CN101904011B - 薄膜半导体装置和场效应晶体管 - Google Patents

薄膜半导体装置和场效应晶体管 Download PDF

Info

Publication number
CN101904011B
CN101904011B CN200880122073.0A CN200880122073A CN101904011B CN 101904011 B CN101904011 B CN 101904011B CN 200880122073 A CN200880122073 A CN 200880122073A CN 101904011 B CN101904011 B CN 101904011B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thin film
semiconductor device
film
semiconductive thin
organic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200880122073.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101904011A (zh
Inventor
大江贵裕
君岛美树
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Publication of CN101904011A publication Critical patent/CN101904011A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101904011B publication Critical patent/CN101904011B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/484—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/484—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions
    • H10K10/486—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions the channel region comprising two or more active layers, e.g. forming pn heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/12—Deposition of organic active material using liquid deposition, e.g. spin coating
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
    • H10K10/471—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics the gate dielectric comprising only organic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/40—Organosilicon compounds, e.g. TIPS pentacene

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

本发明包括半导体薄膜(1)，半导体薄膜层叠在栅电极(13)上，在半导体薄膜和栅电极之间具有栅绝缘膜(15)。半导体薄膜(1)具有叠层结构，并且包括至少两个半导体层(a、a′)。在半导体薄膜(1)中，例如，由与两个半导体层(a、a′)不同的材料组成的中间层(b)被夹在两个半导体层(a、a′)之间。两个半导体层(a、a′)由同一材料组成，中间层(b)有绝缘材料组成。构成上述叠层结构的材料由有机材料组成。因此，提供了薄膜半导体装置和场效应晶体管，其中可以抑制由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且增强了耐热性。

