CN103403903B - 场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种场效应晶体管，包括栅极、源极以及漏极；位于该源极与该漏极之间的半导体层；以及位于该栅极与该半导体层之间的栅极绝缘体。该栅极绝缘体包括了邻接该半导体层的第一层；和第二层。该第一层是由非晶相氟聚合物形成，具有第一介电常数和第一厚度。该第二层具有第二介电常数和第二厚度。该第一介电常数小于3，该第一厚度小于200nm，该第二介电常数高于5，并且该第二厚度小于500nm。

Description

场效应晶体管及其制造方法
政府许可权声明
诸位发明人得到根据协议号DMR-0120967的国家科学基金会(National ScienceFoundation)的STC计划的部分资金支持以及合同鉴定号N00014-04-1-0120的海军研究局(Office of Naval Research)的部分资金支持。联邦政府在本发明中具有某些许可权。
背景技术
1.发明领域
本发明涉及一种场效应晶体管、其制造方法以及一种包括多个这类晶体管的电路。
2.相关技术说明
近若干年来，由于基于有机和混合过渡金属氧化物半导体通道的场效应晶体管(FET)可能潜在地引起能够以极低成本在大面积、和在柔性或自由形式衬底上制造的低端消费型电子应用，因此对这类场效应晶体管进行大规模地研究。
用于实现这些技术的两个关键方面涉及：1)FET的环境和电稳定性；和2)FET的低电压操作。当处于长时间的栅极偏压应力下，装置退化最常见的标志表现为阈值电压偏移。在偏压应力下，可能出现的其他变化是亚阈值斜率增加、场效应迁移率降低、关态电流增加和/或后续测量之间的滞后。
新兴的FET技术(如基于有机或过渡金属氧化物半导体的那些FET技术)存在电不稳定性问题，但由于这些FET技术可以在更低温度下并且可能 以更低成本加工，因此提供了优于基于Si的技术的一些优点。在文献中，已采用几种途径来改进FET的稳定性，并且这些途径可以概述如下：1)栅极介电质/半导体界面的钝化2)栅极介电材料的变化；3)在高温下退火；4)源极和漏极金属电极的变化。在用作栅极介电质的多种多样材料中，氟聚合物(如CYTOP)已示出了与有机半导体产生具有极低陷阱(trap)密度的界面的可能性。阿维西亚有限公司(Avecia Ltd)名下的WO 03/052841(这一文献通过引用以其全文结合于此)披露了一种制造这类有机场效应晶体管的方法，其中CYTOP已与一种或多种其他绝缘层组合使用。然而，聚合物典型地具有一个极低介电常数。后者结合避免大量漏电流所要求的一个大厚度导致了低电容密度。另一方面，通过使用无机高-k介电材料可以实现具有高电容量的栅极介电质。然而，这些具有一种多层介电质的已知装置在偏压应力测试中的性能通常不被许多应用接受。
D.K.黄(D.K.Hwang)等人，“具有高环境和操作稳定性的顶栅极式有机场效应晶体管(Top-Gate Organic Field-Effect Transistors with High Environmental andOperational Stability)”，先进材料(Adv.Mater.)23，1293-1298(2011)；D.K.黄等人，“柔性和稳定的溶液加工的有机场效应晶体管(Flexible and stable solution-processedorganic field-effect transistors)”，有机电子学(Organic Electronics)，12，1108(2011)；以及D.K.黄等人，“具有聚合物/氧化物双层式栅极介电质的并五苯薄膜晶体管的滞后机制(Hysteresis mechanisms of pentacene thin-film transistors withpolymer/oxide bilayer gate dielectrics)”，应用物理通讯(Appl.Phys.Lett.)92，013304(2008)通过引用以其全文结合于此。
发明概述
本发明的目的是提供一种具有高电稳定性的同时可以在低电压下操作的FET。更具体地说，本发明的目的是提供一种在连续偏压应力下具有改进的性能的FET。
