CN101017881A - 使用超薄金属氧化物栅极介电层的有机薄膜晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低电压有机薄膜晶体管，以O2等离子体工艺，将超薄金属氧化物的栅极介电层自我形成于栅电极上。该金属栅电极沉积于塑料或玻璃基板上。使用O2等离子体工艺氧化该栅电极，使金属氧化物的栅极介电层直接形成于该栅电极上，其厚度仅为数纳米。随后有机半导体层沉积于该栅极介电层上，而源电极/漏电极形成于该有机半导体层上。于形成该有机半导体层之前，可使用分子自我组合技术形成有机单分子层于该栅极介电层上。该栅极介电层可于室温至约100℃温度下形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机薄膜晶体管(OTFT)技术，尤其涉及一种低电压OTFT，系以O2等离子体工艺氧化金属栅电极，直接于该金属栅电极上自我形成超薄金属氧化物栅极介电层的一种OTFT。
背景技术
近来，人们对“并五苯”之类的有机半导体己经进行了广泛研究。由各种综合方法产生并以纤维或膜的形式，很容易形成有机半导体。有机半导体具有良好弹性、良好导电率、及相当低的生产成本。由于这些有利条件，人们于广泛领域中研究有机半导体作为新电子材料，包括电子装置与光学装置。与使用无定形硅的传统硅TFT相比，该OTFT为半导体主动区域使用的有机半导体。该OTFT的结构非常类似传统硅TFT，但于制造中更有价值，例如较简单的工艺与较低的成本。基于这些理由，现今仍继续有新的尝试以将OTFT技术应用于最新电子产品，包括弹性显示器、RFID(无线射频辨识)、及任何其它可携式装置。
然而，现代OTFT技术有某些技术问题仍待解决。其中之一是需要另一种新工艺，使之于较低温度下产生栅极介电层。一般用作栅极介电层的氧化硅或氮化硅因此不可应用至需要低温工艺的玻璃或塑料基板。现存OTFT的另一问题是应降低操作电压。低功率消耗是应用上不可或缺的，例如弹性显示器与RFID，然而该OTFT的操作电压常常超过20V。这是由于栅极介电层相当厚，通常达到100nm或以上。
解决这些问题的各种方法已经于业界中引入。专利第6,207,472号揭示一栅极介电层，使用喷溅、纺织工艺等等于25～150℃由Ta2O3、V2O3、TiO2等等形成。于其它情况中，韩国公开申请案第2005-31858号揭示于室温至约100℃由喷溅沉积Al2O3栅极介电层。于另一情况中，日本公开申请案第2003-258260号与第2003-258261号揭示电镀Ta、Al等等栅电极以形成栅极介电层。
很不幸地，虽然这些传统技术，提供了于相当低的温度下形成金属氧化物、作为该OTFT的栅极介电层的方法，但其无法提供一种方法以减少该栅极介电层的厚度。举例来说，美国专利第6,207,472号该厚度于0.5μm的范围中。韩国公开申请案第2005-31858号中，该厚度介于61nm与450nm之间。日本公开申请案第2003-258260号与第2003-258261号中，所述的厚度为85.64nm。
另一方面，于业界中已经继续进行更薄栅极介电层的研究。举例来说，MarcusHalik等人于2000年在Nature第431卷第963-966页的“具有无定形分子栅极电介质的低电压有机晶体管”的论文，揭示一种掺杂硅基板上的2.5nm厚的分子自我组合单分子层(SAM)栅极电介质。然而，由于没有设计于该掺杂硅基板用于栅电极的情况下的电气隔离分离装置，此发明并不可行。
另一论文，L. A.Majewski等人于2005年在Adv.Mater.第17卷第2号第192-196页的“伏特有机晶体管”中提议，以电镀金属形成具有数纳米厚的金属氧化物作为栅极介电层。然而，此种方法由于电镀为一种湿工艺而缺乏可用性，有可能经常引来不利的金属剥皮。因此业界中需要研发一种新的有机薄膜晶体管，允许以低温工艺形成超薄栅极介电层，且可以低压操作。亦需要研发一种新的有机薄膜晶体管，允许IC制造，因此可用于弹性显示器、RFID等等。
发明内容
