CN101162761A - 一种实现低电压操作有机场效应晶体管的方法 - Google Patents

Abstract

一种低操作电压有机场效应晶体管，包括衬底、栅极电极、绝缘层、修饰半导体层、主体半导体层、源电极和漏电极，由修饰半导体层和有机主体半导体层组成有机半导体沟道，有机半导体沟道其结构为下面是修饰半导体层，上面是有机主体半导体层。制备方法为：沉积栅极金属；在栅电极之上采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；在沉积有绝缘层的衬底上，沉积一层修饰半导体层，然后采用有机物成膜方法得到主体有机半导体层，最后沉积源、漏电极得成品。本发明提供的器件结构可以实现有机场效应晶体管在较低的电压下饱和，通过低电压饱和降低有机场效应晶体管的操作电压。

Description

一种实现低电压操作有机场效应晶体管的方法

技术领域

本发明属于有机场效应晶体管技术领域，特别涉及一种实现低操作电压有机场效应晶体管。

本发明还涉及上述有机场效应晶体管的制备方法。

背景技术

自从第一个有机场效应晶体管的报道以来(Tsumura，A.，Koezuka，H.，Ando，T.Appl.Phys.Lett.49，1210，1986)，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，易于大规模制备等特点。近年来，有机场效应晶体管取得了长足的发展，已经有应用于集成电路的尝试(B.Crone，A.Dodabalapur，Y.Y.Lin，R.W.Filas，Z.Bao，A.LaDuca，R.Sarpeshkar，H.E.Katz，and W.Li，Nature，403，521-523，2000)。但是一般而言，有机场效应晶体管的操作电压高到几十伏特甚至上百伏特，限制了它们走向实际应用的可能性。

低操作电压的有机场效应晶体管是实现低操作电压有机集成电路的必要单元。目前，人们通过多种方法来实现这一目的，当前最主要的采用超薄(S.Y.Yang，S.H.Kim，K.Shin，H.Jeon，and C.E.Park，Appl.Phys.Lett.88，173507，2006.)或者单分子的绝缘层(M.Halik，H.Klauk，U.Zschieschang，G.Schmid，C.Dehm，M.Schutz，S.Maisch，F.Effenberger，M.Brunnbauer，and F.Stellacci，Nature，431，963-966，2004)，或者采用高介电常数的材料作为绝缘层(C.D.Dimitrakopoulos，S.Purushothaman，J.Kymissis，A.Callegari，and J.M.Shaw，Science，283，822-824，1999.)，或者采用垂直沟道的器件结构。最近也有报道采用聚合物电解质作为栅极的低操作电压的有机场效应晶体管(M.J.Panzer，C.R.Newman，and C.D.Frisbie，AppliedPhysics Letters，86，103503，2005)。但是，迄今为止，上述几种实现低操作电压的场效应晶体管的方法，和现有的半导体工艺流程不完全相容。特别是超薄绝缘层、单分子绝缘层或者高介电常数绝缘层普遍存在漏电流较大的问题。这就给构筑低操作电压有机场效应逻辑电路造成了巨大的障碍。

发明内容

为了解决常规有机场效应晶体管操作电压过高的问题，本发明的目的在于提供一种实现低操作电压(10V～20V)的有机场效应晶体管。

本发明的又一目的在于提供制备上述低操作电压有机场效应晶体管的方法。

本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管是一种由两层或者两层以上不同半导体作为沟道以形成异质结器件。上述器件结构可以实现有机场效应晶体管在较低的电压下饱和，通过低电压饱和降低有机场效应晶体管的操作电压。

为了实现上述目的，本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管，包括衬底、栅极电极、绝缘层、修饰半导体层、主体半导体层、源电极和漏电极，由修饰半导体层和有机主体半导体层组成有机半导体沟道，有机半导体沟道其结构为下面是修饰半导体层，上面是有机主体半导体层；其中：

衬底，在衬底上嵌入电极引线；

栅电极，该栅电极制作在衬底的一面，即在衬底上沉积和图案化栅电极，栅电极与电极引线导通；

绝缘层，该绝缘层制作在栅电极的另一面；

修饰半导体层，该修饰半导体层制作在绝缘层的另一面；

主体半导体层，该主体半导体层制作在修饰半导体层的另一面；

漏电极和源电极，漏电极和源电极制作在主体半导体层的另一面。

所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述衬底为玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一。

