CN101136454A

CN101136454A - 有机半导体元件及其制造方法

Info

Publication number: CN101136454A
Application number: CNA2006101216719A
Authority: CN
Inventors: 黄良莹; 林宗贤; 郑翔远; 胡堂祥
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-05

Abstract

一种有机半导体元件的制造方法，此方法是在基底上依序形成栅极导体层与栅介电层。然后，在栅极导体层两侧的栅介电层上分别形成图案化金属层，接着，在各个图案化金属层的上表面以及相邻的侧壁上分别形成一电极改质层，其与所覆盖的图案化金属层构成一源极/漏极。之后，在二源极/漏极之间及其上方形成一有机半导体层，以做为一有源层。

Description

有机半导体元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路及其制造方法，且特别是涉及一种有机半导体元件及其制造方法。

背景技术

有机薄膜晶体管是由有机共轭高分子或寡分子材料所制成的晶体管，与传统的无机晶体管比较起来，有机薄膜晶体管可在低温下制作，因此在基板选择上可采用较轻、薄且便宜的塑料取代玻璃。此外，有机薄膜晶体管相对来讲制造工艺简单，故极具发展潜力。

虽然有机薄膜晶体管具有上述的优点，但目前研究上仍有一些瓶颈有待克服，如载流子移动速率较慢、驱动电压过高等问题。载流子移动速率过慢，主要是因为有源层的有机半导体分子的结晶颗粒大小会因为底层的材料性质及表面粗糙度而异，小的结晶分子间存在许多边界(boundary)，这些边界会阻碍载流子的传递，降低载流子移动速率，影响元件的电性特性，进而限制有机薄膜晶体管开发及应用的范围。

目前研究主要集中在如何使有源层的有机半导体分子以单晶或结晶颗粒较大的型态存在。其中较引起注意的方法是对沉积有机半导体分子的表面做改质，即于介电层上覆盖一层能提升有机半导体分子结晶型态的中间层，已有显著的成果。但在金属电极上方及边界所形成的结晶颗粒仍然很小。因此，有部分研究是将金属表面形成单一层的自行对准材料层(self-alignmaterial，SAM)或将半导体材料改质以助半导体分子排列，但单层的SAM容易挥发且质量稳定性不佳；而半导体层改质又会影响半导体材料本身的特性。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种有机半导体元件及其制造方法，其具有较高的载流子移动速率，以改善耗电的问题。

本发明的再一目的就是在提供一种有机半导体元件及其制造方法，其可以改变金属电极上方及边界的有机半导体结晶的排列方式并增加结晶颗粒的大小。

本发明提出一种有机半导体元件的制造方法，此方法是在基底上形成栅极导体层，再形成栅极介电层。然后，在栅极导体层两侧的栅介电层上分别形成图案化金属层，接着，在各个图案化金属层的上表面以及相邻的侧壁上分别形成一电极改质层，此电极改质层与其所覆盖的图案化金属层构成一源极/漏极。之后，在二源极/漏极之间及其上方形成一有机半导体层，以做为一有源层。

依照本发明实施例所述，上述电极改质层的形成方法是在基底上形成一层覆盖图案化金属层与栅介电层的电极改质材料层，再以激光照射并去除图案化金属层之间的部分电极改质材料层。

依照本发明实施例所述，上述电极改质材料层的形成方法可采用旋转涂布法，其材质包括导电高分子，如聚3，4-乙撑二氧噻吩(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)、聚4-苯乙烯磺酸钠(poly(styrenesulfonate，PEDOT:PSS)、聚苯胺(polyaniline)或聚吡咯(polypyrrole)。

依照本发明实施例所述，上述有机半导体层的材质包括并五苯或聚3-己噻吩。

依照本发明实施例所述，上述有机半导体元件的制造方法中，在形成图案化金属层与形成电极改质层的步骤之间，更包括在二图案化金属层之间所裸露的栅介电层上形成一中间层，此中间层的材质可以是十八烷基三氯硅烷单层膜(octadecyltrichlorosilane(OTS)monolayer)、聚酰亚胺(polyimide)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl Methacrylate)。

本发明提出一种有机半导体元件，其包括一栅极导体层、一栅介电层、二源极/漏极以及一有源层。栅极导体层位于基底上；栅介电层，覆盖在基底与栅极导体层上。源极/漏极，位于栅极导体层两侧的栅介电层上，源极/漏极是由图案化金属层以及覆盖于该图案化金属层的上表面与侧壁的电极改质层所构成。有源层则覆盖部分源极/漏极并填充于源极/漏极之间的间隙中。

依照本发明实施例所述，上述电极改质层的材质包括导电高分子，如聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚4-苯乙烯磺酸钠、聚苯胺或聚吡咯。

依照本发明实施例所述，上述的有机半导体元件，更包括一中间层，位于二图案化金属层之间以及该有源层与该栅介电层之间。

依照本发明实施例所述，上述中间层的材质包括十八烷基三氯硅烷单层膜或聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯。上述有源层的材质包括有机半导体。