本发明提供一种有机薄膜晶体管，其包含一基板、形成于该基板上且由可氧化的金属制成的一栅电极、由O2等离子体工艺自我成长于栅电极上的金属氧化物制成的一超薄栅极介电层、形成于该栅极介电层上的有机半导体层、及形成于该有机半导体层上、且互相间隔开的源电极/漏电极。根据本发明的一示范实施例，该有机薄膜晶体管可另包含一有机单分子层，其插入该栅极介电层与该有机半导体层之间且由分子自我组合技术(molecular self-assembly technique)形成。举例来说，该有机单分子层可由(苄氧基)烷基三甲氧基硅烷[(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilane]制成。
本发明的实施例还提供一种制造有机薄膜晶体管的方法，该方法包含沉积具有图案的栅电极于基板上，该栅电极是由可被氧化的金属制成；使用O2等离子体工艺直接氧化该栅电极，使得一层超薄栅极介电层由自我形成于该栅电极上的金属氧化物形成；沉积有机半导体层于该栅极介电层上；并形成源电极/漏电极于该有机半导体层上，使得该源极/漏电极互相间隔开。
根据本发明的另一示范实施例，该方法可另包含于沉积该有机半导体层之前，使用分子自我组合技术形成有机单分子层于该栅极介电层上。于本发明的又一示范实施例中，该基板可由塑料或玻璃制成。此外，该栅电极可由铝制成，且因此该栅极介电层可为氧化铝。再者，该栅极介电层可以在室温至约100℃温度下形成。同时，该栅极介电层厚度可为数纳米。
附图说明
图1是根据本发明的一示范实施例，显示有机薄膜晶体管的剖面图；
图2是根据本发明的另一示范实施例，显示有机薄膜晶体管的剖面图；
图3显示图2中所示的有机单分子层的化学结构；
图4A至图4D显示图1中所示的有机薄膜晶体管的制造方法典型图；
图5显示本发明的一实验例的氧化铝层的TEM照片；
图6显示图5中所示的氧化铝层的I-V特性曲线图；
图7显示图5中所示的氧化铝层的故障电压曲线图；
图8显示图5中所示的氧化铝层的电容曲线图；
图9A与图9B分别显示图5中所示具有氧化铝层的OTFT的IDS-VGS、IDS-VDS特性曲线图。
附图标号说明：10基板；12栅电极；13栅极介电层；14有机半导体层；15源电极；16漏电极；17有机单分子层。
具体实施方式
现在将参照附图更完整说明本发明的示范，但非限制性实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施，且不应解释为限制为在此所提出的示范实施例。而是，提供所揭示实施例使得此揭示将彻底且完整，并将本发明的范畴完整传达给熟悉该领域的普通技术人员。本发明的原则与特征可于不超出本发明的范畴外实施于各种各样的许多实施例中。
应注意众所周知的结构与工艺并不详细描述或说明，以避免遮掩本发明的本质。亦应注意，图示并非等比例绘制。而是为了简单与清楚说明的目的，某些组件的尺寸相对其它组件加以夸大。类似组件符号用于不同图式的类似与对应部分。
有机薄膜晶体管(OTFT)
图1显示根据本发明的一示范实施例的有机薄膜晶体管的剖面图。参照图1，一栅电极12形成于由如塑料或玻璃制成的一基板10上。一薄栅极介电层13成长于该栅电极12的表面上。该栅电极12由可被氧化的金属制成，例如铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)等等，且该栅极介电层13由直接氧化该金属栅电极12自我成长。因此该栅极介电层13为金属氧化物，例如氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)等等。尤其，金属氧化物的栅极介电层13以低温工艺形成且具有数纳米的厚度。有机半导体层14，例如并五苯层，形成于该栅极介电层13上。一源电极15与一漏电极16接着形成于该有机半导体层14上互相间隔开。该源极与漏电极15与16由金属制成，例如金(Au)或铝(Al)。如图2中所示，本发明的OTFT可另包含一有机单分子层17插入该栅极介电层13与该有机半导体层14之间。该有机单分子层17可由业界中众所周知的分子自我组合技术形成。该有机单分子层17可将该栅极介电层13的表面从亲水变为疏水，且因此可促进该有机半导体层14的构成相当密集。此可改良该OTFT的电气特性，例如移动性、断开状态的电流等等。
