CN101447552A - 管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，属于有机微电子学领域。该器件包括绝缘衬底上的源电极、介质层、半导体层、管状栅电极以及金属漏电极。其中器件的栅电极为管状，包裹在中心区的有机半导体层外围。栅电极和有机半导体层之间通过栅介质互相隔离开。源电极和漏电极均为平面电极，分别位于器件的底部和顶部，通过介质层和栅电极分离。本发明提供的器件结构通过把沟道方向从水平转变为垂直，只需要控制薄膜的生长厚度就能够有效控制器件的沟道长度，避免了昂贵的电子束光刻，是一种低成本的短沟道有机场效应晶体管。同时本发明还提供了这种器件的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及有机电子学领域，特别是涉及一种管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的不断深入，电子产品已经进入人们生活工作的每个环节；在日常生活中人们对低成本、柔性、低重量、便携的电子产品的需求越来越大；传统的基于无机半导体材料的器件和电路很难满足这些要求，因此可以实现这些特性的基于有机聚合物半导体材料的有机微电子技术在这一趋势下得到了人们越来越多的关注。
有机场效应晶体管作为有机电路的基础元器件，其性能对电路的性能起着决定性的作用。其中迁移率决定了器件工作的快慢，进而影响电路的工作频率；电压，包括工作电压和阈值电压，决定了器件以及电路的功耗。由于信息量爆炸式的增长，人们一直以来都希望信息处理技术能够越来越快，能够处理的内容越来越多。制约信息处理技术快慢的因素有很多，包括硬件方面，也包括软件方面。单元器件的工作频率是硬件方面根本的问题。提高器件的工作频率主要有两条路径：一条路是减小沟道长度，另一条路是提高载流子的迁移率。在当前材料方面没有重大突破的情况下，载流子的迁移率提高非常有限，因此提高器件工作频率的方法主要就是减小沟道的长度。制约信息处理技术容量的因素同样也有很多，在硬件方面主要是电路的集成度。提高电路的集成度需要减小单元器件的面积。
发明内容
为了提高器件工作频率和电路的集成度，本发明提供了一种管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管。所述技术方案如下：
一种管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，包括绝缘衬底，以及在所述绝缘衬底上的栅电极、源电极、漏电极、介质层和半导体层；所述器件全部位于绝缘衬底上表面；所述半导体层位于该器件中央，所述半导体层的上部与所述漏电极相接触，所述半导体层的下部与所述源电极相接触；在所述半导体层的外部包围有管状栅电极；在所述半导体层与所述栅电极之间填充有介质层，将所述半导体层和所述栅电极隔离开；在所述源电极与所述漏电极之间也填充有介质层，将所述源电极与所述漏电极隔离开。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，所述场效应晶体管的沟道位于介质层与有机半导体的接触界面处，通过控制所述管状栅电极的直径可以控制所述场效应晶体管的沟道长宽比。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，所述源电极和所述漏电极均为平面电极，所述场效应晶体管的沟道为垂直方向。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，所述绝缘衬底为长有无机介质材料的绝缘薄膜的硅片、绝缘玻璃或绝缘塑料薄膜。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，，所述介质层为无机介质材料或有机介质材料。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，所述半导体层为有机半导体材料。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，所述栅电极为金属导电材料或导电有机物；所述源电极和所述漏电极的材料为高公函数金属材料或导电有机物。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，所述方法具体步骤如下：
步骤1、在绝缘衬底上制备平面源电极；
步骤2、在源电极层上沉积介质层，并使其图形化，以便于源电极和有机半导体接触；
步骤3、在介质层上制备管状的栅电极；
步骤4、沉积介质层，使其粘附在栅电极的侧壁和顶部，并使其图形化以便于隔离栅电极与源电极、漏电极，最后去除底部和顶部多余的介质层；
