CN101410998A - 多栅极印刷晶体管方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种印刷晶体管具有：第一栅极(202)，印刷和沉积在半导体材料印刷沉积(201)的第一侧；和第二印刷栅极(301)，沉积在所述半导体材料印刷沉积的相对侧。通过一种方法，使用一系列印刷工艺来提供这些元件。通过另一种方法，使用层叠工艺来提供这些元件。

Description

多栅极印刷晶体管方法及装置
技术领域
[0001]本发明总体上涉及一种半导体器件，且更具体地，涉及一种具有至少一个印刷器件元件的半导体器件。
背景技术
[0002]使用诸如真空沉积的技术来形成各种基于半导体的器件的方法和装置是公知的。这种技术在被应用于高容量设定中时可很好地达到许多目的并且能够实现高可靠性、小尺寸和较经济。最近，正在研究其他技术来生产基于半导体的器件。例如，n型或p型的有机、无机和有机/无机混合半导体材料可被提供作为功能性油墨，并且结合各种印刷技术用来生产印刷半导体器件。
[0003]然而，与半导体制造领域中的那些技术人员所倾向于期望的相比较，印刷半导体器件得到相当不同的最终结果且使用相当制造技术。例如，与使用更传统的技术制造的一般半导体器件相比，印刷半导体器件易于更大。正如其他示例，采用的材料和利用的沉积技术也远在现有技术期望的标准之外。
[0004]部分地由于这种差异，对于印刷半导体器件而言，在许多情况中现有的材料和技术并不适合于使用和调配。而且，在许多情况中，半导体器件印刷提出了与现有技术实践不平行发展所面临的挑战和困难。作为一个示例，印刷晶体管的性能易受限制，至少部分地受限制，限制的因素例如是溶液可处理(solution-processable)的半导体油墨的有效数目和性能、有效的和/或可行的印刷尺寸和分辨率极限、以及印刷晶体管的环境敏感度，但以上列举出的只是少数。作为更特殊的示例，传统绘图艺术(graphic art)印刷的印刷特征分辨率一般被限制为数十微米。这种限制在需要较高性能晶体管的应用设定的所有情况中是不能满足需要的。然而，通过改善印刷分辨率来改善晶体管的性能提出了相当大的(并且很可能是昂贵的)挑战。
附图说明
[0005]通过提供下列详细描述中所描述的、特别是当结合附图研究时所描述的多栅极印刷晶体管装置和方法，上述需求至少部分得以满足，其中：
[0006]图1包括根据本发明的各种实施例而配置的流程图；
[0007]图2包括根据本发明各种实施例而配置的侧视示意图；
[0008]图3包括根据本发明各种实施例而配置的侧视示意图；
[0009]图4包括根据本发明各种实施例而配置的侧视示意图；
[0010]图5包括根据本发明各种实施例而配置的侧视示意图；
[0011]图6包括根据本发明各种实施例而配置的侧视示意图；以及
[0012]图7包括根据本发明各种实施例而配置的详细的侧视示意图。
[0013]熟练的技术人员将认识到，附图中的元件是为了简单清楚而示出的并且没有必要按比例绘制。例如，为了有助于增进对本发明的各种实施例的理解，附图中的一些元件的尺寸和/或相对定位相对于其它元件被夸大了。而且，为了有利于减少本发明这些各种实施例的视图的障碍物，通常不描绘在商业上切实可行的实施例中有用的或必需的那些公共的但易于理解的元件。将进一步认识到，确定的动作和/或步骤可能以特定的发生顺序来描述或描绘，本领域技术人员将理解这种关于顺序的特殊性并不是实际需要的。同样将理解，除了在这里已阐明的特殊含义之外，这里所使用的术语和表述具有与关于它们的相对应的各调查和研究领域的术语和表述相一致的普通含义。
具体实施方式
[0014]一般来说，根据这些各种实施例，一个提供了一种印刷晶体管，该印刷晶体管具有印刷和设置在半导体材料印刷沉积的第一侧上的第一栅极和设置在该半导体材料印刷沉积的相对侧上的第二印刷栅极。通过一种方法，使用一系列印刷工艺来提供这些元件。通过另一种方法，通过使用层叠工艺来提供这些元件。
