CN101978523A - 制造顶栅有机半导体晶体管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制造顶栅有机半导体晶体管的方法，包括：提供一衬底；在该衬底上沉积源电极和漏电极；在源电极和漏电极之间的沟道沉积有机半导体材料，并且覆盖源电极和漏电极的至少一部分；在该有机半导体材料上沉积电介质材料；在电介质材料和沟道中的有机半导体材料上沉积栅电极；去除该电介质材料和有机半导体制料的一部分，其中，在该去除步骤期间，该栅电极作为掩模来保护其下方的有机半导体材料和电介质材料。

Description

制造顶栅有机半导体晶体管的方法
技术领域
本发明总体涉及一种制造顶栅有机半导体场效应晶体管的方法。更具体地，本发明涉及对形成有机场效应晶体管的一部分的有机半导体层和电介质层的图形化。
背景技术
晶体管可分为两种主要类型：双极结型晶体管和场效应晶体管。两种类型都共享一个相同的结构，包括：具有半导体材料的三个沉积在沟道区域之间的电极。双极结晶体管公知的三个电极是发射极、集电极和基极；而在场效应晶体管中公知的三个电极是源极、漏极和栅极。双极结晶体管可被描述为电流控制器件，即发射极和集电极之间的电流由流经基极和发射极之间的电流控制。相反，场效应晶体管可被描述为电压控制器件，即流经源电极和漏电极之间的电流由该栅电极和该源电极之间的电压控制。
分别根据其包括的半导体材料是传导正电荷载流子(空穴)还是负电荷载流子(电子)，晶体管还可分为p型和n型。半导体材料可根据其接收、传导和释放电荷的能力来选择。半导体材料接收、传导和释放空穴或电子的能力可通过掺杂材料来增强。用于源电极和漏电极的材料还可以根据其接收和注入空穴或电子的能力来选择。
例如，p型晶体管器件可以通过选择接收、传导和释放空穴的效率高的半导体材料以及选择从半导体材料注入和接收空穴的效率高的用于形成源电极和漏电极的材料来形成。在电极中的费米能级与半导体材料的HOMO能级的良好能级匹配可增强空穴的注入和接收。相反，n型晶体管器件可以通过选择接收、传导和释放电子的效率高的半导体材料以及选择从半导体材料注入和接收电子的效率高的用于形成源电极和漏电极的材料来形成。在电极中的费米能级与半导体材料的LUMO能级的良好能级匹配可增强电子的注入和接收。
晶体管可通过在薄膜中沉积部件来形成薄膜晶体管(TFT)。当这个器件中有机材料被用作半导体材料时，其就是公知的有机薄膜晶体管(OTFT)。
用于有机薄膜晶体管的各种布置都是公知的。这些器件的一种是绝缘栅场效应晶体管，其包括源电极和漏电极，具有在其间的沟道区域沉积的半导体材料，栅电极相邻于半导体材料沉积，并且绝缘材料层沉积在栅电极和沟道区域中的半导体材料之间。
OTFT可通过低成本、低温方法来制造，例如溶液工艺。再者，OTFT还兼容柔性塑料衬底，这为在柔性衬底上以成卷法工艺(roll to roll process)制造大规模的OTFT提供了前景。
在有机薄膜晶体管的顶部配置栅电极从而形成所谓顶栅有机薄膜晶体管是公知的。顶栅有机薄膜晶体管的一个例子可参见US6734505。
在这种结构中，源电极和漏电极相隔离的被沉积在衬底上，并且在它们之间限定出沟道区域。有机半导体材料层在沟道区域中沉积，从而连接源电极和漏电极，并且可以至少部分地在源电极和漏电极上延伸。电介质材料的绝缘层在有机半导体材料上沉积，并且也可以至少部分地在源电极和漏电极上延伸。栅电极沉积在该绝缘层之上并位于沟道区域之上。
衬底可以是刚性或柔性的。刚性衬底可选自玻璃或硅，而柔性衬底可包括薄玻璃或者诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯和聚酰亚胺的塑料。
通过采用合适的溶剂，能够使有机半导体材料为溶液可处理的。实例性溶剂包括诸如甲苯和二甲苯的单或聚烷基苯、1，2，3，4-四氢化萘和三氯甲烷。优选的溶液沉积技术包括旋涂和喷墨印刷。其他溶液沉积技术包括浸涂、卷辊印刷(roll printing)和丝网印刷。
优选的有机半导体材料包括诸如选择性取代并五苯的小分子；诸如聚芳撑的选择性取代聚合物(特别是聚芴和聚噻吩)以及低聚物。可以使用材料的混合物包括不同类型材料(例如聚合物和小分子的混合物)的混合物。
对于p沟道的OTFT，源电极和漏电极优选包括高功函数的材料，优选具有大于3.5eV功函数的金属，例如：金、铂、钯、钼、钨或铬。更优选具有从4.5至5.5eV范围的功函数的金属。也可以采用其他合适的化合物、合金以及氧化物，例如三氧化钼和氧化铟锡。源电极和漏电极可通过热蒸发来沉积，并且采用本领域公知的标准光刻技术和剥离技术来图形化。