根据本发明的一个实施例，提供了一种包括栅极、源极以及漏极的场效应晶体管。半导体层在所述源极与所述漏极之间延伸，并且在该栅极与该半导体层之间提供了栅极绝缘体。该栅极绝缘体包括第一层和第二层。该第一层具有第一介电常数和第一厚度，并且沿界面接触该半导体层。该界面包括多个陷阱，这些陷阱在连续偏压应力下随时间对在该漏极与该源极之间的电流引起第一效应。该第二层具有第二介电常数和第二厚度，并且该第二介电常数高于该第一介电常数。安排该第二层，使得在连续偏压应力下所述第二介电常数随时间增加，在连续偏压应力下随时间对在该漏极与该源极之间的电流引起第二效应。该第一厚度和该第二厚度以及该第一介电常数和该第二介电常数使得所述第一效应至少部分补偿所述第二效应。
施加一个连续偏压应力意思是施加对应于FET的正常操作的一个漏极电压和栅极电压持续一段长时间(例如一小时)。例如对于典型的直流偏压应力测试，漏极和栅极电压可能相等并且高于该FET的阈值电压几个伏特。
根据本发明的一个实施例，在连续偏压应力下随时间作用于在该漏极与该源极之间的电流上的所述第一效应在于随时间而增加该电流，而在连续偏压应力下随时间作用于在该漏极与该源极之间的电流上的所述第二效应在于减少这一电流。该第一厚度和该第二厚度以及该第一介电常数和该第二介电常数使该随时间增加至少部分补偿该随时间减少。那样，在连续偏压应力下在该漏极与该源极之间的电流随时间的变化保持在一个有限范围内。优选地，当施加一个连续偏压持续1小时的时候，所述变化小于初始电流的百分之三。
根据本发明的一个实施例，在持续1小时的连续偏压应力(其中相对于源极电压的漏极和栅极电压高于该阈值电压至少0.5V，即|VG|，|VD|＞|Vth|+0.5V)下，该漏极与该源极之间的电流的变化小于5％，优选地小于3％。更优选地，持续2小时，这一变化小于5％，优选地小于3％。
根据本发明的一个实施例，该第一厚度和该第二厚度以及该第一介电常数和该第二介电常数使得在一小时的直流偏压测试(其中相对于源极电压的漏极和栅极电压高于阈值电压至少0.5V，即|VG|，|VD|＞|Vth|+0.5V)结束时，归一化到初始电流的在该源极与该漏极之间的电流的变化是每小时少于0.03，优选地每小时少于0.015。
根据本发明的一个优选实施例，该第二层包括偶极子，这些偶极子在连续偏压应力下引起该第二介电常数随时间增加。那样，通过将这些偶极子引入该第二层中，可以影响该第二效应以获得该第一效应和该第二效应的最佳补偿。在另一个实施例中，这些偶极子产生极化作用的改变，这一极化作用的改变补偿了由在该半导体层与该第一层之间的界面处的陷捕(trapping)作用产生的阈值电压偏移。第二层可以例如是一个有机层，在该有机层中已引入偶极分子。
根据一个优选实施例，选择该第二介电层，使得当该装置更长时间暴露于直流电偏压下时，该第二介电层改变其极化率，使得该极化率的改变补偿了由在该半导体层与该第一层之间的界面处的陷捕作用产生的阈值电压变化。
应当指出的是，本发明的场效应晶体管可以是一种顶栅极式晶体管或一种底栅极式晶体管。另外，该晶体管可以是一种n-通道晶体管、p-通道晶体管或双极性晶体管。
根据另一个实施例，该场效应晶体管包括栅极、源极、漏极、位于所述 源极与所述漏极之间的半导体层以及位于所述栅极与所述半导体层之间的栅极绝缘体。该栅极绝缘体包括了邻接所述半导体层的第一层；和第二层。该具有第一厚度的第一层是由具有第一介电常数的非晶相氟聚合物形成。该第二层具有第二介电常数和第二厚度。该第一介电常数小于3，并且该第一厚度小于200nm。该第二介电常数高于5，并且该第二厚度小于500nm。在一个优选实施例中，该第二厚度小于300nm。在另一个实施例中，该第二厚度小于50nm。
根据一个优选实施例，该第一层是由具有高于80摄氏度的玻璃化转变温度的一种非晶相氟聚合物形成。根据一个优选实施例，该第二层是由一种无机材料形成。在这类栅极绝缘体的情况下，通过将一个氟聚合物层与具有一个更高-k的一个无机介电层组合，可以实现高电容密度和低漏电流。此外，在氟聚合物与半导体层之间的界面明显减少了界面陷阱密度，从而降低了这一界面处的极性相互作用。这一作用典型地引起可忽略不计的滞后作用。在顶栅极式几何结构中，这类双层典型地还充当障壁涂层，该障壁涂层可以明显减少氧气和湿气扩散进入半导体层，因此改进了总体FET稳定性。因此，由这一多层式栅极绝缘体提供的组合特性可以应用于多种半导体材料。此外，当这些FET经受极端条件(如氧等离子体、和浸渍在水或常见有机溶剂(如丙酮)中)时，这一多层式栅极结构充当一个有效保护层。由此将允许使用光刻法工艺来对金属栅极进行图案化。