本发明提出一种有机半导体元件，其包括二电极以及有机半导体层。各电极包括一图案化金属层以及覆盖于图案化金属层的上表面与侧壁的一电极改质层。有机半导体层则位于二电极之间并延伸覆盖部分的电极改质层。

依照本发明实施例所述，上述电极改质层的材质包括导电高分子，如聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚4-苯乙烯磺酸钠、聚苯胺或聚吡咯。有机半导体层的材质包括并五苯或聚3-己噻吩。

本发明在金属电极与有机半导体有源层之间增加一层有机导电层，可使有源层的有机半导体分子在金属电极上的结晶颗粒变大，进而提升元件的载流子移动速率。

本发明利用有机导电层以及金属层来作为电极，因此可提供与半导体材料更匹配的功函数，而且补偿单纯只有导电高分子作为电极的导电度不足的问题。

本发明的有机导电层的形成方法可以整面涂布方式涂布导电高分子电极再以激光图样化此导电高分子电极，因此，其表面比喷墨或网印方式所形成者平坦。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图作详细说明。

附图说明

图1A至图1D是依照本发明一实施例所绘示的有机半导体元件的制造方法的流程剖面图。

图2A至图2C是依照本发明另一实施例所绘示的有机半导体元件的制造方法的流程剖面图。

主要元件符号说明

100：基底

102：栅极导体层

104：栅介电层

106、108：金属层

110：电极改质材料层

110a、110b：电极改质层

112：激光

113：间隙

114：有源层

116：中间层

120、130：源极/漏极

具体实施方式

本发明在金属电极与有机半导体层之间增加一层有机导电层，其与半导体材料功函数匹配，且有助于有机半导体分子的排列并且可使有源层的有机半导体分子在金属电极上的结晶颗粒变大，因此可以提升元件的载流子移动速率。本发明可以应用于有机半导体元件中，兹以以下的实施例来说明。

请参照图1A，在基底100上形成一栅极导体层102。基底100可以是软性基板或是硬式基板，软性基板的材质如塑料；硬式基板的材质如硅、玻璃或石英。栅极导体层102的形成方法例如是在基底100上形成一层导体层，如多晶硅层或是金属层，然后，利用光刻与蚀刻制造工艺将其图案化。

其后，在基底100上形成一层栅介电层104，其材质例如是介电常数大于3的无机材料或高分子材料，或是介电常数较高的高介电常数材料。栅介电层104可藉由旋转涂布法或是斜板式旋转涂布法(spin-slide coating)来形成。

然后，在栅介电层104上形成金属层106与108。金属层106与108可以由单一的金属材料所构成，例如是金或是银，或是由二种以上的金属材料所形成的合金所构成例如是Ti-Al-Ti。金属层106与108的形成方法例如是可以荫罩(shadow mask)沉积的方式来形成。

之后，请参照图1B，在基底100上形成一层电极改质材料层110，此电极改质材料层110的材质例如是导电高分子，如聚3，4-乙撑二氧噻吩(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)、聚4-苯乙烯磺酸钠poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)、聚苯胺(polyaniline)、或聚吡咯(polypyrrole)，厚度例如是500

～1500

电极改质材料层11O可以藉由旋转涂布的方式涂布在金属电极106与108以及金属电极106与108之间的栅介电层104上。

其后，请参照图1c，将电极改质材料层110图案化，以形成覆盖在金属层106与108的上表面以及侧壁的电极改质层110a与110b，使电极改质层l10a与金属电极106构成一源极/漏极120；电极改质层110b与金属电极108构成另一源极/漏极130。将电极改质层11O图案化的方法可藉由激光112或是网印(screen printing)、喷墨印(inkjet printing)方法并去除金属层106与108之间的部分电极改质材料层110，以留下覆盖在金属电极106与108的上表面以及侧壁的电极改质层110a与11Ob。

之后请参照图1D，在基底100上形成覆盖部分源极/漏极120与130并填充于源极/漏极120、130之间的间隙113中的有源层114。有源层114的材质例如是有机半导体，如并五苯(pentacene)或聚3-己噻吩(poly(3-hexylthiophene)，P3HT)等，其可以以热蒸镀(thermal evaporation)的方式或是采用溶液制造工艺(solution process)，即涂布的方式，如旋转涂布法形成一层膜层，之后再以光刻与蚀刻制造工艺将其图案化。此外，亦可以以采用直接沉积图案化的方式来形成，例如是喷墨印刷法(ink-jet printing)或接触印刷法(contact printing)等。

请参照图2A，在另一实施例中，可以依照上述实施例的方法在基底100上形成栅极导体层102、栅介电层104与金属层106与108。

之后，请参照图2B，在形成电极改质材料层110之前，先在金属层106与108之间的栅介电层104上先形成中间层116。中间层116的材质例如是十八烷基三氯硅烷单层膜(octadecyltrichlorosilane(OTS)monolayer)、聚酰亚胺(polyimide)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl Methacrylate)，厚度为500