可选的，可沉积导电聚合物来作为源电极和漏电极。这种导电聚合物的一个实例是聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)，然而其他导电聚合物也是本领域公知的。这种导电聚合物可采用诸如旋涂或喷墨印刷技术以及其他如上所述的溶液沉积技术由溶液来沉积。
对于n沟道OTFT，源电极和漏电极优选的材料包括：例如诸如钙或钡或金属化合物薄层(特别是碱或碱土金属的氧化物或氟化物，例如氟化锂、氟化钡和氧化钡)的具有小于3.5eV的功函数的金属材料。可选的，可沉积导电聚合物来作为源电极和漏电极。
在源电据和漏电极之间限定的沟道的长度可达500微米，但优选的长度为小于200微米，更优选为小于100微米，最优选为小于20微米。
栅电极可选自广泛的导电材料，例如金属(如：金)或金属化合物(如：氧化铟锡)。可选的，可沉积导电聚合物来作为栅电极。这种导电聚合物可采用诸如旋涂或喷墨印刷技术以及其他如上所述的溶液沉积技术从溶液来沉积。
栅电极、源电极和漏电极的厚度可在5-200nm的范围，而例如通过原子力显微镜(AFM)测量的典型值是50nm。
包括电介质层的绝缘层选自具有高电阻率的绝缘材料。尽管希望电介质材料具有高的k值，但是对于OTFT来说，由于可达到的电容量与k成正比，而漏电流ID与电容量成正比，因此电介质材料的电介质常数k的典型值大约为2-3。因此，为了在低工作电压的情况下得到大的漏电流，OTFF优选在沟道区域中具有薄的电介质层。
电介质材料可以是有机或无机的。优选的无机材料包括SiO2、SiNX和旋涂玻璃(SOG)。优选的有机材料通常为聚合物和包括诸如来自道康宁(DowCorning)的聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯基吡咯烷(PVP)、如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙烯酸酯以及苯并环丁烷(BCBs)的绝缘聚合物。绝缘层可由混合材料来形成，或者包括多层结构。
电介质材料可通过本领域公知的热蒸发、真空工艺或层压技术来沉积。可选的，电介质材料可采用诸如旋涂或喷墨印刷技术以及其他如上所述的溶液沉积技术从溶液来沉积。
在顶栅结构中，将溶液沉积到有机半导体上来沉积电介质材料，并且不应导致有机半导体的溶解。避免这种溶解的技术包括：采用正交溶剂来用作沉积最上层的溶剂，其不会溶解下层；并且交联至下层。
绝缘层的厚度优选为小于2微米，更优选为小于500nm。
在器件结构中还可包括其他层。例如，自组装单分子层(SAM)可沉积在栅电极、源电极或漏电极、衬底、绝缘层和有机半导体材料上，以此来提升结晶性、减小接触电阻、修复表面特性以及提高所需地方的附着力。特别是，沟道区域的电介质表面可配置包括粘合区域和有机区域的单分子层来提高器件的性能，例如通过改进有机半导体的形态(特别是聚合物对准和结晶度)以及覆盖电荷陷阱，特别是对于高k的电介质表面。用作这种单分子层的材料的实例包括具有长烷基链的氯代或烷氧基硅烷，例如十八烷基三氯硅烷。类似地，可提供具有SAM的源电极和漏电极，从而改善有机半导体和电极之间的接触。例如，可提供具有SAM的金SD电极，SAM包括硫醇粘合基团以及用于改善接触的具有高偶极矩的、掺杂剂的或者共轭部分的基团。
为了制造如有源背板显示阵列的有机电子电路，其需要对诸如有机半导体层和电介质层的有机晶体管的核心有源部件进行图形化。图形化使得各个有机晶体管相互隔离，并且避免了可在电子电路中的有机晶体管之间引入串扰从而损害电路的性能的连续有机半导体薄膜的出现。此外还要求对有机半导体和电介质图形开通通孔，从而使得上金属化层和下金属化层接触。
图形化的一个方法是采用靶向喷墨印刷技术直接对有机半导体层或电介质层进行图形化。然而，采用喷墨印刷头来瞄准活性材料液滴是具有挑战性的，并且部分地由于不同油墨配方之间的形态以及工艺条件的差异，喷墨印刷的有机晶体管的性能通常低于通过其他技术来涂覆层的相应有机晶体管。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种制造顶栅有机半导体晶体管的方法，包括：提供一衬底；在衬底上沉积源电极和漏电极；在源电极和漏电极之间的沟道中并且在源电极和漏电极的至少一部分之上沉积有机半导体材料；在有机半导体材料之上沉积电介质材料；在电介质材料和沟道中的有机半导体材料之上沉积栅电极；去除电介质材料和有机半导体材料的一部分，其中在去除步骤期间，栅电极用作屏蔽底下的有机半导体材料和介电材料的掩模。