[0015]这样配置，这个双栅晶体管结构提供了增强性能。该增强性能至少部分地因为通过增加晶体管沟道区域的电荷密度从而提供较高的开态电流而同时减小关态电流。这些教导与电流绘图艺术印刷技术和现在可用的材料是完全相符合的。如果期望，则通过基本遮蔽半导体材料而使其免受对该半导体材料有害的至少一种外界影响，附加栅极可达到进一步的目的。这样配置，这些教导可以对改善最后形成的晶体管的期望使用寿命提供额外的益处。
[0016]在对下列详细描述做彻底回顾和研究时，对本领域技术人员来讲，这些和其它的益处将变得更加明显。
[0017]现在参考附图，且更具体地，参考图1，一种代表了这些各种实施例的、用于提供印刷晶体管的全面的工艺100包括，在一可选的但优选的方法中，提供(101)半导体材料印刷沉积。这一般包括了选择的印刷衬底的使用。衬底可包括任何包含各种刚性的和非刚性的材料的适合的材料。在一优选实施例中，衬底包括例如由聚酯或纸组成的柔性衬底。衬底可以由单个基本非晶材料组成或者可包括例如具有不同材料的合成物(例如，层叠结构)。在一般实施例中，衬底将包括一电绝缘体，尽管对于一些应用、设计或目的来说可能需要利用具有更大的电导率的一种材料(或多种材料)。
[0018]该工艺100然后提供了一个步骤：提供(102)被印刷和设置在半导体材料印刷沉积的一侧上的第一栅极。为了总体上示出这一点，现在参考图2，半导体材料印刷沉积201具有被印刷和设置在其一侧的第一栅极202。这些元件可以是彼此物理相邻的，或者更有可能的是，为了容纳选择的插入层(intervening layer)而如通过说明所建议的那样将它们互相分隔开。
[0019]再次参考图1，该工艺100还提供了一个步骤：在半导体材料印刷沉积的、与上述的一侧相对的一侧上提供(103)第二栅极电极。为了总体上说明这一点，现在参考图3，第二栅极301被设置在半导体材料201的、与具有第一栅极202的一侧相对的一侧上。根据给定应用设定的需要和要求，该第二栅极301可由与第一栅极202的材料相似的材料组成或者由不同的材料组成。通常来说，栅极202和301两者都将可能由导电材料组成。
[0020]再次参考图1，在一可选的但优选的方法中，该工艺100进一步提供一个步骤：提供(104)被设置在第二印刷栅极和半导体材料沉积之间的印刷电介质材料。为了再次总体上说明这一点，现在参考图4，这样的电介质层401被描绘为正设置在半导体材料201和前述的第二栅极301之间。
[0021]上述器件元件是优选的但不是必需的，由一种或多种油墨组成，例如由包括半导体材料的油墨。印刷领域的那些技术人员对于绘图油墨(graphic ink)和所谓的功能性油墨都熟悉，这里的“油墨”通常理解为包括悬浮液、溶液或分散剂，表现为液体、糊状物或粉末(例如色粉)。这些功能性油墨进一步由金属材料、有机材料或无机材料组成，这些材料具有各种形状(球形、薄片、纤维、管)和尺寸(例如从微米到纳米范围内)中的任一种。功能性油墨例如在一些薄膜键盘的制造中得到应用。尽管绘图油墨可在与该工艺结合时被适当地使用，但是在一优选实施例中这些油墨更有可能包含功能性油墨。
[0022]在一优选方法中，这样的油墨通过使用相应的印刷技术被放置在衬底上。那些熟悉传统半导体制造技术如真空沉积的技术人员将知道，“印刷”这个词在涉及到这种技术的那些领域中使用得比较随意。然而，如在这里所使用的，“印刷”这个词使用更主流和传统的意义，并且并不包括诸如真空沉积这样的技术，所述真空沉积包含例如为了获得期望的材料放置的效果而发生在被传输的介质中的状态变化。因此，“印刷”将被理解为包括这样的技术，如丝网印刷、胶版印刷、照相凹版印刷、静电印刷、苯胺印刷、喷墨、微喷镀(microdispensing)、喷雾、冲压(stamping)等。将理解的是，在制造一个诸如半导体器件的给定元件的过程中，这些教导与多个这种印刷技术的使用是相符合的。例如，可能期望使用第一油墨和第一印刷工艺来印刷第一器件元件(或器件元件的一部分)而使用第二(不同的)油墨和第二(不同的)印刷工艺来印刷不同的器件元件(或所述第一器件元件的一部分)。