根据一个实施例，该第一层是由具有下式的氟化的1，3-间二氧杂环戊烯与四氟乙烯(TFE)的共聚物形成：
该共聚物的一个实例是4，5-二氟-2，2-双(三氟甲基)-1，3-间二氧杂环戊烯(PDD)与四氟乙烯(TFE)的共聚物，如TEFLON AF，其中X：F；Y、Z：CF3；以及例如TEFLON AF 1600(65摩尔％PDD，Tg为160℃，电容率为1.93)或AF2400(87摩尔％PDD，Tg为240℃，电容率为1.90)。另一个实例是2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-间二氧杂环戊烯(TTD)与四氟乙烯(TFE)的一种共聚物，例如HYFLON AD，其中X：OCF3；Y、Z：F；以及如HYFLON AD40(TDD为40摩尔％，Tg为95℃)或AD60(TDD为60摩尔％，Tg为125℃)。
根据另一个实施例，该第一层是由全氟呋喃(PFF)与四氟乙烯(TFE)的交替共聚物形成；或由全氟(4-乙烯氧基)-1-烯烃的均聚物或共聚物形成，这些物质如下式中所示：
或具有以下结构的一种PFF衍生物：
可以在CYTOP类别中发现这一类型的适合的可商购的材料。一个实例是由朝日玻璃股份有限公司(Asahi Glass Corporation，Co.Ltd)供应的CYTOP级CTL-809M。
根据一个优选实施例，该第二层的无机材料包括以下材料中的任一项或其组合：Al2O3、SiNx、TiO2、HfO2、Ta2O5、SiO2、Y2O3、ZrO2、或任何其他适合的材料。一种尤其优选的材料是Al2O3。根据另一个实施例，该第二层是由有机材料制造，并且该有机材料是例如以下材料中的任一项：包含具有可定向和/或可诱导偶极子并且具有电荷分布的聚合物基质的聚合物、或包含用具有永久性偶极子的分子掺杂的聚合物基质的聚合物。这类永久性或可诱导偶极子的存在将由于在该第二层上的变化的电场而引起该第二层的介电常数在连续偏压应力下随时间而变化。因此，通过适当选择具有偶极子行为的材料用于该第二层，可以达成上述第二效应。
根据一个优选实施例，该第二层是通过以下技术中的任一项沉积：原子层沉积(ALD)、电子束沉积、RF-溅射、化学气相沉积(CVD或PECVD)、脉冲-层沉积(PLD)、旋涂、印刷、层压、刀片刮抹或任何其他已知适合的方法。一种尤其优选的技术是原子层沉积(ALD)。Al2O3具有一个高的相对介电常数，并且ALD使得沉积一个极薄的Al2O3层成为可能。那样，可以获得具有足够高的电容密度的允许低电压操作的装置。
根据一个优选实施例，该第一层的厚度小于200nm，优选地小于100nm，并且更优选地小于50nm。根据一个优选实施例，该第二层的厚度小于500nm，优选地小于100nm，并且更优选地小于50nm。典型地，优选具有 小的厚度，但要保证在连续偏压应力下具有足够低的漏电流和改进的稳定性。更具体地说，厚度的选择典型地将取决于该第一厚度与该第二厚度和该第一介电常数与该第二介电常数之间的相互影响，以及取决于在连续偏压应力下在该第一层与半导体层之间的界面处产生的随时间变化的阈值电压偏移。
根据一个优选实施例，该栅极绝缘体是由该第一层与该第二层组成的一个双层。
根据一个优选实施例，该栅极绝缘体进一步包括了位于该第二层与该栅极之间的一个第三层。在一个底栅极式FET中，这一第三层典型地将沉积在半导体层的顶部上，从而保护该半导体层免于接触空气。该第三层可以进一步改进障壁性质。该第三层可以由任何障壁涂层材料(如非晶相氟聚合物)形成，该障壁涂层材料充当供下方无机介电层用的一个钝化层。该第三层的厚度优选地小于100nm，更优选地小于50nm，并且最优选地小于25nm。对于极特定应用，有可能使用超过三层，但通常优选限制该栅极绝缘体的厚度。
