CN102110777A - 一种有机浮栅场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机浮栅场效应晶体管及其制备方法，其特征在于晶体管由衬底，在衬底上面形成的绝缘层I，在绝缘层I上面形成的浮栅，在浮栅上面形成的绝缘层II，在绝缘层II上面形成的半导体有源层，以及在半导体有源层上面形成的源电极和漏电极构成。其制备方法包括：①在硅衬底上生长了一层绝缘层I；②用磁控溅射的方法在绝缘层I上制备低阻硅薄膜作为浮栅；③在浮栅层上用热氧化的方法生长一层绝缘层II；④在绝缘层II上真空热蒸发一层有机半导体薄膜材料形成半导体有源层；⑤在半导体有源层真空热蒸发一层金薄膜层作为器件的电极材料；⑥最后通过光刻电极材料得到源电极和漏电极。该晶体管可有效地控制擦除浮栅的信息能。

Description

一种有机浮栅场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种有机浮栅场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

浮栅场效应晶体管是集成电路存储部分的核心器件，其通常的结构(附图1)是在普通场效应晶体管的绝缘层中增加一层浮栅，以改变器件的阈值电压，实现信息存储作用。目前，硅半导体结构浮栅场效应晶体管多采用大规模集成电路生产工艺，通常在硅片上生长多层薄膜，对薄膜进行光刻、离子注入、刻蚀等操作，得到的浮栅场效应晶体管具有集成度高、可靠性好的优点，但也存在制作复杂、生产成本高，与小规模电路兼容性较差的缺点。与硅半导体浮栅场效应晶体管相比，有机浮栅场效应晶体管采用有机半导体材料作为有源层，其制备可以降低器件成本，简化工艺，结合多种有机半导体材料进行。目前主要的问题是有机浮栅场效应晶体管性能不稳定，特别是电擦除可控性不理想。Wuchenglong(Wuchenglong etal，Journal of Semiconductors Vol.31，No.3，March，2010，034004)等人采用浮栅结构来降低有机晶体管的阈值电压。应用在气体探测器(M.A.Reyes-Barranca，etal，Materiales 21(3)5-9，September 2008)和PH环境测试上的有机浮栅场效应晶体管如英国的S.William等人研究有机器件的记忆功能(S.William，etal，Applied physics letters 95，093309，2009.)与绝缘层电容和电压的关系，但上述的器件结构和实验结果不能很好解决上面提出的问题。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种有机浮栅场效应晶体管及其制备方法。本发明采用的具体技术方案如下：

一种有机浮栅场效应晶体管，其特征在于所述晶体管由衬底，在衬底上面形成的绝缘层I，在绝缘层I上面形成的浮栅，在浮栅上面形成的绝缘层II，在绝缘层II上面形成的半导体有源层，以及在半导体有源层上面形成的源电极和漏电极构成。

所述衬底为多晶硅材料；绝缘层I及绝缘层II为二氧化硅；源电极及漏电极为金薄膜；所述半导体有源层为并五苯或酞菁铜。

所述浮栅层为硅薄膜材料，厚度为15纳米至25纳米。

所述源电极和漏电极采用光刻形成，沟道长度0.035mm，沟道宽度4mm。

一种有机浮栅场效应晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

①、在硅衬底上用热氧化的方法生长了一层二氧化硅薄膜作为绝缘层I；

②、用磁控溅射的方法在二氧化硅薄膜层即绝缘层I上制备低阻硅薄膜作为浮栅；

③、在浮栅层上用热氧化的方法生长一层二氧化硅薄层作为绝缘层II；

④、再在绝缘层II上真空热蒸发一层有机半导体薄膜材料形成半导体有源层；

⑤、再在半导体有源层真空热蒸发一层金薄膜层作为器件的电极材料；

⑥、最后通过光刻电极材料得到源电极和漏电极。

所述绝缘层II的电阻率在10¹⁵Ωcm以上，介电强度在10⁹V/cm以上。

形成所述半导体有源层的有机半导体薄膜材料为P型有机半导体薄膜材料。

所述步骤④中的半导体有源层为并五苯或酞菁铜；步骤⑤中蒸发的金属为金。

步骤⑥中所述源电极和漏电极的沟道长度0.035mm，沟道宽度4mm。

本发明研究一种浮栅结构有机浮栅薄膜晶体管的结构和制作方法，脱离传统的大规模制备工艺流程，仅采用光刻，同时结合传统的蒸发、溅射和热氧化结合的方法，得到器件，只增加一步热氧化工艺，本发明的有机半导体层和浮栅之间间隔的绝缘层厚度仅为十几纳米，可以有效地控制擦除浮栅的信息能，同时，浮栅和控制栅之间的绝缘层的厚度小于100纳米，同样能够有效地使半导体中的电子注入到浮栅，从而有效地控制器件的存储性能。

附图说明

图1是常规的硅浮栅场效应晶体管器件剖面示意图；

图2是本发明有机浮栅场效应晶体管器件剖面示意图；

图3根据本发明的有机浮栅场效应晶体管器件工艺流程图。

图中：1、衬底，2、绝缘层I，3、浮栅，4、绝缘层II，5、半导体有源层，6、源电极，7、漏电极。

具体实施方式

如图2所示该有机浮栅场效应晶体管由衬底1，在衬底1上面形成的绝缘层I 2，在绝缘层I 2上面形成的浮栅3，在浮栅3上面形成的绝缘层II4，在绝缘层II4上面形成的半导体有源层5，以及在半导体有源层5上面形成的源电极6和漏电极7构成。所述衬底1为本征硅材料；绝缘层I 2及绝缘层II4为二氧化硅；源电极6及漏电极7为金薄膜；所述半导体有源层5为并五苯(Pentacene)或酞菁铜(CuPc)。所述浮栅3层为硅薄膜材料，厚度为15纳米至25纳米。所述源电极6和漏电极7采用光刻形成，沟道长度0.035mm，沟道宽度4mm。