步骤5、沉积有机半导体层，并使其处于整个器件的中央；
步骤6、制备平面的漏电极。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
在所述步骤1中，制备平面源电极的具体方法为：采用真空热物理沉积、电子束沉积或者溅射金属电极；或采用喷墨打印、旋涂的方法制备有机物电极；
在所述步骤6中，制备漏电极的具体方法为；首先通过光刻技术把栅电极和介质层保护起来；然后通过真空热物理沉积，电子束沉积或者溅射技术来沉积金属电极薄膜，或采用旋涂方法来沉积有机物电极薄膜，最后通过剥离的方法去除栅电极区的光刻胶和多余的金属电极材料；或采用喷墨打印方法直接沉积导电有机物薄膜图形从而形成有机电极。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
所述步骤2的具体方法为：采用低压化学气相沉积(LPCVD)、溅射(Sputtering)或者原子层沉积(ALD)的方法制备无机介质层；或采用旋涂或喷墨打印方法沉积有机介质层；所述图形化方法为光刻加刻蚀。
所述步骤4的具体方法为：对于无机介质层通过低压化学气相沉积、溅射或者原子层沉积的方法来沉积介质层，使其具有很好的台阶覆盖性，从而能够黏附在栅电极侧壁上，然后通过光刻和各向异性的干法刻蚀把源电极表面上多余的介质材料去除，从而获得管状的栅介质；对于有机介质层通过旋涂技术来沉积介质薄膜，经过退火处理后再通过光刻技术定义图形，最后通过刻蚀技术把源电极表面上多余的介质材料去除，从而获得管状的介质层。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
在所述步骤3中，制备栅电极的具体方法为：采用光刻技术定义其相应的刻胶图形，再通过电子束蒸发、溅射或热蒸发技术沉积金属，最后通过金属剥离(lift-off)的方法来转移图形，从而制备出金属栅电极；或者采用喷墨打印技术来沉积和图形化有机栅电极。
本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
在所述步骤5中，制备半导体层的具体方法为：有机半导层通过旋涂技术来制备薄膜，在进行旋涂之前需静置一段时间，使得有机半导体材料能够填充满管状的中心区，然后通过各向异性的干法刻蚀把侧壁以外的有机半导体材料去除，形成图形化的有源层。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提出的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，通过把沟道由传统的平面型改进为垂直型，从而只要通过控制有机半导体层的薄膜厚度就能够控制晶体管的沟道长度，避免了使用效率较低的电子束光刻技术，大幅度地降低制备短沟道有机晶体管的难度，从而减少了制备的成本。本结构能有效地降低器件所占面积，提高电路的集成度。本发明提出的结构采用了管状的栅电极，从而可以通过改变管状栅电极的直径来随意调节器件沟道的长宽比，扩大了其应用范围。
同时，本发明还提供了管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，该方法采用低温工艺，不会对已做好的有机功能薄膜造成损伤，并且能够和现有的硅微加工技术兼容，能够充分利用现有设备，降低新器件制备的成本。
附图说明
图1是本发明管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的立体结构示意图；
图2是本发明管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的剖面结构示意图；
图3是本发明制备管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的流程图；
图4至图14是本发明制备管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
由图1可见，本发明的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的结构包括栅电极105、源电极102、漏电极106、绝缘衬底101、介质层103和半导体层104。
绝缘衬底101是本结构的基底，其制造材料为长有氧化硅、氮化硅等绝缘薄膜的硅片，或为绝缘玻璃、绝缘塑料薄膜等。
在绝缘衬底101上部是源电极102，源电极的材料可以为金、铂或银等高公函数金属材料，或为PEDOT：PSS等导电有机物。源电极为平面电极，平铺在绝缘衬底上。