[0023]为了说明的目的但并不通过限制的方式，晶体管可以依照使用如下面所述的这种材料和工艺的这些教导来形成。参考图5，如上所述的第一栅极202可被印刷在选择的衬底501上，其使用选择的导电油墨(例如但不限于包含铜或银的功能性油墨，如混合有2％的3610稀释剂的DuPont的Ag 5028)。依照一种方法，在一延迟(例如，4秒)之后，在印刷表面上方吹空气。一种适当的溶剂可以被用来在衬底上进一步形成、限定或相反地移除多余的材料。采用在约为120摄氏度下持续30分钟的热固化，以保证印刷栅极202适宜地粘附到衬底501。
[0024]电介质层502然后可被印刷在上述栅极202的至少一实体部分上，例如，适当的环氧基功能性油墨(例如，DuPont的5018A紫外线可固化材料)。通过一种方法，电介质层502包括两层或更多层的层叠。当这样制造时，每一层在涂覆下一层之前都可以在紫外灯下面固化。
[0025]然后，印刷和固化附加电极503和504，使用例如铜、镍或银基导电的功能性油墨(例如，具有2％的3610稀释剂的DuPont的Ag 5028)。这些附加电极503和504可以包括例如源极电极和漏极电极。然后，半导体材料油墨——例如但不限于诸如聚噻吩或聚噻吩族材料(例如，多(3-乙基噻吩))的各种化学式这样的有机半导体材料油墨或包含SnO2、SnO、ZnO、Ge、Si、GaAs、InAs、InP、SiC、CdSe和碳的各种形态(包括碳纳米管)的无机半导体材料油墨——被印刷从而提供桥接源极电极和漏极电极之间的间隙的半导体材料201。
[0026]上述的元件对于形成一个可操作的印刷晶体管已经足够了。涂覆多印刷层的这一系列印刷工艺可以继续以类似于刚才描述的方式进一步应用于第二电介质层401和前述第二栅极301。通过一种方法，第二栅极301电耦合到第一栅极共同使用。通过另一种方法，第二栅极301与第一栅极电隔离，从而不同的偏压可以分别施加到每个。所使用的具体方法将可能取决于给定应用的特殊的需要和需求。在其它示例中，第二栅极301优选位于与第一栅极202基本相对的位置，由此晶体管源极电极和漏极电极之间的沟道被设置在它们之间。
[0027]这样配置，包括该第二栅极用来增加沟道区域的电荷密度。这种增加可包括例如使得在其他方面最终得到的电荷密度翻倍。这又为这个晶体管提供了更高的开态电流，而同时也易于减小相应的关态电流。因此，可以提供一较高性能的晶体管，而不用关于使印刷技术能够在其他方面可用而做特别改进。
[0028]同时也可能通过组合分离结构作为层叠结果来采用这些教导。参考附图6来说明，如上所述的第一晶体管602可接合到包括具有印刷在其上的第二栅极301和相应的电介质层401的衬底601的第二结构603，并且与该第二结构603相层叠。这两个结构可以使用例如选择适合的胶粘剂永久地接合在一起。对于在给定的应用设定中的使用，实现这种接合的其它方法也是可用的。
[0029]当提供这里描述的第二栅极时，也可能需要(至少在一些应用设定中)提供第二栅极从而第二栅极和第二电介质基本遮护半导体材料而使其免受对该半导体材料有害的至少一种外界影响。例如，在该情况下被认为是有用的许多半导体材料对于暴露于诸如氧气、光(例如紫外光)、沾污(例如但不限于有机材料如污垢、油等等)、湿气等这样的一种或多种这种外界影响是敏感的。假如所提供的第二栅极层充分覆盖所关注的半导体材料区，并且如本领域中另外所理解的，进一步假设第二栅极由具有所期望的类似于阻挡层(barrier-like)特性的材料组成，那么第二栅极可用来遮护半导体材料而使其免受这种影响。在图7处提供的说明中总体描绘了这种布置，其中，第二栅极301足够宽阔以为半导体材料201提供种遮护。