所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述修饰半导体层作为降低操作电压的控制层，其厚度为0.5～50纳米。

所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述主体有机半导体为单层或双层，厚度为20～200纳米。

所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述漏电极和源电极金属层的厚度为30纳米～300纳米；所述沟道长度为0.2微米～150微米。

本发明提供的制备上述低操作电压有机场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

第一步，栅极金属的沉积：

在衬底上沉积至少一层金属，得到栅极电极；

第二步，绝缘层的沉积：

在栅电极之上采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；

第三步，修饰半导体层的沉积及有机主体半导体材料的沉积：

在沉积有绝缘层的衬底上，沉积一层修饰半导体层，然后采用有机物成膜方法得到主体有机半导体层，得成品。

所述的制备方法，其中，所述衬底为玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一，先用乙醇、丙酮超声清洗、去离子水冲洗，经氮气吹干和烘箱烘干后沉积得到栅极电极。

所述的制备方法，其中，所述栅电极、源电极和漏电极为具有低电阻的材料金、银、铝、铜金属及合金材料、金属氧化物导电材料和/或导电复合材料。

所述的制备方法，其中，所述沉积方法为真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、涂布各种沉积方法。

所述的制备方法，其中，所述绝缘层材料为具有良好介电性能的二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、五氧化二钽、聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚乙烯醇；绝缘层的成膜采用等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀。

所述的制备方法，其中，所述修饰半导体层为具有接受或给出电子能力的材料，包括无机给体和受体材料、染料分子、有机给体和受体分子、高分子给体和受体材料以及它们的衍生物或者它们的混合物；修饰半导体层的成膜采用真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷。

所述的制备方法，其中，所述主体有机半导体为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；主体在机半导体的成膜采用真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷。

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控制修饰半导体层的厚度来控制导电沟道的性质，可实现有机场效应晶体管的低电压操作。

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得到可控掺杂半导体沟道的有机场效应晶体管。

3、本发明公开的方法，半导体沟道至少包括两层，可以任意改变修饰半导体层和有机主体半导体层的组成，易于制备构筑由同质结或异质结构成的低操作电压场效应晶体管。在有机效应晶体管的可控制备和低电压有机半导体逻辑门和集成电路中有应用价值。

4、本发明的优点在于，可以在很厚的绝缘层(400纳米～500纳米)上面实现有机场效应晶体管的低电压操作，这样可以做到和现有的半导体制备工艺完全兼容。

附图说明

图1A、B、C和D为本发明场效应晶体管的有机材料分子式。

图2为本发明低电压有机场效应晶体管的结构示意图。

图3a和b分别为基于CuPc(a)和F₁₆CuPc(b)的高操作电压有机场效应晶体管的输出曲线，作为本发明低操作电压有机场效应晶体管输出曲线的对比。

图4为本发明基于TCNE和CuPc的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。

图5为本发明基于TCNE和F₁₆CuPc的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。

图6为本发明基于BEDT TTF和CuPc的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。

图7为本发明基于BEDT TTF和F₁₆CuPc的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图2为本发明低操作电压有机场效应晶体管的结构示意图：从下往上依次为栅电极1、绝缘层2、修饰半导体层3、主体半导体层4、源电极5和漏电极6。

本发明的技术方案是在绝缘层2和主体有机半导体层4之间或者源电极5、漏电极6和主体半导体层4之间额外增加一个沟道称为修饰半导体层，作为降低操作电压的控制层。这种器件的结构包括衬底、栅电极1、绝缘层2、修饰半导体层3、主体半导体层4、源电极5和漏电极6；其在衬底上沉积和图案化栅电极1以后，顺次构筑绝缘层2、修饰半导体层3、主体半导体层4，源电极5和漏电极6。

其所述衬底，是由玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一制成。

其所述栅电极1、源电极5和漏电极6，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，金属氧化物(如氧化铟锡)导电材料和导电复合材料(如金胶、银胶、碳胶等)，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、丝网印刷、涂布等各种沉积方法。

其所述绝缘层2材料具有良好的介电性能，包括无机绝缘材料如二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、五氧化二钽，有机绝缘材料如聚甲基丙烯酸甲酯等、聚乙烯醇等，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。