Description

薄膜半导体装置和场效应晶体管
技术领域
本发明涉及薄膜半导体装置和场效应晶体管，尤其涉及抑制了由加热所引起的特性降低的薄膜半导体装置和场效应晶体管。
背景技术
在使用有机半导体薄膜的薄膜半导体装置(例如，有机薄膜晶体管(有机TFT))的生产中，可能是应用涂层和印刷工艺的有机半导体薄膜的成膜。例如，在溶剂中已溶解有机半导体材料的溶液被涂覆在衬底上并被干燥，从而获得由单组分有机半导体材料组成的有机半导体薄膜。因此，与使用传统无机半导体材料(例如硅(Si))的半导体装置相比，可以实现衬底尺寸的增大和生产成本的降低。此外，由于涂层和印刷工艺等具有低工艺温度，所以可以在塑料衬底上成形，也可望获得具有柔性的半导体装置。作为这样的示例，已有报道生产在塑料衬底上设置有机TFT的背板，并利用所述背板生产平板型显示设备(例如，液晶显示设备或OLED显示设备)。
对于构成有机半导体薄膜的材料，各种材料(例如，聚噻吩、并五苯和红荧烯)正在研究中。已有报道，存在迁移率等于或大于使用由非晶硅组成的半导体薄膜的薄膜半导体装置的迁移率的材料，(例如，参考非专利文件《Applied Physics Letters》(超链接http://scitation.aip.org/dbt/dbt.jsp？KEY＝APPLAB&Volume＝69，卷69)1996年26期，4108-4110页)。
发明内容
但是，使用有机半导体薄膜的薄膜半导体装置具有由加热所引起的迁移率降低的问题。在实际的实验中，已证实加热前0.14cm2/Vs的迁移率在氮气环境下加热到180℃的状态下变成6×10-4cm2/Vs的迁移率，迁移率随着加热降低至1/100或更少。注意，有机半导体材料在氮气环境下被加热不会氧化，此外，所用的有机半导体材料自身被加热到180℃不会热分解。因此，应当理解，上述由加热所引起的迁移率的降低不是由有机半导体材料自身的变化所引起的。
因此，本发明的目的是提供薄膜半导体装置和场效应晶体管，在薄膜半导体装置和场效应晶体管中，可以抑制由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且增强了耐热性。
根据本发明的用于实现上述目的薄膜半导体装置包括半导体薄膜，半导体薄膜层叠在栅电极上，在半导体薄膜和栅电极之间具有栅绝缘膜；并且特征为半导体薄膜具有叠层结构，并且包括至少两个半导体层。
此外，根据本发明的场效应晶体管包括层叠在栅电极上的半导体薄膜，在半导体薄膜和栅电极之间具有栅绝缘膜；以及源极和漏极，其设置在与栅电极的两侧相对应的位置上，从而与半导体薄膜接触；并且特征为半导体薄膜具有叠层结构，并且包括至少两个半导体层。
在包括具有上述叠层结构的半导体薄膜的薄膜半导体装置和薄膜晶体管中，实验已证实，与使用具有单层结构的半导体薄膜的构造相比，由加热所引起的迁移率的降低可以被抑制到较小的程度。上述对迁移率的降低的抑制能够实现，一个原因是因为通过叠层结构可以抑制由加热和冷却所引起的半导体薄膜的膨胀和收缩应力。
附图说明
图1是应用于本发明的半导体薄膜的剖视图。
图2是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第一示例的截面构造图。
图3是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第二示例的截面构造图。
图4是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第三示例的截面构造图。
图5是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第四示例的截面构造图。
图6是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第五示例的截面构造图。
图7是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第六示例的截面构造图。
图8是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第八示例的截面构造图。
图9是根据示例1所生产的半导体薄膜的SIMS分步曲线。
图10是根据比较示例1所生产的半导体薄膜的SIMS分布曲线。
图11是根据示例2所生产的半导体薄膜的SIMS分布曲线。
图12是根据比较示例2、示例1和比较示例1所生产的半导体薄膜的XRD光谱。
图13是示出在根据装置的示例和比较示例所生产的薄膜晶体管(场效应晶体管)中迁移率根据加热温度的变化的示图。
图14是示出根据装置的示例和实施例所生产的薄膜晶体管(场效应晶体管)的栅电压Vg-漏电流Id特性的示图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。注意，在下文中，将描述多个实施例，依次是，根据本发明的用于薄膜半导体装置和场效应晶体管的半导体薄膜的构造、形成上述半导体薄膜的方法、和使用半导体薄膜的场效应晶体管构造的薄膜半导体装置。
<半导体薄膜>
图1是示出应用于本发明的半导体薄膜的构造示例的剖视图。图1中示出的半导体薄膜1的特征为所谓的半导体复合薄膜，其中叠层结构包括至少两个半导体层a、a′。如图所示，上述半导体层a、a′可以设置成使得两个半导体层a-a′之间夹着主要由另一种不同的材料组成的中间层b。在此情况下，两个半导体层a、a′可以由不同的材料组成或者可以由相同的材料组成。
中间层b由不同于两个半导体层a、a′的材料组成。包括中间层b的半导体薄膜1作为整体应当具有所需要的半导体特性。因此，例如，中间层b可以由具有比两个半导体层a、a′低的导电率的绝缘材料组成，或者可以由具有与两个半导体层a、a′相似的导电率的半导体材料组成。或者，另一个示例的中间层b可以由具有比两个半导体层a、a′高的导电率的导体材料组成。此外，中间层b自身可以由叠层结构组成。此外，当中间层b由混合材料组成时，可以包含半导体层a、a′的材料作为构成材料。