[0030]本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述的实施例作出广泛的各种修改、改变和组合，但是这种修改、改变和组合将被认为是属于发明理念的范围之内。

Claims (20)

1.一种晶体管，包括：
半导体材料印刷层；
第一印刷栅极，设置在所述半导体材料印刷层的第一侧；
第二印刷栅极，设置在所述半导体材料印刷层的第二侧，该第二侧与所述第一侧相对。
2.如权利要求1所述的晶体管，其中，所述半导体材料印刷层、所述第一印刷栅极和所述第二印刷栅极包括一系列印刷工艺的印刷层。
3.如权利要求1所述的晶体管，其中，所述第二印刷栅极包括层叠到第二结构上的第一结构，所述第二结构包括所述半导体材料印刷层和所述第一印刷栅极。
4.如权利要求1所述的晶体管，其中，所述第一印刷栅极和所述第二印刷栅极由基本相似的材料组成。
5.如权利要求1所述的晶体管，其中，所述第一印刷栅极和所述第二印刷栅极由显著不同的材料组成。
6.如权利要求1所述的晶体管，其中，所述第二印刷栅极被设置和配置用来遮护所述半导体材料印刷层而使其免受对该半导体材料有害的至少一种外界影响。
7.如权利要求1所述的晶体管，进一步包括设置于所述第二印刷栅极与所述半导体材料印刷层之间的电介质材料，其中，该电介质材料基本遮护所述半导体材料而使其免受对该半导体材料有害的至少一种外界影响。
8.如权利要求1所述的晶体管，其中，所述第二印刷栅极基本遮护所述半导体材料而使其免受对该半导体材料有害的至少一种外界影响。
9.如权利要求8所述的晶体管，其中，所述外界影响包括氧气、光、沾污和湿气中的至少一种。
10.如权利要求9所述的晶体管，其中，所述外界影响至少包括氧气和湿气这两者。
11.一种工艺，包括：
提供具有被印刷和设置在半导体材料印刷沉积的一侧上的第一栅极的印刷晶体管；
在所述半导体材料印刷沉积的与所述一侧相对的另一侧上提供第二印刷栅极。
12.如权利要求11所述的工艺，其中，提供第二印刷栅极包括在所述半导体材料印刷沉积的与所述一侧相对的另一侧上印刷所述第二印刷栅极。
13.如权利要求11所述的工艺，其中，提供第二印刷栅极包括：
提供衬底；
在该衬底上印刷所述第二印刷栅极以提供第二栅极结构；
将该第二栅极结构层叠到所述印刷晶体管。
14.如权利要求11所述的工艺，其中，所述第一栅极和所述第二印刷栅极由基本相似的材料组成。
15.如权利要求11所述的工艺，其中，所述第一栅极和所述第二印刷栅极由显著不同的材料组成。
16.如权利要求11所述的工艺，其中，提供印刷晶体管包括使用下列工艺中的至少一种来提供印刷晶体管：
接触印刷工艺；
非接触印刷工艺。
17.如权利要求11所述的工艺，进一步包括：
在所述第二印刷栅极和所述半导体材料沉积之间提供印刷电介质材料。
18.如权利要求11所述的工艺，其中，在所述第二印刷栅极和所述半导体材料沉积之间提供印刷电介质材料包括覆盖所述半导体材料沉积从而密封该所述半导体材料沉积而使其免受对该半导体材料沉积有害的至少一种外界条件。
19.如权利要求17所述的工艺，其中，提供第二印刷栅极包括提供第二印刷栅极来覆盖所述半导体材料沉积从而密封该半导体材料沉积而使其免受对该半导体材料沉积有害的至少一种外界条件。
20.如权利要求19所述的晶体管，其中，所述至少一种外界条件包括氧气、光、沾污和湿气中的至少一种。
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