根据一个优选实施例，该半导体层是有机半导体层，其中该第一层的材料可溶于正交溶剂中。在顶栅极式几何结构的情况下，位于氟聚合物与常用有机半导体层之间的溶剂正交性使得在有机通道层的顶部上旋涂成为可能。根据一个优选实施例，该半导体层是选自以下材料中的任一项的有机半导体层：并五苯层、三异丙基硅烷基乙炔基(TIPS)-并五苯于聚三芳基胺(PTAA)中的共混物、或5，11-双(三乙基硅烷基乙炔基)双噻吩蒽(diF-TESADT)于PTAA中的共混物。根据另一个实施例，该半导体层是无机半导体层，如过渡金属氧化物。
根据一个优选实施例，该第二相对介电常数高于5，优选地高于7。
本发明进一步涉及一种包括多个根据以上披露的实施例中任何一项的场效应晶体管的电路，例如用于显示器的背板电路、反相电路、环形振荡器、逻辑栅等。
本发明的另一个实施例提供了一种制造顶栅极式场效应晶体管的方法，包括提供源极、漏极、栅极、位于该源极与该漏极之间的半导体层、以及位于所述栅极与所述半导体层之间的栅极绝缘体。该栅极绝缘体的提供包括沉积对具有第一介电常数和第一厚度的第一层。该第一层与该半导体层界定了一个界面。该第一层的沉积和该半导体层的提供使得该界面包括多个陷阱，这些陷阱在连续偏压应力下随时间对该漏极源极电流引起第一效应。栅极绝缘体的提供还包括沉积具有第二介电常数和一个第二厚度的第二层，所述第二介电常数高于所述第一介电常数，并且所述第二介电常数在连续偏压应力下随时间增加，在连续偏压应力下随时间对该漏极源极电流引起第二效应。以一种方式选择该第一厚度和该第二厚度以及所述第一介电常数和所述第二介电常数，该方式使得该第一效应至少部分补偿该第二效应。
根据该方法的一个优选实施例，将该源极和该漏极在玻璃衬底上图案化，并且在所述玻璃衬底上沉积半导体层来包埋该源极和该漏极。
根据该方法的一个优选实施例，该栅极绝缘体在衬底的顶部上提供，并且该半导体层在该栅极绝缘体的顶部上沉积。
根据该方法的一个优选实施例，该第一层是通过使用与一种非晶相氟聚合物组合的含氟溶剂旋涂来沉积的。
根据该方法的一个优选实施例，该第二层是通过原子层沉积(ALD)而沉积的。
根据该方法的一个优选实施例，该栅极绝缘体的提供进一步包括在所述第二层的顶部上沉积一种非晶相氟聚合物的第三层。
在另一个实施例中，提供了一种包括至少一种电子传输半导体和至少一种聚合物基质的组合物。在一个实施例中，该电子传输有机半导体具有约1,000或更小的分子量。在一个实施例中，该聚合物是一种空穴传输材料。在一个实施例中，该聚合物包括芳基胺。在一个实施例中，该聚合物是任选被取代的聚苯乙烯，如聚(α-甲基苯乙烯)。聚合物的量可以是例如10重量％到90重量％，并且半导体的量可以是例如10重量％到90重量％。
附图简要说明
图1A和图1B分别是根据本发明的一个第一实施例的一个顶栅极式场效应晶体管(FET)和一个底栅极式FET的示意性截面图。
图2是根据本发明的一个第二实施例的一个FET的一个示意性截面图。
图3展示了在根据本发明的一种FET的实施例中在连续偏压应力下影响漏极电流的第一、第二以及第三效应；
图4A示出了具有CYTOP/Al2O3介电质的场效应晶体管的一个截面图；图4B示出了使用玻璃衬底的具有CYTOP/Al2O3双层(40nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于TIPS-并五苯与聚(三芳基胺)(PTAA)共混物通道的OFET的一个截面图；图4C示出了使用塑料衬底的具有CYTOP/Al2O3双层的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET的一个截面图；图4D示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET的一个截面图；图4E示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于diF-TESADT与PTAA共混物通道的OFET的一个截面图；图4F示出了具有CYTOP/Al2O3/CYTOP三层(20nm CYTOP；50nm Al2O3；20nm CYTOP)的基于TIPS-并五苯与聚PTAA共混物通道的OFET的一个截面图；图4G示出了基于并五苯与InGaZnO的反 相器的一个截面图；并且图4H示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nmCYTOP；50nm Al2O3)和蒸发的Ag源极/漏极电极的基于PolyeraActivInk N2200的OFET的一个截面图。