～1500

。中间层116的形成方法，可藉由旋转涂布法形成一层膜层，之后再以光刻与蚀刻制造工艺将其图案化。此外，亦可以采用直接沉积图案化的方式来形成，例如是喷墨印刷法或接触印刷法等。此中间层116改变后续覆盖在栅介电层104上方的有源层的有机半导体分子的排列。当中间层116形成之后，可再依照上述的方法形成电极改质层110。

之后，请参照图2C，依照上述的方法将电极改质材料层110图案化，以形成电极改质层110a与电极改质层110b，其中电极改质层110a与金属电极106构成源极/漏极120；电极改质层110b与金属电极108构成另一源极/漏极130。然后，再依照上述的方法形成有源层114。

一般有机半导体分子的结晶颗粒在氧化硅上约0.2～0.5μm，然而在金属电极如Au上却急遽变小，使得一般下接触窗式(bottom contact)元件的电子迁移率约等于或小于0.16cm²V^-1s^-1。本发明在金属电极与有机半导体层之间增加一层有机导电层，可使有源层的有机半导体分子在金属电极上的结晶颗粒变大，而且有机导电层与半导体材料功函数匹配，其电子迁移率可达0.48cm²V^-1s^-1以上，换言之，电子迁移率提升3倍之多。此外，做为电极改质层的导电高分子材料可以旋转涂布或整面印刷的方式涂布于金属电极层上再以激光图样化，因此，所形成的电极改质层具有非常平整的表面，且其形成的步骤简单，并且无挥发及质量稳定性不佳的缺点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种有机半导体元件的制造方法，包括：

在基底上形成栅极导体层；

在该基底与该栅极导体层上形成栅介电层；

在该栅极导体层两侧的该栅介电层上分别形成图案化金属层；

于各该图案化金属层的上表面以及相邻的侧壁上分别形成电极改质层，各该图案化金属层与其上所覆盖的该电极改质层做为源极/漏极；以及

在该源极/漏极之间及其上方形成有机半导体层，以做为有源层。

2.如权利要求1所述的有机半导体元件的制造方法，其中该电极改质层的形成方法包括：

在该基底上形成电极改质材料层，以覆盖该图案化金属层与该栅介电层；以及

以激光照射并去除该图案化金属层之间的部分该电极改质材料层。

3.如权利要求2所述的有机半导体元件的制造方法，其中该电极改质材料层的形成方法包括旋转涂布法。

4.如权利要求1所述的有机半导体元件的制造方法，其中该电极改质层的材质包括导电高分子。

5.如权利要求4所述的有机半导体元件的制造方法，其中该导电高分子的材质包括聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚4-苯乙烯磺酸钠、聚苯胺或聚吡咯。

6.如权利要求1所述的有机半导体元件的制造方法，其中该有机半导体层的材质包括并五苯或聚3-己噻吩。

7.如权利要求1所述的有机半导体元件的制造方法，其中在形成该些图案化金属层与形成该电极改质层的步骤之间，还包括在该二图案化金属层之间所裸露的该栅介电层上形成中间层。

8.如权利要求7所述的有机半导体元件的制造方法，其中该中间层的材质包括十八烷基三氯硅烷单层膜或聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯。

9.一种有机半导体元件，包括：

栅极导体层，位于基底上；

栅介电层，覆盖于该基底与该栅极导体层上；

源极/漏极，位于该栅极导体层两侧的该栅介电层上，各该源极/漏极包括：

图案化金属层，位于该栅介电层；以及

电极改质层，覆盖于该图案化金属层的上表面与侧壁；以及

有源层，覆盖该部分该些源极/漏极并填充于该些源极/漏极之间的间隙中。

10.如权利要求9所述的有机半导体元件，其中该电极改质层的材质包括导电高分子。

11.如权利要求10所述的有机半导体元件，其中该导电高分子的材质包括聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚4-苯乙烯磺酸钠或聚苯胺或聚吡咯。

12.如权利要求9所述的有机半导体元件，还包括中间层，位于该二图案化金属层之间以及该有源层与该栅介电层之间。

13.如权利要求9所述的有机半导体元件，其中该中间层的材质包括十八烷基三氯硅烷单层膜、聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲酯。

14.如权利要求9所述的有机半导体元件，其中该有源层的材质包括有机半导体。

15.一种有机半导体元件，包括：

二电极，各电极包括：

图案化金属层；以及

电极改质层，覆盖于该图案化金属层的上表面与侧壁；以及

有机半导体层，位于该二电极之间并延伸覆盖部分该电极改质层。

16.如权利要求15所述的有机半导体元件，其中该电极改质层的材质包括导电高分子。

17.如权利要求16所述的有机半导体元件，其中该导电高分子的材质包括聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚4-苯乙烯磺酸钠、聚苯胺或聚吡咯。

18.如权利要求15所述的有机半导体元件，其中该有机半导体层的材质包括并五苯或聚3-己噻吩。