如图3所示该有机浮栅场效应晶体管制备方法包括如下步骤：

①、在硅衬底1上用热氧化的方法生长了一层二氧化硅薄膜作为绝缘层I 2；见附图3.(a)

②、用磁控溅射的方法在二氧化硅薄膜层即绝缘层I 2上制备低阻硅薄膜作为浮栅3；图3.(b)

③、在浮栅3层上用热氧化的方法生长一层二氧化硅薄层作为绝缘层II4；见附图3.(c)

④、再在绝缘层II4上真空热蒸发一层有机半导体薄膜材料形成半导体有源层5；

⑤、再在半导体有源层5真空热蒸发一层金薄膜层作为器件的电极材料；

⑥、最后通过光刻电极材料得到源电极6和漏电极7。见附图3.(d)

其中绝缘层II4的电阻率在10¹⁵Ωcm以上，介电强度在10⁹V/cm以上；形成所述半导体有源层5的有机半导体薄膜材料为P型有机半导体薄膜材料。步骤⑤中蒸发的金属为金(Au)。

实施实例

如图3所示，在多晶硅衬底1上用热氧化(干氧氧化法)的方法制备一层二氧化硅绝缘层I 2，条件是：氧化温度为1200摄氏度，干氧氧化时间1小时左右，然后用磁控溅射方法在二氧化硅绝缘层上面制备一层硅薄膜(浮栅3)(溅射条件为溅射功率250W，本底真空度1.5×10^-4Pa，Ar气气压1Pa。)，硅薄膜的厚度为20nm左右。然后用热氧化(干氧)的方法制备一层二氧化硅绝缘层II4，条件是：制备环境1200摄氏度，干氧5分钟，得到的二氧化硅厚度约为十几纳米。然后采用真空热蒸发的方法制备有机半导体材料(形成半导体有源层5)，制备条件：真空度为1.0×10^-4Pa，有机半导体薄膜的沉积速率为2nm/s，得到薄膜的厚度约为40nm。然后用热蒸发的方法在有机半导体薄膜上制备金电极，制备条件是真空度为1.0×10^-4Pa，电极材料的沉积速率为5nm/s，得到薄膜的厚度约为40nm，接着采用光刻工艺，依次为涂胶、曝光、显影、定影、去胶，光刻后得到源电极6和漏电极7，沟道的长度为0.035mm，宽度为4mm。

本发明不限于此实例，一般来说，本专利所公开的有机浮栅薄膜晶体管可以加工成集成器件中的元件，本发明的有机浮栅薄膜晶体管不限于传统的光刻工艺，也可采用模板(mask)、印刷等加工方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有机浮栅场效应晶体管，其特征在于所述晶体管由衬底(1)，在衬底(1)上面形成的绝缘层I(2)，在绝缘层I(2)上面形成的浮栅(3)，在浮栅(3)上面形成的绝缘层II(4)，在绝缘层II(4)上面形成的半导体有源层(5)，以及在半导体有源层(5)上面形成的源电极(6)和漏电极(7)构成。

2.根据权利要求1所述的一种有机浮栅场效应晶体管，其特征在于所述衬底(1)为多晶硅材料；绝缘层I(2)及绝缘层II(4)为二氧化硅；源电极(6)及漏电极(7)为金薄膜；所述半导体有源层(5)为并五苯或酞菁铜。

3.根据权利要求1所述的一种有机浮栅场效应晶体管，其特征在于所述浮栅(3)层为硅薄膜材料，厚度为15纳米至25纳米。

4.根据权利要求1或2所述的一种有机浮栅场效应晶体管，其特征在于所述源电极(6)和漏电极(7)采用光刻形成，沟道长度0.035mm，沟道宽度4mm。

5.一种有机浮栅场效应晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

①、在硅衬底(1)上用热氧化的方法生长了一层二氧化硅薄膜作为绝缘层I(2)；

②、用磁控溅射的方法在二氧化硅薄膜层即绝缘层I(2)上制备低阻硅薄膜作为浮栅(3)；

③、在浮栅(3)层上用热氧化的方法生长一层二氧化硅薄层作为绝缘层II(4)；

④、再在绝缘层II(4)上真空热蒸发一层有机半导体薄膜材料形成半导体有源层(5)；

⑤、再在半导体有源层(5)真空热蒸发一层金薄膜层作为器件的电极材料；

⑥、最后通过光刻电极材料得到源电极(6)和漏电极(7)。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述绝缘层II(4)的电阻率在10¹⁵Ωcm以上，介电强度在10⁹V/cm以上。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于形成所述半导体有源层(5)的有机半导体薄膜材料为P型有机半导体薄膜材料。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述步骤④中的半导体有源层(5)为并五苯或酞菁铜；步骤⑤中蒸发的金属为金。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于步骤⑥中所述源电极(6)和漏电极(7)的沟道长度0.035mm，沟道宽度4mm。

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