或者，半导体薄膜1可以具有两个半导体层a、a′直接层叠在一起的构造。在此情况下，两个半导体层a、a′由不同的材料组成。此外，在上述半导体薄膜1中，当两个半导体层a、a′中的一层组成半导体薄膜1的表面时，另外的层可以进一步设置在半导体层a、a′中的另一个的外侧上。
在上述半导体薄膜1中，对于构成半导体层a、a′和由半导体材料组成的中间层b的半导体材料，使用有机半导体材料或者无机半导体材料。对于有机半导体材料，适合使用低分子半导体材料，例如并苯化合物、低聚噻吩衍生物、酞菁衍生物、或苝聚合物。共轭低分子材料应当是多晶的或结晶的。或者，有机半导体材料可以是高分子有机半导体材料，例如聚(3-己烷基噻吩)。特别是，构成半导体层a、a′的材料优选共轭型低分子材料。另一方面，中间层b优选由高分子材料组成，高分子材料可以是非晶的。
此外，对于构成中间层b的绝缘材料，使用有机绝缘材料或者无机绝缘材料(例如氧化硅)。有机绝缘材料可以是低分子材料或高分子材料，并且当发生交联反应是可以交联或不交联。优选高分子绝缘材料。作为这样的材料，使用聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚二甲硅氧烷、尼龙、聚酰亚胺、环烯烃共聚物、环氧聚合物、纤维素、聚甲醛、聚烯烃基聚合物、聚乙烯基聚合物、聚酯基聚合物、聚醚基聚合物、聚酰胺基聚合物、氟基聚合物、生物可降解塑料、聚酚树脂、氨基树脂、不饱和聚酯树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、硅树脂、组合各种共聚物单元的共聚物等。
注意，上面的形成叠层结构的各层可以由单组分形成或者上述层可以由混合多种材料的混合材料形成。此外，完全界定各层的状态不是限制性的，构成各层的材料靠近界面可以相互混合。
然后，作为半导体薄膜1的特别优选的示例，例示了使用多晶的或结晶的共轭型低分子材料的半导体层a/使用非晶的高分子材料的绝缘中间层b/使用多晶的或结晶的共轭型低分子材料的半导体层a′。
如将在下面的示例中所描述的，在具有上述构造的叠层结构的半导体薄膜1中，与具有单层结构的半导体薄膜相比，已经实验证实，由加热造成的迁移率的降低可以被抑制到较小的程度。
<用于形成半导体薄膜的方法-1>
作为形成具有上述构造的半导体薄膜1的方法的第一示例，可以通过膜成形从下层侧连续形成一层接一层。根据材料，包括旋转涂布、狭缝涂布、喷墨、丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷、平板印刷等的涂层和印刷方法，以及蒸发法、CVD法、PVD法、溅射法等方法可以应用于各层的膜成形。具体的说，当构成半导体薄膜1的所有层都由有机材料组成时，通过应用涂层和印刷方法的工艺可以获得半导体薄膜1。
<用于形成半导体薄膜的方法-2>
此外，作为用于形成半导体薄膜1的方法的第二示例，可以举例说明在通过涂层或印刷形成的薄膜中有机材料自发地进入相分离状态。下面将描述本方法。
首先，包括上述有机半导体材料的多种类型的有机材料溶解在溶剂中以配制混合溶液。此时，例如，构成中间层的有机材料(例如，上述有机绝缘材料)也溶解在相同的溶剂中并混合。
然后，通过诸如旋转涂布的涂层方法、印刷方法、以及喷墨方法，所配制的溶液被涂布或印刷在衬底上以形成薄膜。这里注意，印刷方法理解为一种类型的涂层方法，下面将由包括印刷方法的涂层方法所形成的薄膜确认为涂层。
然后，通过使涂层干燥，去除了涂层中的溶剂，包含在涂层中的多种类型的有机材料自发地进入相分离状态。
因此，可以获得具有包含半导体层的叠层结构的半导体薄膜，在半导体层中有机材料各自进入相分离状态并且有机半导体材料层叠。此外，当涂层中包含有机绝缘材料时，可以获得层叠着由该有机绝缘材料组成的绝缘层的半导体薄膜。在这时，例如，有机半导体材料在涂层的界面侧上析出，以构成半导体层，并且可以获得半导体薄膜，在半导体薄膜中绝缘层作为中间层夹在两个半导体层之间。在此情况下，例如，两个半导体层由同一材料组成。
注意，通过调整构成涂层(即，溶液)的多种类型的有机材料的各自的分子量，实现上面的在干燥涂层的过程中在涂层中的有机材料的自发相分离。或者，作为另一示例，通过组合构成涂层(即，溶液)的多种类型有机材料来实现。
利用上述形成方法，通过一次性成膜涂布，可以获得具有叠层结构的半导体薄膜。此外，不会产生用作层的上层的成膜基准的下层的侵蚀问题。
此外，具体来说已经发现，如将在下面的示例中所描述的，通过利用溶液进行成膜涂布(印刷)，所述溶液通过在溶剂中溶解包含有机半导体材料的多种类型有机材料进行混合，增强了涂层和印刷特性，也增强了生成半导体薄膜的面内均匀性。例如，当利用低分子材料作为有机半导体材料时，在溶解该有机材料的溶液中，很难获得成膜涂布所需的粘性，并且溶液在被涂布和干燥之后经常凝结。结果，凝结引起膜的不规则，并且很难获得具有面内均匀性的半导体薄膜。
因此如上所述，已经证实，当在溶剂中溶解包括有机半导体材料的多种类型的有机材料时，使用高分子材料(例如，高分子绝缘材料)作为用于与有机半导体材料结合的另一有机材料，能够调节溶液具有足够的粘性，并且提供了在通过旋转涂布、喷墨等进行涂布之后在干燥步骤中不大可能凝结的半导体薄膜，并且具有面内均匀性。
<薄膜半导体装置-1>
图2是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第一示例截面构成图。在图2中示出的薄膜半导体装置10-1是底接触底栅(BCBG)型薄膜晶体管和场效应晶体管。在上述薄膜半导体装置10-1中，通过图案在衬底11上形成栅电极13。此外，以覆盖栅电极13的状态设置栅绝缘膜15。通过图案在上述栅绝缘膜15上形成源极17s和漏极17d。上述源极17s和漏极17d设置在与栅电极13的两侧相对应的位置，处于栅电极13在其之间的状态，以相互面对。在栅电极与源极以及漏极之间可以有重叠区域。此外，具有上述叠层结构的半导体薄膜1设置成跨越源极17s-漏极17d，处于与栅绝缘膜15、源极17s和漏极17d接触的状态。