本发明因此允许有机薄膜晶体管器件采用诸如旋涂、浸涂、卷辊印刷、丝网印刷或喷墨覆墨印刷(ink jet flood printing)的涂覆技术来制造。顶栅电极用作刻蚀停止掩模从而使得不需要的有机半导体材料和电介质可以被去除。这种去除降低漏电、减小单片电路中的部件之间的串扰、并且使得上金属化层和下金属化层之间的通孔连接。
优选地，去除步骤包括将晶体管暴露于刻蚀工艺并由此栅电极用作刻蚀掩模来保护底下的有机半导体材料和电介质材料不被刻蚀。
等离子体刻蚀是优选的，优选包括O2或者CF4等离子体刻蚀。
有利地，电介质和/或有机半导体材料可采用旋涂来沉积。已知用于旋涂的配方为材料赋予了超过用于靶向喷墨印刷技术的配方的寿命。但是喷墨印刷技术也可使用，并且有利的是，由于在刻蚀工艺期间可以去除任何过剩的电介质或有机半导体材料，所以可采用不同的配方和靶布局技术。因此，用于沉积有机半导体材料和电介质层的优选工艺是喷墨印刷。
优选地，有机半导体材料是聚合物。在去除步骤期间，优选暴露衬底以及优选暴露漏电极的一部分。
该方法还优选包括在暴露的漏电极上沉积导电线路并互连导电线路至另外的器件。可选地，另外的器件是有机发光二极管或另外的晶体管。
现在仅通过举例的方式并且参考附图来描述本发明的实施例：
附图说明
图1是根据本发明第一实施例制造的顶栅有机半导体晶体管的示意图；
图2是根据本发明第二实施例的形成互连的器件的方法的示意图；
图3是根据本发明第三实施例的相邻的晶体管和电容器的示意图；
图4是等离子体刻蚀之前晶体管的性能图；
图5是根据本发明第一实施例的执行等离子体刻蚀之后的晶体管的性能图。
具体实施方式
以下描述的全文中类似的附图标记将用于表示类似的部分。
参照图1，根据本发明第一实施例的顶栅有机半导体晶体管10的示意图由包括衬底14、源电极和漏电极16，18、有机半导体材料20、电介质22以及栅电极24的前体顶栅有机晶体管12制造。
前体顶栅有机晶体管12经历刻蚀工艺，直至暴露的电介质22和暴露的有机半导体材料20被去除。因为栅电极24用来作为直接在栅电极24下面的电介质22和有机半导体材料20一部分的掩模，所以电介质22和有机半导体材料20的一部分没有被去除。从而，提供了顶栅有机半导体晶体管10，其中，包括有机半导体材料20和电介质22的活性层堆叠26与相邻器件相隔离。另外，封装28可固定在衬底14的表面从而封装活性层堆叠26。
参照图2，参考形成互连器件的方法来更详细的描述根据图1的本发明第一实施例的顶栅有机半导体晶体管10的一种形成方法。
提供衬底14，而诸如开关晶体管30的源电极16及漏电极18的金属接触通过采用阴罩式真空沉积工艺或通过溅射和后续的光刻或剥离来在衬底14上沉积和图形化。适合用作源电极16和漏电极18的金属是金(Au)。此外，另外的金属接触还在衬底14上沉积和图形化以用于相邻器件，例如相邻驱动晶体管36的源电极32和漏电极34。
应用O2等离子体刻蚀来清洗金属接触，并且如果有需要，自组装单分子层或其它表面处理也用于金属接触，以此提高结晶度、降低接触电阻、修复表面特性以及改善需要处的粘接度。
接着，在衬底14的整个区域上涂覆有机半导体材料20。适合的有机半导体材料20包括聚噻吩、含胺的低聚物和聚合物、以及例如并五苯的水溶性聚并苯。适合的涂覆技术包括刮涂、旋涂、喷涂和合面满涂(flood printing)。取决于所采用的材料和配方，可能还需要对有机半导体材料20进行热处理。
然后，在有机半导体材料20的整个区域上涂覆电介质22。适合的电介质材料22包括氟化聚合物、PVP和BCB。适合的涂覆技术包括刮涂、旋涂、喷涂和合面满涂。取决于所采用的材料和配方，可能还需要对电介质22进行热处理。
采用阴罩式真空沉积工艺或通过溅射和后续的光刻或剥离来在电介质22上沉积和图形化栅电极24。可选的，栅电极24由纳米颗粒悬浮液沉积技术或其它溶液沉积技术来印刷。适合用作栅电极24的金属是金、铝和银。