图5展示了在图4A的OFET中对于三种不同的CYTOP层厚度来说在连续偏压应力下漏极电流IDS相对于初始漏极电流IDS0的比率与时间的关系。
图6A和图6B展示了CYTOP层厚度tCYTOP对CYTOP层上的电压VCYTOP的影响，以及Al2O3介电常数kAl2O3对Al2O3层上的电压VAl2O3的影响。
图7A和图7B分别示出了Al2O3膜(100nm)、CYTOP膜(780nm)、以及CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的电容密度-电场(C-E)和电流密度-电场(J-E)特征。
图8A和图8B分别示出了针对使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质的OFET(W/L＝2550μm/180μm)测量的传递和输出特征。
图9A示出了概述多组OFET所经受的不同环境暴露和电应力条件的表格；图9B和图9C分别示出了针对具有Al2O3膜(100nm)、CYTOP膜(780nm)、以及CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的OFET的迁移率和阈值电压Vth随时间的变化；并且图9D示出了针对具有CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的OFET的迁移率和阈值电压Vth的变化。
图10A和图10B示出了在空气暴露之前和之后，在从“关态”到“开态”区域的多次连续扫描过程中在CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)OFET中测量的传递曲线的一个取样。
图11A、图11B以及图11C分别示出了在空气暴露之前、在空气暴露持续31天之后以及在空气暴露持续31天并且O2等离子体暴露持续5分钟之后，在不同OFET中测量的归一化到初始值的IDS的时间演变；图11D示出了 对于图4A的装置在直流偏压应力之前和之后的传递和输出特征；并且图11E示出了在不同条件下在具有CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的OFET中测量的经过24小时电偏压应力的IDS的时间演变。
图12A和图12B分别示出了具有CYTOP/Al2O3双层的非晶相InGaZnOFET在多次传递特征扫描之后和在持续18小时的一个恒定直流偏压应力之后的传递和输出特征。
图13A-图13B示出了使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质和塑料(PES)衬底的OFET(W/L＝2550μm/180μm)在氮气的气氛下从原始装置测量的传递和输出特征。
图14A示出了在直流偏压应力过程中在使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质和塑料(PES)衬底的OFET(W/L＝2550μm/180μm)中测量的归一化到初始值的IDS的时间演变。图14B和图14C示出了塑料衬底OFET在经受直流偏压应力之后的传递和输出特征。
图15A和图15B示出了使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质和塑料(PES)衬底的OFET(W/L＝2550μm/180μm)在最初、在空气中4个月之后以及在弯折持续30分钟(拉伸应力)之后的传递和输出特征。图15C示出了用于弯折塑料衬底OFET的弯折器具。图15D示出了具有塑料衬底OFET的电阻负载反相器在最初、在2小时的直流偏压应力之后、在空气中4个月之后以及在弯折持续30分钟(拉伸应力)之后的电压传递特征。
图16A-图16C示出了O2和H2O对OFET的传递特征中的阈值电压偏移的影响(图16A和图16B)以及在恒定直流偏压应力下漏极电流的变化(图16C)。
图17展示了一个暴露顺序，该暴露顺序示出了用于暴露多组OFET以测定它们的环境稳定性的条件。
图18A-图18C示出了针对图17的暴露顺序的每一阶段的电容Cin(nF/cm2)、迁移率μ(cm2/Vs)、以及阈值电压Vth(V)。