此外，具体来说，在本第一示例中，构成上述半导体薄膜1的至少两个半导体层中的一个设置成处于与源极17s、栅绝缘膜15和漏极17d接触的状态。这里，例如，具有中间层b夹在半导体层a-a′之间的三层结构的半导体薄膜1设置成处于覆盖栅绝缘膜15的状态，在栅绝缘膜15上形成栅极17s和漏极17d；这中间的半导体层a设置成处于与源极17s、栅绝缘膜15和漏极17d接触的状态。通过上述第一示例或第二示例的形成方法来形成上述半导体薄膜1。
这里，当构成半导体薄膜1的所有层由有机材料组成时，通过应用印刷方法的低温工艺可以获得半导体薄膜1。因此，塑料结构可以用作衬底11。在此情况下，通过同样用有机材料构成栅绝缘膜15，通过应用印刷方法的低温工艺可以进行成形。此外，除了通过溅射法、CVD法、电镀法或沉积法的金属点解常规形成方法之外，通过应用使用纳米颗粒(例如金或银)的分散溶液、金属复合溶液以及导电分子溶液的诸如喷墨法、微接触法或丝网印刷法等的印刷方法的低温工艺，可以形成栅电极13、源极17s和漏极17d。
此外，在具有上述构造的薄膜半导体装置10-1中，已经实验证实，通过使用如图1所述的半导体薄膜1作为有源层，与具有单层结构的半导体薄膜用作有源层的构造相比，由加热所引起的迁移率的降低被抑制到较小的程度。结果，抑制了由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增强耐热性。
<薄膜半导体装置-2>
图3是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第二示例的截面构造图。图3中所示的薄膜半导体装置10-2也是底接触底栅(BCBG)型薄膜晶体管(场效应晶体管)。与图2中所示的薄膜晶体管(10-1)相同的组成单元用同一附图标号表示。
图3中所示的第二示例的薄膜半导体装置10-2与图2中所示的第一示例的薄膜晶体管(10-1)的不同之处在于半导体薄膜1在源极17s和漏极17d的阶梯图案处分开的构造。其他构造与第一示例相同。
同时，在上述构造中，提供了这样的状态，即上述半导体薄膜1设置为跨越源极17s-漏极17d并处于与栅绝缘膜15、源极17s和漏极17d接触的状态；并且具有三层结构的半导体薄膜1中间的半导体层a设置成处于与源极17s、栅绝缘膜15和漏极17d接触的状态。注意，半导体层a只在半导体层a的端面与源极17s和漏极17d接触。
因此同样的，在具有上述构造的薄膜半导体装置10-2中，通过使用如图1所述的半导体薄膜1作为有源层，如同在第一示例中一样，抑制了由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增强耐热性。
<薄膜半导体装置-3>
图4是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第三示例的截面构造图。图4中所示的薄膜半导体装置10-3是顶接触底栅(TCBG)型的薄膜晶体管(场效应晶体管)。与图2中所示的薄膜晶体管(10-1)相同的组成单元用同一附图标号表示。
图4中所示的第三示例的薄膜半导体装置10-3与图2中所示的第一示例的薄膜晶体管(10-1)的不同之处在于半导体薄膜1、源极17s和漏极17d层叠的顺序。其他构造与第一示例相同。
具体来说，通过图案在栅绝缘膜15上形成源极17s和漏极17d，半导体薄膜1在其之间，栅绝缘膜15覆盖衬底11上的栅电极13。因此，上述半导体薄膜1设置成跨越源极17s-漏极17d，处于与栅绝缘膜15、源极17s和漏极17d接触的状态。
在第三示例的薄膜半导体装置10-3中，构成上述半导体薄膜1的多个半导体层中的一个(这里是半导体层a)设置成处于与栅绝缘膜15接触的状态，另一个(这里是半导体层a′)设置成处于与源极17s和漏极17d接触的状态。
因此同样的，在具有上述构造的薄膜半导体装置10-3中，通过使用如图1所述的半导体薄膜1作为有源层，如同在第一示例中一样，抑制了由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增强耐热性。
<薄膜半导体装置-4>
图5是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第四示例的截面构造图。图5中所示的薄膜半导体装置10-4是顶接触顶栅(TCTG)型的薄膜晶体管(场效应晶体管)。与图2中所示的薄膜晶体管(10-1)相同的组成单元用同一附图标号表示。
图5中所示的第四示例的薄膜半导体装置10-4与图2中所示的第一示例的薄膜晶体管(10-1)的不同之处在于构成单元的层叠顺序是相反的。其他构造与第一示例相同。
具体来说，通过图案在衬底11上形成源极17s和漏极17d，半导体薄膜1在其之间，并且栅绝缘膜15设置成处于覆盖上述各单元的状态。通过图案在栅绝缘膜15上源极17s-漏极17d之间的位置处形成栅电极13。
在上述构造中，如同在第一示例中，提供了这样的状态，即上述半导体薄膜1设置为跨越源极17s-漏极17d并处于与栅绝缘膜15、源极17s和漏极17d接触的状态；并且具有三层结构的半导体薄膜1中间的半导体层a′设置成处于与源极17s、栅绝缘膜15和漏极17d接触的状态。
因此同样的，在具有上述构造的薄膜半导体装置10-4中，通过使用如图1所述的半导体薄膜1作为有源层，如同在第一示例中一样，抑制了由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增强耐热性。
<薄膜半导体装置-5>
图6是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第五示例的截面构造图。图6中所示的薄膜半导体装置10-5是底接触顶栅(BCTG)型的薄膜晶体管(场效应晶体管)。与图2中所示的薄膜晶体管(10-1)相同的组成单元用同一附图标号表示。
