CN101783392A

CN101783392A - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN101783392A
Application number: CN201010105576A
Authority: CN
Inventors: 刘晗; 顾晶晶; 王鹏飞; 张卫
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2010-07-21

Abstract

本发明属于微电子技术领域，具体公开了一种有机薄膜晶体管及其制备方法。本发明利用原子层淀积无机高介电常数栅介质的方法来制备有机薄膜晶体管中的栅介质部分，通过该方法可以制备10纳米以下的无机栅介质层，所制备的有机薄膜晶体管可以提高晶体管的工作电流，降低工作电压，同时，本发明所述的方法具有保持有机薄膜晶体管的制备温度低、适用于大面积加工、可用于柔性基板和生产成本低廉等优点。

Description

一种有机薄膜晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法，特别涉及一种通过原子层淀积无机高介电常数栅介质来制备有机薄膜晶体管的制备方法，属于半导体器件领域。

背景技术

薄膜晶体管(Thin-film transistor，TFT)是场效应晶体管的种类之一，传统薄膜晶体管的剖面示意图如图1所示。首先，在基板101上方形成由铝、钼、铝钕合金或者它们之间的复合物材料构成的晶体管栅极102。接着，在栅极102上方形成栅极绝缘层103，再依次形成非晶硅层104和n型或者p型掺杂的多晶硅层105。接着，形成钛、钼或者铝等材料的金属层，然后对金属层进行刻蚀形成薄膜晶体管的源极107和漏极106。由于薄膜晶体管的基板不能忍受高的退火温度，所以全部的沉积制程必须在相对低温下进行。

随着有机半导体材料的发现和发展，现在人们已经制备出了利用有机物替代无机材料充当载流子传输层的有机薄膜晶体管(organic thin film transistor，OTFT)。有机薄膜晶体管的基本结构和功能与传统的薄膜晶体管基本相同，主要有顶部接触式和底部接触式两种结构。顶部接触式有机薄膜晶体管的结构如图2a所示，首先在基板201上形成晶体管的栅极202，然后形成栅介质层203，最后在形成有机半导体层204之后形成晶体管的源极205和漏极206。底部接触式有机薄膜晶体管的结构如图2b所示，它与顶部接触式有机薄膜晶体管不同的是，在基板211上分别形成栅极212和栅介质层213后，先形成晶体管的源极215和漏极216，然后再形成有机半导体层214。基于有机材料本身的特性，有机薄膜晶体管具有以下特点：加工温度低，一般在180℃以下，不仅能耗显著降低，而且适用于柔性基板；工艺过程大大简化，能够有效降低晶体管的成本；器件的尺寸更小，集成度更高，可以制备大面积的器件；材料来源广泛，发展潜力大。

基于目前有机薄膜晶体管的制备方法，大部分有机薄膜晶体管的栅介质仍然采用有机薄膜或者利用溶剂法合成二氧化硅，厚度较厚，缺陷较多，且介电常数相对较低，因此，仍然存在着操作电压高、迁移率低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种有机薄膜晶体管及其制备方法，，该有机薄膜晶体管栅介质的介电常数相对较高，可以改善传统有机薄膜晶体管的操作电压高、迁移率低等缺点。

为达到本发明的上述目的，本发明提出了一种采用无机栅介质的有机薄膜晶体管，该有机薄膜晶体管包括基板、有机半导体层、无机栅介质层、栅极、源极和漏极。所述的基板可以是刚性衬底或者柔性衬底，为硅、箔、超薄玻璃、聚合物薄膜或者其它材料的衬底。所述的有机半导体材料包括聚合物，如聚3-己基噻吩，小分子物质，如并五苯，或者其他金属复合物，如酞菁蓝等。所述的无机栅介质材料为Al₂O₃、HfO₂、ZrO₂或者其它材料。所述的栅极为TiN、RuO₂、Ru或者其它材料的金属。所述的源极和漏极为金属或者导电聚合物。