图19A和图19B示出了在图17的暴露顺序的每一阶段下，对于CYTOP/Al2O3双层OFET(45nm CYTOP；50nm Al2O3)(图19A)和CYTOP/Al2O3/CYTOP三层OFET(20nm CYTOP；50nmAl2O3；20nmCYTOP)(图19B)在从20Hz到1百万赫兹的频率范围内的电容变化。
图20A和图20B示出了在图17的暴露顺序的每一阶段之后，针对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET在直流偏压过程中的IDS的传递特征和时间演变。
图21A和图21B示出了在图17的暴露顺序的每一阶段之后，针对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于diF-TESADT与PTAA共混物通道的OFET在直流偏压过程中的IDS的传递特征和时间演变。。
图22A和图22B示出了在图17的暴露顺序的每一阶段之后，针对具有CYTOP/Al2O3/CYTOP三层(20nm CYTOP；50nm Al2O3；20nm CYTOP)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET在直流偏压过程中的IDS的传递特征和时间演变。
图23A-图23D示出了具有不同氟聚合物双层的电容器的电容和电流密度-电场(J-E)特征。
图24A和图24B示出了针对CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24C和图24D示出了针对Hyflon(45nm)/Al2O3(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24E和图24F示出了针对Teflon(45nm)/Al2O3(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24G和图24H示出了针对CYTOP(20nm)/Al2O3(50nm)/CYTOP(20 nm)三层OFET的传递特征和输出特征。图24I和图24J示出了针对CYTOP(45nm)/SiNx(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24K和图24L示出了针对Hyflon(45nm)/SiNx(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24M和图24N示出了针对Teflon(45nm)/SiNx(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24O和图24P示出了针对CYTOP(20nm)/SiNx(50nm)/CYTOP(20nm)三层OFET的传递特征和输出特征。
图25A和图25B示出了针对图4G的并五苯与InGaZnO FET在500次连续扫描之后漏极电流IDS与栅极电压VGS之间的关系。图25C示出了经过60分钟在直流偏压应力下，在并五苯与InGaZnO FET中测量的归一化到初始值的IDS的时间演变。
图26A和图26B示出了图4G的并五苯FET在不同应力条件之后的传递特征和输出特征。
图27A和图27B示出了图4G的InGaZnO FET在不同应力条件之后的传递特征和输出特征。
图28A和图28B示出了图4G的反相器在不同应力条件之后的电压传递特征和静态增益。
图29A和图29B示出了如实例12中所论述具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和蒸发的Au源极/漏极电极的基于Polyera ActivInk N2200的OFET的传递特征和输出特征。
图30A和图30B示出了如实例13中所论述具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和蒸发的Ag源极/漏极电极的基于Polyera ActivInk N2200的OFET的传递特征和输出特征。