举例来说，该有机举分子层17的适当材料可为(苄氧基)烷基三甲氧基硅烷[(Benzyloxy)alkyltrimethoxysilane]，其化学结构显示于图3中。参照图3，该有机单分子层17的化学结构是由头部部分、中间部分、及尾部部分组成。该头部部分具有该有机半导体层14的低表面能量。该中间部分具有展示高介电属性的烷基链组织。该尾部部分具有可允许分子自我组合成单分子层(SAM)的硅烷结构。
OTFT的制造方法
下面将描述制造前面提及的OTFT装置的方法。从制造的下列说明来看，该OTFT的结构亦将变为更清楚。图4A至图4D是显示图1中所示的OTFT的制造方法典型图。
参照图4A，该栅电极12沉积并组成图案于该塑料或玻璃基板10上。举例来说，该栅电极12可由铝制成。然而，该栅电极12的材料不限于特定种类的金属。该金属栅电极12的沉积可使用热蒸发、电子束蒸发、喷溅、或业界众所周知的其它适当技术。该金属栅电极12的图案化可由众所周知技术加以完成，例如蒙罩或光刻技术。
接下来，如图4B中所示，该栅极介电层13由O2等离子体工艺自我形成于该栅电极12上。具体来说，该金属栅电极12于O2等离子体工艺中氧化，使得该栅极介电层13于低温下(即室温至约100℃)由具有数纳米(如5nm)厚度的超薄金属氧化物形成。举例来说，O2等离子体工艺可于约10sccm的O2流比率、约30mtorr的压力、及约50W的功率下实施10分钟。
图5TEM照片中显示于上述条件下由O2等离子体工艺形成该栅极介电层的一氧化铝层。于图5中，该栅极上的氧化铝层测量约为5nm厚。应了解O2等离子体工艺中的上述条件仅为范例，并不能解释为对本发明的示范实施例的限制。
使用于低温的O2等离子体工艺的金属栅电极12的直接氧化，允许该基板10使用不适用于高温工艺的塑料或玻璃。再者，使用O2等离子体工艺的直接氧化减小该栅极介电层13的厚度至数纳米，使得该OTFT可以小于2V的低电压下操作。此外，由于该栅极介电层13自我形成于已经图案化的栅电极12上，不需要执行使用分隔分离装置的额外隔离工艺。
接下来，如图4C中所示，该有机半导体层14使用如热蒸发沉积等方法形成于该栅极介电层13上。该有机半导体层14可使用但不限于并五苯。于形成该有机半导体层14之前，上面所讨论的有机单分子层(图2中之17)可视需要形成于该栅极介电层13上。
最后，如图4D中所示，该源电极15与该漏电极16互相间隔开形成于该有机半导体层14上。
实验例1：氧化铝的电气特性
若要测定图5中所示的氧化铝的电气特性，分别使用适当仪器HP4155A与HP4280A实行I-V(电流-电压)与C-V(电容-电压)测量实验。自这些实验获得的图6至图8分别显示该氧化铝层的I-V特性曲线、故障电压曲线、及电容曲线。
图6标绘Al/Al2O3/Al结构与Al/Al2O3/Au结构中的I-V曲线。图6的结果显示两个结构中的不同漏电流密度。举例来说，该Al/Al2O3/Al结构于1V处展示相对高电流密度5.87×10-7A/cm2，反之该Al/Al2O3/Au结构于1V处为相对低电流密度2.4×10-7A/cm2。此可能由于铝与金间的功函数的差异所导致。
如图7中所述，该氧化铝层的故障电压于该Al/Al2O3/Au结构中测量约3MV/cm。
图8显示该Al/Al2O3/Al结构中的C-V曲线，其中该氧化铝层的电容测量约1.1μF/cm2。就图5中所示的氧化铝层的厚度而论，该介电常数计算为约6.2。
实验例2：并五苯OTFT的电气特性
图9A与图9B分别显示图5中所示具有氧化铝层的并五苯OTFT的IDS-VGS、IDS-VDS特性曲线。其电气特性显示于下列表一中。
表一
| 移动性(cm2/V·sec) | 开/关电流率(Ion/Ioff) | 临界电压(V) | 次临界斜率(V/dec) | 断开状态的电流(pA/μm) |
| 0.1 | 6.3×103 | -1.13 | 0.206 | 0.25 |