然后，将器件堆叠放置于等离子体刻蚀腔中，并且对有机半导体材料层20和电介质层22进行刻蚀38适当的时间直至它们被完全去除。本领域技术人员将可明白的是，等离子体刻蚀气体成分、功率和工艺时间取决于电介质22和有机半导体材料20的成分及厚度。适合的等离子体刻蚀气体包括O2、CF4和这些气体的混合。接着，互连层40在层被刻蚀38的地方上沉积和图形化。互连层40可通过阴罩式真空沉积工艺(vacuum deposition process through a shadowmask)或通过溅射和后续的光刻或剥离来沉积。
参照图3，根据本发明第三实施例的相邻的晶体管和电容器的示意图包括衬底14，该衬底14承载如图1所示的根据本发明第一实施例的被刻蚀和堆叠的顶栅有机半导体晶体管10。衬底14还承载第一金属接触50以形成电容器52的第一终端。第一金属接触50可在将源电极16和漏电极18沉积于衬底14上的阶段沉积于衬底14上。
另外的电介质层22A涂覆在堆叠的顶栅有机半导体晶体管26和金属接触50的整个区域上。接着，第二金属接触54在另外的电介质层22A上沉积，从而形成电容器52的第二终端。然后，器件堆叠被放置于等离子体刻蚀腔中，并且去除该另外的电介质层22A，从而提供隔离的顶栅有机半导体晶体管26和电容器52。
参照图4和5，它们是比较等离子体刻蚀前和刻蚀后的晶体管性能的图表。采用前文所述的制造方法来制造和测试顶栅有机半导体晶体管并且采用供应商默克(Merck)的有机半导体材料S1120、氟化电介质D139以及应用于电介质以提高栅电极金属和电介质粘接度的粘接材料M010。栅电极金属包括铝并通过热蒸发来沉积。器件堆叠经受30分钟的550W下的O2等离子体刻蚀以及另外10分钟的600W下的O2/CF4等离子体刻蚀，之后，检查显示所有暴露的电介质和有机半导体材料都已去除。
原始测量(65天前)：
3×10分钟550W O2和1×10分钟600W CF4/O2等离子体处理之后：
Figure BPA00001230121900091
在等离子体刻蚀之前测量的晶体管的性能(图4)与等离子体刻蚀之后测量的晶体管的性能(图5)在上面的表格中比较。数据表明经过等离子体刻蚀之后，性能总体上没有降低。在空气中经过65天的存放以及经过所有等离子体处理之后还具有某些提高。通过去除没有被栅电极保护的有机半导体材料和电介质，降低了的漏电并显著提高了开-关比。
毫无疑问，本领域技术人员可以采纳其他有效的替换例。可以理解的是，本发明并非仅限于所描述的实施例，而对本领域技术人员来说，在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下，本发明还包括显而易见的变形例。

Claims (12)

1.一种制造顶栅有机半导体晶体管的方法，包括以下步骤：
提供衬底；在该衬底之上沉积源电极和漏电极；在该源电极和漏电极之间的沟道中以及所述源电极和漏电极的至少一部分之上沉积有机半导体材料；在该有机半导体材料之上沉积电介质材料；在所述电介质材料和所述沟道中的所述有机半导体材料之上沉积栅电极；去除所述电介质材料和所述有机半导体材料的一部分，其中在所述去除步骤期间，所述栅电极用作屏蔽底下的有机半导体材料和电介质材料的掩模。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述去除步骤包括使所述晶体管经历刻蚀工艺。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述刻蚀工艺包括使所述晶体管经历等离子体刻蚀。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述等离子体刻蚀包括02或CF4等离子体刻蚀。
5.如前述选择性一个权利要求所述的方法，其中该沉积电介质材料的步骤包括旋涂该电介质材料。
6.如前述选择性一个权利要求所述的方法，其中该沉积有机半导体材料的步骤包括旋涂该有机半导体材料。
7.如前述选择性一个权利要求所述的方法，其中所述有机半导体材料是聚合物。
8.如前述选择性一个权利要求所述的方法，其中包括在去除步骤之后暴露所述漏电极的一部分。
9.如权利要求8所述的方法，包括在暴露的漏电极上沉积导电线路，并且将该导电线路与另外的器件互连。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述另外的器件是有机发光二极管或另外的晶体管。
11.如前述选择性一个权利要求所述的方法，其中在去除步骤之后暴露所述衬底的一部分。
12.一种实质上如上文所描述和/或参照附图的方法。
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