图6中所示的第五示例的薄膜半导体装置10-5是按照图5中所示的第四示例的薄膜晶体管(10-4)中的半导体薄膜1、源极17s和漏极17d的层叠顺序。其他构造与第四示例相同。
具体来说，通过图案在衬底11上形成源极17s和漏极17d，半导体薄膜1设置成处于覆盖上述各单元的状态。栅绝缘膜15设置在半导体薄膜1上。此外，通过图案在栅绝缘膜15上的源极17s-漏极17d之间的位置处形成栅电极13。
在第五示例的薄膜半导体装置10-5中，构成上述半导体薄膜1的多个半导体层中的一个(这里是半导体层a′)设置成处于与栅绝缘膜15接触的状态，另一个(这里是半导体层a)设置成处于与源极17s和漏极17d接触的状态。
因此同样的，在具有上述构造的薄膜半导体装置10-5中，通过使用如图1所述的半导体薄膜1作为有源层，如同在第一示例中一样，抑制了由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增强耐热性。
<薄膜半导体装置-6>
图7是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第六示例的截面构造图。图7中所示的薄膜半导体装置10-6是底接触顶栅(BCTG)型的薄膜晶体管(场效应晶体管)的第一修改示例。与第五示例的不同之处仅在于源极17s和漏极17d的表面与衬底11的表面构成相同的平面。
<薄膜半导体装置-7>
图8是示出应用本发明的薄膜半导体装置的第七示例的截面构造图。图8中所示的薄膜半导体装置10-7是底接触顶栅(BCTG)型的薄膜晶体管(场效应晶体管)的第二修改示例。与第五示例的不同之处仅在于构成半导体薄膜1的半导体层a形成为填充源极17s和漏极17d的阶梯图案的膜，以提供平坦表面。
注意，上面所描述的实施例的薄膜半导体装置根据需要还被覆盖着中间层绝缘膜和钝化膜，并被连线以及使用。
示例
<半导体薄膜的示例1>
如下所述形成图1中所示的半导体薄膜。首先，配制TIPS并五苯(6，13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene：有机半导体材料)和聚α-甲基苯乙烯(poly(α-mehtylstyrene)：Mw＝108000，Mn＝106000：有机绝缘材料)混合并溶解在均三甲苯中的溶液。然后，通过旋转涂布将所配制的溶液涂布在衬底上以形成涂层，在衬底中表面由主要由交联PVP(聚乙烯苯酚)组成的有机绝缘膜构成。所形成的涂层在氮气环境下在60℃下干燥一小时，以提供薄膜。
通过TOF-SIMS在深度方向以浓度分布测量生成的薄膜。图9中示出了结果。如图9中所示，在绝缘层(衬底)的靠近表面的位置和靠近界面的位置两个分开的位置检测到TIPS并五苯中所含的Si的峰值。由此，证实在上述涂层溶液的干燥过程中有机半导体材料TIPS并五苯和有机绝缘材料聚α-甲基苯乙烯进入相分离，并获得了具有层状构造的半导体薄膜1，如图1所示，在半导体薄膜1中主要由聚α-甲基苯乙烯组成的中间层b夹在由包含Si的TIPS并五苯组成的半导体层a-a′之间。注意，图9中的CN和O是构成衬底的表面的有机绝缘膜的成分。
<半导体薄膜的比较示例1>
在上述<示例1>的过程中，有机绝缘材料的分子量被调整为聚α-甲基苯乙烯(Mw＝2200，Mn＝1960)。除此之外，通过与<示例1>中相同的过程获得了薄膜。
通过TOF-SIMS在深度方向以浓度分布测量生成的薄膜。图10中示出了结果。如图10中所示，TIPS并五苯中所含的Si在最浅层表面部分分布略有不均匀，但是在绝缘层(衬底)的表面侧中检测到基本均匀，其中CN和O检测为高浓度。由此，证实在上述涂层溶液的干燥过程中有机半导体材料TIPS并五苯和有机绝缘材料聚α-甲基苯乙烯没有进入相分离，并且只获得了具有单层结构的薄膜，其中上述材料在薄膜中基本均匀混合。
因此，根据<示例1>和<比较示例1>的上述结果，已证实，通过调整组成溶液的有机材料(这里具体的说是有机绝缘材料)的分子量，获得了在涂层中有机材料自发进入相分离的叠层膜。
<半导体薄膜的示例2>
如下所述形成如图1中所示的半导体薄膜。首先，配制TIPS并五苯(有机半导体材料)和环烯烃共聚物(有机绝缘材料)混合并溶解在均三甲苯中的溶液。然后，通过旋转涂布将所配制的溶液涂布在衬底上以形成涂层，衬底具有主要由交联PVP(聚乙烯苯酚)组成的有机绝缘膜。所形成的涂层在氮气环境下在60℃下干燥一小时，以提供薄膜。
通过TOF-SIMS在深度方向以浓度分布测量生成的薄膜。图11中示出了结果。如图11中所示，在绝缘层(衬底)的靠近表面的位置和靠近界面的位置两个分开的位置检测到TIPS并五苯中所含的Si的峰值。由此，证实在上述涂层的干燥过程中有机半导体材料TIPS并五苯和有机绝缘材料聚α-甲基苯乙烯进入相分离，并且获得具有层状构造的半导体薄膜1，如图1所示，在半导体薄膜1中由环烯烃共聚物组成的中间层b夹在由包含Si的TIPS并五苯组成的半导体层a-a′之间
此外，根据上面与<示例1>的对比，已证实在涂层中有机半导体材料和有机绝缘材料的相分离不限于诸如聚α-甲基苯乙烯之类的芳香烃化合物用作有机绝缘材料的情况，还利用没有芳香环的环烯烃基高分子材料而出现
<半导体薄膜的比较示例2>
在上述<示例1>的过程中，使用在均三甲苯中只溶解TIPS并五苯(有机半导体材料)而没有有机绝缘材料的溶液。除此之外，通过与<示例1>中相同的过程形成具有仅由TIPS并五苯组成的单层结构的半导体薄膜。
<半导体薄膜的评价>
测量上面生成的<比较示例2>的半导体薄膜和上述<示例1>以及<比较示例1>的半导体薄膜的X射线衍射谱。图12中示出了结果。如图12所示，有机半导体材料TIPS并五苯和有机绝缘材料聚α-甲基苯乙烯进入相分离的<示例1>与具有仅有TIPS并五苯组成的单层结构的<比较示例2>表现出相同的光谱。由此，证实在<示例1>中生成的半导体薄膜1中的半导体层a、a′中的TIPS并五苯的排列状态被保持，从而与<比较示例2>中生成的由TIPS并五苯组成的单层结构中的排列状态相同。