本发明所提供的有机薄膜晶体管采用了无机材料栅介质，提高了栅介质的介电常数，可以提高有机薄膜晶体管的工作电流，降低工作电压。

进一步地，本发明还提出了上述有机薄膜晶体管的制造方法，包括如下步骤：

提供一个基板；

在所述基板上生长一层有机半导体材料，并对所述的有机半导体进行相应的掺杂处理，以提高其导电性；

在所述有机半导体层上利用原子层淀积形成一层无机栅介质；

在所述无机栅介质上生长一层金属栅材料；

通过光刻的方法刻蚀出栅极的图形；

形成器件的源极和漏极。

所述的基板为硅、箔、超薄玻璃、聚合物薄膜或者其它材料的刚性衬底或者柔性衬底。所述的有机半导体材料包括聚合物，如聚3-己基噻吩、小分子物质，如并五苯、或者其他金属复合物，如酞菁蓝等。所述的无机栅介质为Al₂O₃、HfO₂、ZrO₂或者其它材料，其厚度约为1-10纳米。所述的栅极为TiN、RuO₂、Ru或者其它材料的金属。所述的源极和漏极为金属，如纳米银颗粒，或者为导电聚合物，如聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸等。

本发明所提供的方法具有保持有机薄膜晶体管的制备温度低、适用于大面积加工、可用于柔性基板和生产成本低廉等优点。

附图说明

图1为一个传统薄膜晶体管的剖面示意图。

图2a和图2b分别为现有有机薄膜晶体管顶部接触式结构和底部接触式结构的剖面示意图。

图3a至图3c为本发明提供的一种有机薄膜晶体管的实施工艺的剖面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不是完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。

参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语晶片和衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体晶片，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。

首先，在提供的基板301上利用旋涂或其他方法生长一层有机半导体材料302，如图3a。基板301可以为刚性衬底，也可以为柔性衬底，有机半导体材料302可以为聚合物，如聚3-己基噻吩、小分子物质，如并五苯、或者金属复合物，如酞菁蓝等。

需要注意的是，为提高有机半导体材料的导电性，此时会对有机半导体材料进行相应的掺杂处理。

接下来，在有机半导体材料302的上面利用原子层淀积的方法生长一层无机栅介质303，再在无机栅介质303上面生长一层金属栅材料304，然后通过光刻的方法刻蚀出栅极的图形，如图3b。无机栅介质303比如为Al₂O₃、HfO₂或者ZrO₂，金属栅材料304可以为TiN、RuO₂、Ru或者其它金属。

最后，利用旋涂或者其它自组装的方式形成器件的源极305和漏极306，如图3c。源极305和漏极306的材料可以为纳米银颗粒等金属，也可以为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸等导电聚合物。

这样一个有机薄膜晶体管就形成了。

本发明所提供的方法还可以用于顶部接触式、底部接触式或者其它结构的有机薄膜晶体管的制备，同时，也还可以用于大规模有机柔性衬底集成电路的制备。

如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims

1.一种有机薄膜晶体管，其特征在于包括基板、有机半导体层、无机栅介质层、栅极、源极和漏极。

2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的基板是刚性衬底或者柔性衬底。

3.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的有机半导体材料包括聚合物、小分子物质或者其他金属复合物。

4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的无机栅介质材料为Al₂O₃、HfO₂或ZrO₂。

5.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的栅极为TiN、RuO₂或Ru。

6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的源极和漏极为金属或者导电聚合物。

7.一种如权利要求1-6之一所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

提供一个基板；

在所述无机栅介质上生长一层金属栅材料；

通过光刻的方法刻蚀出栅极的图形；

形成器件的源极和漏极。

8.根据权利要求7所述的制造备方法，其特征在于，所述的基板为刚性衬底或者柔性衬底。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的有机半导体材料包括聚合物、小分子物质或者其他金属复合物。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的无机栅介质为Al₂O₃、HfO₂或ZrO₂，其厚度为1-10纳米。

11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的栅极为TiN、RuO₂或Ru。

12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的源极和漏极为纳米银颗粒，或者为导电聚合物。