所述修饰半导体层3，是在绝缘层2和主体有机半导体层4之间，作为降低操作电压的控制层。

所述修饰半导体层3，修饰半导体层3是具有接受或给出电子能力的材料，包括无机给体和受体材料、染料分子、有机给体和受体分子、高分子给体和受体材料以及它们的衍生物或者它们的混合物。

所述修饰半导体层3，修饰半导体层3的成膜采用真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷成膜方式制备。修饰半导体层3可以改变器件的阈值电压，或者使有机场效应晶体管在较低的电压下饱和，从而实现有机场效应晶体管操作电压的降低。

所述主体有机半导体4，采用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，

所述主体有机半导体层4，采用真空蒸镀、甩膜、滴膜、印刷成膜方式。

所述主体有机半导体层4采用单层或双层，采用一种材料或是混合材料。

其所述修饰半导体层3和主体半导体层4的成膜方法，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，采用真空蒸镀、甩膜、滴膜、压印、印刷。

所述低操作电压有机场效应晶体管，由修饰半导体层和有机主体半导体层组成有机半导体沟道，有机半导体沟道的结构是下面是修饰半导体层，上面是有机主体半导体层。

其所述源电极5和漏电极6金属层的厚度为30纳米～300纳米。可根据需要选择30纳米或100纳米或200纳米或300纳米

其所述沟道长度0.2微米～150微米。可根据需要选择0.2微米或50微米或100微米或150微米。

本发明可以在不使用超薄或者高介电常数绝缘层的前提下，使有机场效应晶体管的操作电压从60～100V降低到10V～30V

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，为氟酞菁铜F₁₆CuPc(A)，酞菁铜CuPc(B)，四氰基乙烯TCNE(C)和双亚乙基二硫四硫富瓦烯BEDT TTF(D)。

图2所示的为本发明低操作电压场效应晶体管的结构示意图；其中：最底层是栅电极1，其上方是绝缘层2，然后分别是修饰半导体层3和主体有机半导体层4，其上方分别是源电极5和漏电极6。

下面举例对沟道长度L为50微米，源电极5、漏电极6均为金电极，基于四氰基二甲基醌(TCNE)修饰半导体层3和酞菁铜(CuPc)主体有机半导体层4的有机场效应晶体管图2的制备加以说明，但本发明并不局限于此。

本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，包括以下具体的步骤如下：

第一步，栅电极1的制备

将多晶硅基片经乙醇、丙酮超声、去离子水冲洗、氮气吹干后，烘干，然后用扩散工艺实现对衬底的重掺以形成导电的栅极电极；

第二步，绝缘层2的沉积

将硅衬底置于等离子体增强的化学气相沉积系统内，沉积二氧化硅，厚度为450纳米，或300纳米，或350纳米，或400纳米，或500纳米。

第三步，修饰半导体层3的沉积

在真空度为4×10^-4Pa的条件下以0.5/s的速度蒸镀TCNE，厚度为3纳米，或根据需要选择0.5纳米，或5纳米，或10纳米，或20纳米。

第四步，主体半导体层4的沉积

在真空度为4×10^-4Pa的条件下以2/s的速度蒸镀酞菁铜(CuPc)，厚度为50纳米，或根据需要选择25纳米，或75纳米，或100纳米。

第五步，源电极5、漏电极6的制备

在真空度为1×10^-3Pa的条件下以10/s的速度通过模板蒸镀金，厚度为50纳米，得到具有叉指结构的金电极。

第六步，测试

利用HP4140B半导体测试仪对器件性能进行测试。

图4为本发明的沟道长度为50微米，源电极5、漏电极6均为金电极的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。从输出曲线上可以清楚的看出器件是p型的场效应晶体管，操作电压降低到10V左右，和图3a中基于单层CuPc的器件相比(操作电压约80～100V伏)，操作电压有了显著的降低。

实施例2：

按实施例1的制备，唯一不同的是将酞菁铜CuPc层替换成氟酞菁铜F₁₆CuPc沉积在TCNE修饰半导体层和金电极之间，这种结构的器件也呈现出低电压操作特性。

图5为本发明的沟道长度为50微米，源电极5、漏电极6均为金电极的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。从输出曲线上可以清楚的看出器件是n型的场效应晶体管，操作电压降低到10V～15V左右，和图3b中基于单层氟酞菁铜F₁₆CuPc的器件的操作电压(约60～100V伏)相比有了显著的降低。