与此相反，在<比较示例1>中生成的并且具有TIPS并五苯和聚α-甲基苯乙烯基本均匀混合的单层结构的薄膜中，在X射线衍射光谱中没有峰值，这表明TIPS并五苯没有排列在膜中，分子排列是换乱的。
<装置的示例>
如下所述，制作了如图2所述的底接触底栅(BCBG)型的薄膜晶体管(场效应晶体管)。
首先，使用3英寸的Si晶片作为通用栅电极13。在栅电极13的上部形成由有机绝缘膜构成的栅绝缘膜15，在栅绝缘膜15上形成源极17s和漏极17d的87个或更多个图案。然后，通过与<示例1>中相同的过程，在栅绝缘膜15上形成具有叠层结构的半导体薄膜1，在栅绝缘膜15上形成源极17s和漏极17d。具体来说，TIPS并五苯(有机半导体材料)和聚α-甲基苯乙烯(Mw＝108000，Mn＝106000：有机绝缘材料)混合并溶解在均三甲苯中的溶液被通过旋转涂布来涂布，以形成涂层溶液。所形成的涂层溶液在氮气环境下在60℃下干燥一小时，以形成具有叠层结构的半导体薄膜1。因此，获得了应用本发明的图2中的薄膜晶体管。
<装置的比较示例>
除了应用<比较示例2>的过程以形成半导体薄膜之外，通过与<装置的示例>中相同的过程生产薄膜晶体管。具体来说，在形成半导体薄膜中，使用在均三甲苯中只混合并溶解了TIPS并五苯(有机半导体材料)而没有有机绝缘材料的溶液，以形成具有仅有TIPS并五苯组成的单层结构的半导体薄膜。除此之外，通过与<装置的示例>中相同的过程生产薄膜晶体管。
<装置的评价-1>
在氮气环境下以迁移率(Mobility)根据加热温度的变化测量在上面的<装置的示例>和<装置的比较示例>中所生产的薄膜晶体管。图13中示出了结果。如图13所示，在<装置的示例>中所获得的薄膜晶体管中，初始迁移率为0.2cm2/Vs，随着加热而降低，但是即使加热到180℃，可以维持大约0.08cm2/Vs的迁移率。与此相反，在<装置的比较示例>中所获得的薄膜晶体管中，初始迁移率为0.09cm2/Vs，随着加热而降低，在180℃降到大约6×10-4cm2/Vs的迁移率。
这表明，与<装置的比较示例>中所获得的薄膜晶体管相比，在应用本发明的<装置的示例>中所获得的薄膜晶体管中，初始迁移率高，即使处于加热到180℃的状态下，迁移率的降低被抑制到较小的程度。
因此，已证实，通过应用本发明使得半导体薄膜1具有叠层结构，可以抑制由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，可以获得具有增强的耐热性的半导体薄膜和薄膜半导体装置。
注意，可以实现上述对迁移率降低的抑制，一个原因是因为由加热所引起的半导体薄膜的膨胀受到叠层结构的抑制。即，作为由于热量的增加所引起的一种物理变化，存在由于加热所引起的膨胀和收缩。薄膜晶体管可以看做层叠具有不同材料特性的有机物质的结构。各层具有不同的热膨胀系数，热量的增加可以引起各层之间的应力。例如，当具有不同热膨胀系数的金属Ma和金属Mb结合在一起时，众所周知室温下平坦的组元在高温下会翘曲。这个现象是由于上部和下部之间不同的膨胀率而引起的。但是，存在利用Ma-Mb-Ma夹层结构可以避免上述翘曲的情况。这可以实现，是由于尽管在金属Ma-Mb之间引起了应力，但是当看做一个平板时，夹层结构减小了由于上部和下部之间的热膨胀而引起的应力。
因此，半导体薄膜1不限于如示例中所示的由有机材料组成的半导体薄膜，希望有无机材料组成的半导体薄膜具有相同的优点。
此外，当通过涂层生产半导体薄膜时，溶剂的干燥步骤显著的影响薄膜晶体管的性能特性。例如，已有报道，使用具有更高沸点的涂层溶剂可以提供具有高迁移率的薄膜晶体管(参考《Chem.Mater》，16(23)，2004年，第4772-4776页)。这可以实现，是由于使用具有高沸点的涂层溶剂减低了干燥步骤中涂层溶剂的干燥速度。
此外，如上面的<装置的示例>和<装置的比较示例>中，当使用相同的涂层溶剂(均三甲苯)用于形成半导体薄膜时，已在视觉上证实在<装置的示例>中的涂层的干燥过程中涂层溶剂的干燥速度降低了。这可以实现，是由于具有远大于TIPS并五苯的分子量的高分子材料聚α-甲基苯乙烯(Mw＝108000，Mn＝106000)与有机半导体材料TIPS并五苯(有机半导体材料)的混合阻止涂层溶剂的挥发，结果干燥变慢。因此，利用上述干燥速度的降低作为原因，能够获得具有增强的迁移率的薄膜晶体管。
<装置的评价-2>
在如上述<装置的示例>和<装置的比较示例>中所生产的多个薄膜晶体管中，测量<装置的示例>和<装置的比较示例>中各自的87个薄膜晶体管在电流导通状态下的变化。结果，如<装置的示例>中所生产的薄膜晶体管的在电流导通状态下的变化时11.3％。另一方面，如在<装置的比较示例>中所生产的薄膜晶体管的在电流导通状态下的变化是54.7％。
因此，通过在应用旋转涂布方法形成半导体薄膜中利用自发相分离形成具有叠层结构的半导体薄膜，已证实与利用单一有机半导体材料形成半导体薄膜的情况相比，对电流导通状态的变化的抑制效果大约是1/5。
<装置的评价-3>
此外，在如<装置的示例>和<装置的比较示例>中所生产的多个薄膜晶体管中，测量<装置的示例>和<装置的比较示例>中各自的87个薄膜晶体管的栅电压Vg-漏电流Id特性。图14中示出了结果。根据上述结果，同样已证实如<装置的示例>中生成的薄膜晶体管的特性的变化小于如<装置的比较示例>中生成的薄膜晶体管的特性的变化。
根据上面的<装置的评价-2>和<装置的评价-3>的结果，已证实，通过混合具有远大于TIPS并五苯的分子量的高分子材料聚α-甲基苯乙烯(Mw＝108000，Mn＝106000)与有机半导体材料TIPS并五苯(有机半导体材料)，可以向用于涂层的溶液提供一定程度的粘性，并且增强了涂布性能，还抑制了涂层在干燥过程中的凝结，因此获得了具有面内均匀性的半导体薄膜。
如上所述，根据本发明，在薄膜半导体装置和场效应晶体管中可以抑制由加热所引起的迁移率的降低和由迁移率的降低所引起的特性的降低，并且可以增强耐热性。