图31A和图31B示出了如实例14中所论述具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和印刷的Ag源极/漏极电极的基于Polyera ActivInk N2200的OFET的传递特征和输出特征。
图32A和图32B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-002a的OFET在n-模式操作下的传递特征和输出特征。
图33A和图33B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-002a的OFET在p-模式操作下的传递特征和输出特征。
图34A和图34B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Al底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-085g的OFET的传递特征和输出特征。
图35A和图35B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Ag底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-085g：PαMS的OFET在n-模式操作下的传递特征和输出特征。
图36A和图36B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Ag底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-085g：PαMS的OFET在p-模式操作下的传递特征和输出特征。
图37A和图37B示出了对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-119a的OFET进行的一项环境暴露研究的结果。
图38A和图38B示出了对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-119a/PαMS共混物的OFET进行的一项环境暴露研究的结果。
图39A和图39B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)基于DRR-IV-209n的OFET的传递特征和输出特征。
优选实施例的详细描述
图1A展示了根据本发明的顶栅极式场效应晶体管(FET)的一个第一实施例。所展示的FET实施例包括一个衬底101、一个半导体层102、包埋在半导体层中或与半导体层接触的一个源极和一个漏极109、在半导体层102顶部上的一个栅极绝缘体103、104、以及在栅极绝缘体顶部上的一个栅极110。栅极绝缘体包括由一种第一材料(例如一种非晶相氟聚合物)形成的一个第一层103和由一种第二介电材料(典型地是一种高-k介电质)形成的一个第二层104。源极和漏极电极109典型地在衬底101上图案化，并且半导体材料层102在源极和漏极电极109上沉积。应当指出的是，顶栅极结构可以与源极和漏极109接触栅极绝缘层103的地方错开(如图1A中所展示)或共平面。顶栅极金属电极110典型地在第二层104上图案化。图1B展示对于一个底栅极式FET的一个类似实施例，该底栅极式FET具有一个衬底101′、一个栅极110′、一个双层栅极介电质103′、104′、一个半导体层102′以及一个漏极和源极109′。
第一层103、103′的厚度优选地小于200nm，更优选地小于100nm，并且最优选地小于50nm。另外，优选地，第二层104、104′的厚度小于500nm，更优选地小于100nm，并且最优选地小于50nm。
一种非晶相氟聚合物/高-k氧化物双层的使用组合了非晶相氟聚合物的良好化学性质与高-k氧化物的高膜品质和大电容密度。另外，对于顶栅极式几何结构，与一种单层非晶相氟聚合物相比，这一双层栅极介电质还具有更佳的对抗环境暴露的封装特性。