实施例3：

按实施例1的制备，唯一不同的是主体有机半导体层4为酞菁镍(NiPc)，以TCNE为修饰半导体层3制备了低操作电压的有机场效应晶体管，器件的操作电压在10～15V左右。

实施例4：

按实施例1的制备，唯一不同的是修饰半导体层3TCNE的厚度是10纳米，源电极5、漏电极6均为金电极，器件的操作电压为10V左右。

实施例5：

按实施例1的制备，唯一不同将修饰半导体层3换成BEDT TTF，主体半导体层4仍然是CuPc。

图6为本发明的沟道长度为50微米，源电极5、漏电极6均为金电极的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。从输出曲线上可以清楚的看出器件是p型的场效应晶体管，操作电压降低到30V左右，和图3a中基于单层酞菁铜CuPc的器件相比有了显著的降低。

实施例6：

按实施例2的制备，唯一不同将修饰半导体层3换成BEDT TTF，主体半导体层4仍然是氟酞菁铜F₁₆CuPc。

图6为本发明的沟道长度为50微米，源电极5、漏电极6均为金电极的低操作电压有机场效应晶体管的输出曲线。从输出曲线上可以清楚的看出器件是n型的场效应晶体管，操作电压降低到20V左右，和图3b中基于单层氟酞菁铜F₁₆CuPc的器件相比有了显著的降低。

上面描述是用于实现本发明及其实施例，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定多种实现方式，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求限定的范围。

Claims (12)

1.一种低操作电压有机场效应晶体管，包括衬底、栅极电极、绝缘层、修饰半导体层、主体半导体层、源电极和漏电极，由修饰半导体层和有机主体半导体层组成有机半导体沟道，有机半导体沟道其结构为下面是修饰半导体层，上面是有机主体半导体层；其中：

衬底，在衬底上嵌入电极引线；

栅电极，该栅电极制作在衬底的一面，即在衬底上沉积和图案化栅电极，栅电极与电极引线导通；

绝缘层，该绝缘层制作在栅电极的另一面；

修饰半导体层，该修饰半导体层制作在绝缘层的另一面；

主体半导体层，该主体半导体层制作在修饰半导体层的另一面；

漏电极和源电极，漏电极和源电极制作在主体半导体层的另一面。

2.如权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述衬底为玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一。

3.如权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述修饰半导体层作为降低操作电压的控制层，其厚度为0.5～50纳米。

4.如权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述主体有机半导体为单层或双层，厚度为20～200纳米。

5.如权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其中，所述漏电极和源电极金属层的厚度为30纳米～300纳米；所述沟道长度为0.2微米～150微米。

6.制备权利要求1所述低操作电压有机场效应晶体管的方法，包括以下步骤：

第一步，栅极金属的沉积：

在衬底上沉积至少一层金属，得到栅极电极；

第二步，绝缘层的沉积：

在栅电极之上采用绝缘层成膜方式沉积至少一层绝缘层；

第三步，修饰半导体层的沉积及有机主体半导体材料的沉积：

在沉积有绝缘层的衬底上，沉积一层修饰半导体层，然后采用有机物成膜方法得到主体有机半导体层。

7.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述衬底为玻璃、陶瓷、聚合物、硅片其中之一，先用乙醇、丙酮超声清洗、去离子水冲洗，经氮气吹干和烘箱烘干后沉积得到栅极电极。

8.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述栅电极、源电极和漏电极为具有低电阻的材料金、银、铝、铜金属及合金材料、金属氧化物导电材料和/或导电复合材料。

9.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述沉积方法为真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、涂布各种沉积方法。

10.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述绝缘层材料为具有良好介电性能的二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、五氧化二钽、聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚乙烯醇；绝缘层的成膜采用等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、甩膜或真空蒸镀。

11.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述修饰半导体层为具有接受或给出电子能力的材料，包括无机给体和受体材料、染料分子、有机给体和受体分子、高分子给体和受体材料以及它们的衍生物或者它们的混合物；修饰半导体层的成膜采用真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷。

12.如权利要求6所述的制备方法，其中，所述主体有机半导体为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；主体在机半导体的成膜采用真空蒸镀、甩膜、滴膜或印刷。

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