Claims (6)

1.一种薄膜半导体装置，其包括层叠在栅电极上的半导体薄膜，在所述栅电极和所述半导体薄膜之间具有栅绝缘膜，
其中，所述半导体薄膜具有叠层结构，并且包括至少两个半导体层，
主要由不同于所述两个半导体层的材料组成的中间层被夹在所述半导体层之间，并且
所述叠层结构由有机材料组成，
其中，所述两个半导体层是共轭型低分子材料，所述中间层是高分子材料。
2.根据权利要求1所述的薄膜半导体装置，
其中所述共轭型低分子材料是多晶的或结晶的，所述高分子材料是非晶的。
3.根据权利要求1所述的薄膜半导体装置，
其中所述高分子材料是高分子绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的薄膜半导体装置，
其中，所述叠层结构从所述栅绝缘膜一侧起依次由第一共轭型低分子材料层/高分子材料层/第二共轭型低分子材料层构成。
5.根据权利要求4所述的薄膜半导体装置，
其中，所述第一共轭型低分子材料层和所述第二共轭型低分子材料层是多晶的或结晶的，所述高分子材料层是非晶的。
6.根据权利要求4所述的薄膜半导体装置，
其中所述高分子材料层是高分子绝缘材料。
CN200880122073.0A 2007-12-27 2008-10-17 薄膜半导体装置和场效应晶体管 Expired - Fee Related CN101904011B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007-335881 2007-12-27
JP2007335881 2007-12-27
PCT/JP2008/068843 WO2009084307A1 (ja) 2007-12-27 2008-10-17 薄膜半導体装置および電界効果トランジスタ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101904011A CN101904011A (zh) 2010-12-01
CN101904011B true CN101904011B (zh) 2012-12-26