如表一中所示，该OTFT具有0.1cm2/V·sec的移动性、6.3×103的开/关电流率(Ion/Ioff)、-1.13V的临界电压(Vt)、0.206V/dec的一次临界斜率、及0.25pA/μm的开态电流。再者，于VGS＝-2V处，漏极/源极浸透电压(VDS，sat)测量为-0.7V，且因此确认该OTFT的低电压操作。
如上文中所完整讨论的，本发明的具有超薄金属氧化物栅极电介质的低电压OTFT相较于传统OTFT具有许多优点，如下所述。
首先，本发明的OTFT可由范围自室温至约100℃的低温工艺加以制造。因此本发明的OTFT可使用不适用于高温工艺的塑料或玻璃基板。第二，本发明的OTFT具有超薄金属氧化物做为该栅极介电层，因此其操作电压可大大减少，且因此该OTFT可用于弹性显示器、RFID等等。第三，本发明的OTFT不需要图案化该栅极介电层以供隔离的工艺。因此相关制造程序变为较简单。第四，若要另加改良电气特性，本发明的OTFT亦可具有自我组合于该栅极介电层与该有机半导体层间的有机单分子层。
虽然本发明已经特别参照其实施例加以显示与说明，熟悉该领域的普通技术人员应了解，于不超出所附权利要求范围所定义的本发明精神与范畴外，可做各种形式与细节的不同变更。
Claims (14)
1.一种有机薄膜晶体管，其特征在于，其包含：
一基板；一栅电极形成于该基板上，其中该栅电极是由可氧化的金属制成；一超薄栅极介电层形成于该栅电极上，其中该栅极介电层是由O2等离子体工艺自我形成于栅电极上的金属氧化物制成；一有机半导体层形成于该栅极介电层上；而源电极/漏电极形成于该有机半导体层上，其中该源电极/漏电极互相间隔开。
2.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，该基板是由塑料或玻璃制成。
3.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，该栅电极是由铝制成，而该栅极介电层则系氧化铝。
4.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，该栅极介电层是在室温至约100℃温度形成。
5.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，该栅极介电层厚度为数纳米。
6.如权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，还包含：一有机单分子层插入该栅极介电层与该有机半导体层之间，其中该有机单分子层是由分子自我组合技术形成。
7.如权利要求6所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，该有机单分子层是由(苄氧基)烷基三甲氧基硅烷制成。
8.一种制造有机薄膜晶体管的方法，其特征在于，该方法包含：
沉积具有图案的一栅电极于一基板上，其中该栅电极是由可被氧化的金属制成；
使用O2等离子体工艺直接氧化该栅电极，使得一超薄栅极介电层由自我形成于该栅电极上的金属氧化物形成；沉积有机半导体层于该栅极介电层上；并形成源电极/漏电极于该有机半导体层上，使得该源电极/漏电极互相间隔开。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该基板是由塑料或玻璃制成。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该栅电极是由铝制成，而该栅极介电层系氧化铝。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该栅极介电层是在室温至约100℃温度形成。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该栅极介电层厚度为数纳米。
13.如权利要求8所述的方法，还包含：于沉积该有机半导体层之前，使用分子自我组合技术形成有机单分子层于该栅极介电层上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该有机单分子层是由(苄氧基)烷基三甲氧基硅烷制成。
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