-1s-1，开关比为104。
图3(a)为为本发明的沟道长度为6微米，源漏电极均为金电极的电极结构的原子力显微镜图。
参见图4，是基于CuPc的非平面沟道有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图，其中，图4(a)的沟道长度为6微米，图4(b)的沟道长度为3微米，图4(c)的沟道长度为500纳米。图4(a)为本发明的沟道长度为6微米，源漏电极均为金电极基于CuPc的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图。
实施例2：
按实施例1的制备，唯一不同的是控制沟道长度为3微米，基于CuPc的迁移率为1.2×10-3cm2V-1s-1，开关比为103。
图3(b)为为本发明的沟道长度为3微米，源漏电极均为金电极的电极结构的原子力显微镜图
图4(b)为本发明的沟道长度为3微米，源漏电极均为金电极基于CuPc的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图。
实施例3：
按实施例1的制备，唯一不同的是绝缘层的厚度控制沟道长度为500纳米，制备了近垂直沟道的有机场效应晶体管，基于CuPc的迁移率为1.2×10-4cm2V-1s-1，开关比为30。
图3(c)为为本发明的沟道长度为500纳米，源漏电极均为金电极的电极结构的原子力显微镜图
图4(c)为本发明的沟道长度为500纳米，源漏电极均为金电极基于CuPc的有机场效应晶体管的输出曲线和转移曲线图。
实施例4：
按实施例1的制备，唯一不同的是源漏电极为金和铝，以金电极为源极测得基于CuPc的迁移率为2.6×10-3cm2V-1s-1，开关比为103，以铝电极为源极测得迁移率为3×10-6cm2V-1s-1，开关比为300。
实施例5：
按实施例1的制备，唯一不同的是源漏电极均为铝，测得基于CuPc的迁移率为2.6×10-6cm2V-1s-1，开关比为103。
表1 是基于酞菁铜的非平面沟道场效应晶体管的性能参数：
Claims (11)
1、一种非平面沟道场效应晶体管，为近垂直沟道结构，包括衬底、栅极电极、绝缘层、源漏电极和有机半导体层；其特征在于，在衬底上沉积和图案化栅极以后，顺次构筑第一层绝缘层、源电极、第二层绝缘层和漏电极，最后沉积有机半导体层，至少包括一层有机膜。
2、如权利要求1所述的非平面沟道场效应晶体管，其特征在于，所述衬底，是由玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成。
3、如权利要求1所述的非平面沟道场效应晶体管，其特征在于，所述栅极和源漏电极，是由具有低电阻的材料构成，包括金、银、铝、铜或它们的金属合金材料或金属氧化物导电材料；沉积方法是真空热蒸镀、磁控溅射或等离子体增强的化学气相沉积方法。
4、如权利要求3所述的非平面沟道场效应晶体管，其特征在于，所述金属氧化物导电材料，为氧化铟锡。
5、如权利要求1所述的非平面沟道场效应晶体管，其特征在于，所述第一和第二绝缘层材料具有良好的介电性能，包括无机绝缘材料二氧化硅和氮化硅或有机绝缘材料，制备方法是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀。
6、如权利要求1所述的非平面沟道场效应晶体管，其特征在于，所述有机半导体层是具有场效应性能的有机材料，包括有机小分子材料、高分子聚合物材料或它们的混合物，成膜方式是真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷技术。
7、如权利要求1所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，栅极金属的沉积及图案化：
用乙醇、丙酮超声清洗、去离子水冲洗的衬底，经吹干和烘箱烘干，匀胶、曝光、显影之后，蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的栅极电极；
第二步，第一层绝缘层的沉积：
将栅极图案化以后的衬底采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；
第三步，源电极的沉积及其图案化：
在沉积有第一层绝缘层的衬底上，经过匀胶、曝光、显影之后，蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的源电极；
第四步，第二层绝缘层的沉积：
在源电极和第一层绝缘层上采用成膜方式沉积至少一层绝缘层；
第五步，漏电极的沉积及其图案化：
在第二层绝缘层上，匀胶、曝光、显影之后，蒸镀至少一层金属、剥离，得到图案化的漏电极，最后刻蚀第二层绝缘层得到沟道；
第六步，有机半导体层材料的沉积及器件测试：
将在制备好的漏电极结构晶体管上，采用有机物成膜方法得到厚度为50～150纳米的有机半导体层；将制备好的非平面沟道场效应晶体管，在大气环境下室温测试后，得成品。
8、如权利要求7所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述第六步中非平面沟道，为源、漏电极不在同一水平面上，导电沟道为一斜坡，沟道的倾斜角度随着沟道长度的降低逐渐增大。
9、如权利要求7所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述金属层的厚度为30～300纳米。
10、如权利要求7或8所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述沟道长度0.5～6微米。
11、如权利要求7所述的非平面沟道场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述有机物成膜方法，为真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷；有机物为聚合物时，采用甩膜、滴膜或印刷；为小分子时真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷。
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