在源电极的上部、本器件的中央部分是半导体层104，其半导体材料可为并五苯、酞菁铜(CuPc)、P3HT、噻吩或红荧稀等有机半导体材料。
在半导体层外围的是管状栅电极105，栅电极材料可为金、铝、铂、铜或银等金属导电材料；也可为PEDOT：PSS等导电有机物。
在半导体层与管状栅电极之间填充有介质层103，将半导体层104与栅电极105隔离开，此外介质层103还将源电极102与栅电极105隔离开。介质层可为氧化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝、氧化钽或氧化铪等无机介质材料；或者为聚酰亚胺(PI)、聚乙烯吡硌烷酮(PVP)、聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)、聚对二甲苯(parylene)等有机介质材料。
在半导体层104之上是漏电极106，漏电极106为平面电极。漏电极106的材料可为金、铂、银等高公函数金属材料，或者是PEDOT：PSS等导电有机物。
本发明中的源电极102和漏电极106均为平面电极，分别位于器件底部和顶部，与有机半导体层104接触，这样就使得器件的沟道方向从水平方向转变为垂直方向，形成垂直沟道有机场效应晶体管。源电极102和漏电极106之间则通过介质层103与栅电极105隔离开。
此外，由于本发明的特别结构，其有机半导体层104位于器件的中央，与介质层接触，并与底部和顶部的源电极102和漏电极106相接触。器件的沟道位于栅介质103和有机半导体104的接触界面处，通过控制管状栅电极105的直径可以控制器件的沟道长宽比。
实施例2
本发明还公开了一种制备管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的方法，其具体制备步骤如下：
参见图3-图14
步骤201：在热氧化生长的二氧化硅绝缘衬底301上制备平面金源电极302。其中所用的平面源电极202的制备方法可为真空热物理沉积、电子束沉积或者溅射金属电极，喷墨打印或旋涂有机物电极的方法。
步骤202：在源电极层上通过电子束蒸发沉积二氧化硅介质层303。本步骤中介质层的沉积方法可为低压化学气相沉积(LPCVD)、溅射(Sputtering)或者原子层沉积(ALD)等。
步骤203：通过光刻加刻蚀技术对二氧化硅介质层303进行图形化。
步骤204：通过光刻技术制备管状栅电极的胶图形304。
步骤205：电子束蒸发沉积金薄膜305。
步骤206：过剥离技术制备管状金栅电极。栅电极的制备中，对于金属栅电极可采用光刻技术定义其相应的刻胶图形，再通过电子束蒸发、溅射或热蒸发等方法来沉积金属，最后通过金属剥离(lift-off)的方法来转移图形，从而制备出栅电极；而对于有机栅电极可采用喷墨打印技术来沉积和图形化。
步骤207：通过原子层沉积技术制备二氧化硅介质层306。无机栅介质层通过低压化学气相沉积、溅射或者原子层沉积等方法来沉积，使其具有很好的台阶覆盖性，从而能够黏附在栅电极侧壁上。
步骤208：通过光刻加刻蚀技术去除管栅电极以外的介质层。通过光刻和各向异性的干法刻蚀把漏电极表面上多余的介质材料去除，从而获得管状的栅介质。
步骤209：在源电极上旋涂沉积P3HT有机半导体层307。有机半导层通过旋涂技术来制备薄膜，在进行旋涂之前需静置一段时间(一段时间是多久？)，使得有机半导体材料能够填充满管状的中心区。然后通过各向异性的干法刻蚀把侧壁以外的有机半导体材料去除，形成图形化的有源层。由于使用垂直沟道的结构，所沉积的薄膜在沟道区的厚度将会大于其余区域的厚度，图形化的时候可以直接通过干法刻蚀技术去除平面区多余的有源层，从而避免了使用光刻胶，防止了有机半导体材料的污染。
步骤210：通过刻蚀技术对有机半导体层进行图形化，去除沟道区以外的有机半导体。
步骤211：通过电子束蒸发制备平面金漏电极308。平面漏电极的制备首先通过光刻技术把栅电极和介质层保护起来，然后通过真空热物理沉积、电子束沉积或者溅射等技术来沉积金属电极薄膜；或者喷墨打印或旋涂技术来沉积有机物电极薄膜，然后去通过剥离的方法去除栅电极区的光刻胶及多余的电极材料，完成整个器件的制备。
本发明的制备管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管方法采用低温工艺，不会对已做好的有机功能薄膜造成损伤，并且能够和现有的硅微加工技术兼容，能够充分利用现有设备，降低新器件制备的成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1、一种管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，包括绝缘衬底以及在所述绝缘衬底上的栅电极、源电极、漏电极、介质层和半导体层；所述半导体层位于该器件中央，所述半导体层的上部与所述漏电极相接触，所述半导体层的下部与所述源电极相接触；在所述半导体层的外部包围有管状栅电极；在所述半导体层与所述栅电极之间填充有介质层，将所述半导体层和所述栅电极隔离开；在所述源电极与所述漏电极之间也填充有介质层，将所述源电极与所述漏电极隔离开。