Family

ID=40824030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200880122073.0A Expired - Fee Related CN101904011B (zh) 2007-12-27 2008-10-17 薄膜半导体装置和场效应晶体管

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8304763B2 (zh)
EP (1) EP2226846A4 (zh)
JP (1) JP5453771B2 (zh)
KR (1) KR20100103623A (zh)
CN (1) CN101904011B (zh)
TW (1) TWI382540B (zh)
WO (1) WO2009084307A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5598410B2 (ja) * 2011-04-11 2014-10-01 大日本印刷株式会社 有機半導体素子の製造方法および有機半導体素子
JP5884306B2 (ja) * 2011-06-13 2016-03-15 ソニー株式会社 薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに電子機器
CN102332533A (zh) * 2011-09-20 2012-01-25 电子科技大学 一种空穴传输型有机薄膜晶体管及其制备方法
GB201408946D0 (en) * 2014-05-20 2014-07-02 Univ Manchester Low voltage dielectric
TWI667795B (zh) * 2014-09-25 2019-08-01 日商富士軟片股份有限公司 有機場效電晶體、有機半導體結晶的製造方法及有機半導體元件
WO2017159703A1 (ja) * 2016-03-16 2017-09-21 富士フイルム株式会社 有機半導体組成物、有機薄膜トランジスタの製造方法、及び有機薄膜トランジスタ
CN113540351A (zh) * 2020-04-21 2021-10-22 丰田自动车株式会社 场效应晶体管、气体传感器及其制造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5500537A (en) * 1989-08-17 1996-03-19 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Field-effect transistor with at least two different semiconductive organic channel compounds
CN101006754A (zh) * 2004-08-23 2007-07-25 株式会社半导体能源研究所 电子器件及其制造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0644625B2 (ja) * 1988-12-31 1994-06-08 三星電子株式会社 アクティブマトリックス液晶表示素子用薄膜トランジスタ
JPH03217027A (ja) * 1990-01-12 1991-09-24 Samsung Electron Devices Co Ltd 複数の半導体層を持つ薄膜トランジスタ
JP2004165427A (ja) * 2002-11-13 2004-06-10 Konica Minolta Holdings Inc 有機薄膜トランジスタ素子
TW577176B (en) * 2003-03-31 2004-02-21 Ind Tech Res Inst Structure of thin-film transistor, and the manufacturing method thereof
JP2005243822A (ja) * 2004-02-25 2005-09-08 Seiko Epson Corp 薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタ回路、電子デバイスおよび電子機器
US7560301B2 (en) * 2004-08-20 2009-07-14 Panasonic Corporation Coating liquid for forming organic layered film, method of manufacturing field effect transistor, and field effect transistor
JP4836513B2 (ja) * 2004-08-23 2011-12-14 株式会社半導体エネルギー研究所 発光素子、発光装置、照明機器、電子機器および半導体素子
US7671448B2 (en) * 2005-03-24 2010-03-02 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device including two organic semiconductor layers
US7851788B2 (en) * 2006-02-28 2010-12-14 Pioneer Corporation Organic transistor and manufacturing method thereof
JP2007273594A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Nippon Kayaku Co Ltd 電界効果トランジスタ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5500537A (en) * 1989-08-17 1996-03-19 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Field-effect transistor with at least two different semiconductive organic channel compounds
CN101006754A (zh) * 2004-08-23 2007-07-25 株式会社半导体能源研究所 电子器件及其制造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP平3-217027A 1991.09.24
JP特开2007-273594A 2007.10.18

Also Published As

Publication number Publication date
US20100276754A1 (en) 2010-11-04
EP2226846A1 (en) 2010-09-08
JP2009177135A (ja) 2009-08-06
TWI382540B (zh) 2013-01-11
JP5453771B2 (ja) 2014-03-26
US8304763B2 (en) 2012-11-06
KR20100103623A (ko) 2010-09-27
EP2226846A4 (en) 2013-02-20
TW200947709A (en) 2009-11-16
WO2009084307A1 (ja) 2009-07-09
CN101904011A (zh) 2010-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101904011B (zh) 薄膜半导体装置和场效应晶体管
Pandey et al. Recent advances in the orientation of conjugated polymers for organic field-effect transistors
CN101903993B (zh) 形成半导体薄膜的方法和制造薄膜半导体器件的方法
JP5124520B2 (ja) 薄膜トランジスタ
US8940120B2 (en) Electronic part manufacturing method and electronic part manufactured by the method
US7994495B2 (en) Organic thin film transistors
US8314416B2 (en) Organic semiconductor formulation
JP2011082517A (ja) 電子デバイス、薄膜トランジスタおよび半導体層を形成させるためのプロセス
TW200929651A (en) Thin film transistors
KR20080090330A (ko) 상-분리된 유전 구조물을 갖는 장치
TWI644964B (zh) 有機半傳導性調配物
EP2157114A1 (en) Semiconducting polymers
EP2157119A1 (en) Electronic device comprising semiconducting polymers
EP1837928B1 (en) Organic semiconductor formulation
JP2008147225A (ja) 有機薄膜トランジスタの製造方法、及び該製造方法により製造した有機薄膜トランジスタ
WO2012141225A1 (ja) 有機半導体素子の製造方法
Xu Characterization and modeling of static properties and low-frequency noise in organic field-effect transistors (OFETs)
Kim et al. Rubber-stamp-printed Poly (3-hexylthiophene) organic field-effect transistor on a plastic substrate with high mobility

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20121226

Termination date: 20151017

EXPY Termination of patent right or utility model