2、根据权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管的沟道位于介质层与有机半导体的接触界面处，通过控制所述管状栅电极的直径可以控制所述场效应晶体管的沟道长宽比。
3、根据权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，所述源电极和所述漏电极均为平面电极，所述场效应晶体管的沟道为垂直方向。
4、根据权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘衬底为长有无机介质材料的绝缘薄膜的硅片、绝缘玻璃或绝缘塑料薄膜。
5、根据权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，所述介质层为无机介质材料或有机介质材料。
6、根据权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层为有机半导体材料。
7、根据权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极为金属导电材料或导电有机物；所述源电极和所述漏电极的材料为高公函数金属材料或导电有机物。
8、一种权利要求1所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
步骤1、在绝缘衬底上制备平面源电极；
步骤2、在源电极层上沉积介质层，并使其图形化，以便于源电极和有机半导体接触；
步骤3、在介质层上制备管状的栅电极；
步骤4、沉积介质层，使其粘附在栅电极的侧壁和顶部，并使其图形化以便于隔离栅电极与源电极、漏电极，最后去除底部和顶部多余的介质层；
步骤5、沉积有机半导体层，并使其处于整个器件的中央；
步骤6、制备平面的漏电极。
9、根据权利要求8所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
其特征在于，在所述步骤1中，制备平面源电极的具体方法为：采用真空热物理沉积、电子束沉积或者溅射金属电极；或采用喷墨打印、旋涂的方法制备有机物电极；
在所述步骤6中，制备漏电极的具体方法为：首先通过光刻技术把栅电极和介质层保护起来；然后通过真空热物理沉积，电子束沉积或者溅射技术来沉积金属电极薄膜，或采用旋涂方法来沉积有机物电极薄膜，最后通过剥离的方法去除栅电极区的光刻胶和多余的金属电极材料；或采用喷墨打印方法直接沉积导电有机物薄膜图形从而形成有机电极。
10、根据权利要求8所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
其特征在于，在所述步骤2的具体方法为：采用低压化学气相沉积、溅射或者原子层沉积的方法制备无机介质层；或采用旋涂或喷墨打印方法沉积有机介质层；所述图形化方法为光刻加刻蚀。
在所述步骤4的具体方法为：对于无机介质层通过低压化学气相沉积、溅射或者原子层沉积的方法来沉积介质层，使其具有很好的台阶覆盖性，从而能够黏附在栅电极侧壁上，然后通过光刻和各向异性的干法刻蚀把源电极表面上多余的介质材料去除，从而获得管状的栅介质；对于有机介质层通过旋涂技术来沉积介质薄膜，经过退火处理后再通过光刻技术定义图形，最后通过刻蚀技术把源电极表面上多余的介质材料去除，从而获得管状的介质层。
11、根据权利要求8所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
其特征在于，在所述步骤3中，制备栅电极的具体方法为：采用光刻技术定义其相应的刻胶图形，再通过电子束蒸发、溅射或热蒸发技术沉积金属，最后通过金属剥离的方法来转移图形，从而制备出金属栅电极；或者采用喷墨打印技术来沉积和图形化有机栅电极。
12、根据权利要求8所述的管状栅电极垂直沟道有机场效应晶体管的制备方法，
其特征在于，在所述步骤5中，制备半导体层的具体方法为：有机半导层通过旋涂技术来制备薄膜，在进行旋涂之前将器件静置，使得有机半导体材料能够填充满管状的中心区，然后通过各向异性的干法刻蚀把侧壁以外的有机半导体材料去除，形成图形化的有源层。
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