第一层的材料可以例如是以下材料中的任一项：氟化的1，3-间二氧杂环戊烯与四氟乙烯(TFE)的一种共聚物，如4，5-二氟-2，2-双(三氟甲基)-1，3-间 二氧杂环戊烯(PDD)与四氟乙烯(TFE)的一种共聚物或2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-间二氧杂环戊烯(TTD)与四氟乙烯(TFE)的一种共聚物；全氟呋喃(PFF)与四氟乙烯(TFE)的一种共聚物；全氟(4-乙烯氧基)-1-烯烃的一种均聚物或共聚物。第一层可以例如由具有氟聚合物与一种或多种含氟溶剂的一种配制品通过以下印刷或涂布技术中的任一项来沉积：旋涂、刀片刮抹、线棒涂布、喷涂或浸涂、喷墨印刷、凹版印刷、柔版印刷或任何其他已知适合的方法。
第二层的介电材料优选是一种高-k无机介电质，并且可以例如是以下材料中的任一项：Al2O3、SiNx、TiO2、HfO2、Ta2O5、SiO2、Y2O3、ZrO2、任何其他适合的材料。可替代地，第二层可以由一种有机材料形成，并且该有机材料是例如以下材料中的任一项：包含可定向和/或可诱导偶极子的聚合物或用具有永久化偶极子的分子掺杂的一种聚合物基质。第二层可以例如通过以下技术中的任一项沉积：原子层沉积(ALD)、电子束沉积、RF-溅射或等离子体增强的化学气相沉积、脉冲激光沉积(PLD)、或任何其他已知适合的技术。根据一个优选实施例，第二层是通过ALD沉积的一个Al2O3层。
半导体层可以是一种有机半导体层或一种无机半导体层。一种有机层的一个实例是一种TIPS-并五苯与聚(三芳基胺)(PTAA)层、并五苯层、红荧烯层、TIPS-并五苯与PCBMC60层。这类层可以例如通过旋涂或任何适合的印刷或涂布技术、通过物理气相沉积、通过有机气相沉积或任何其他已知的真空沉积方法来涂覆。一种无机层的一个实例是一种过渡金属氧化物，例如InGaZnO、ZnO、InZnO、GaZnO、In2O3或任何其他已知适合的半导体(包括非晶硅和多晶硅)。
衬底101典型地是一种刚性或柔性衬底，如刚性玻璃、柔性玻璃、Si晶片、PET、PES、PEN、聚酰亚胺、金属箔衬底。
这类栅极介电质打算在一个连续直流偏压下提供极化率的变化，这一变化补偿了由在半导体层102、102′处或在位于半导体层与第一层103、103′之间的界面处的陷捕作用所产生的阈值电压的变化，从而改进了电稳定性。这一作用展示于图3中。影响具有一种双层介电质的FET中的漏极源极电流的不稳定机制尤其如下：
·在位于半导体层与第一层之间的界面处的界面(浅或深)陷阱；.
·在位于栅极电极与栅极介电质之间的界面处的栅极电荷注入；
·偶极子极化或在第二层中移动的可移动杂质；
·在半导体层内的大量陷阱。
界面陷阱(第一效应)、栅极电荷注入(第二效应)、以及偶极子极化(第三效应)对在连续偏压应力下漏极源极电流与时间的关系起着重要作用，参见图3。第一效应引起电流减少，而第二效应和第三效应引起电流增加。根据本发明的一个实施例，选择第一层的厚度t1和第二层的厚度t2以及第一介电常数k1和第二介电常数k2，使得那些效应至少部分彼此补偿，参见图3中以实线绘示的电流曲线。
图2展示了根据本发明的FET的一个第二实施例，该第二实施例与第一实施例类似(元件101-104、109、110对应于元件201-204、209、210)，其中存在差异，这一差异在于在第二层上方加入了一个第三层205。第三层205优选地由一种非晶相氟聚合物形成。该第三层形成供下方无机介电层204用的钝化层，该钝化层可以引起更佳的长期稳定性。第三层205的厚度优选地小于100nm，更优选地小于50nm，并且最优选地小于25nm。这一厚度可以进一步优化，从而进一步改进以上描述的补偿效应。然而应当指出的是，通常优选保持栅极绝缘体尽可能地薄，并且图1A中所展示的双层式栅极绝缘体的稳定性将典型地提供足够的稳定性。
实例1：使用玻璃衬底的具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(40nm CYTOP；50nmAl 2 O 3 )的基于 TIPS-并五苯与聚(三芳基胺)(PTAA)共混物通道的OFET
在玻璃衬底(Corning1737)上制造具有一种底触点和顶栅极结构的多个OFET。聚-4-乙烯基苯酚(PVP)缓冲层由2重量％的PVP(Mw约为20,000)和聚(三聚氰胺-共-甲醛)(作为交联剂)于丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)中的溶液制备，这些溶液在一个填充N2的手套箱中以3000rpm旋涂40秒来沉积并且随后在一个热板上在175℃下交联1小时。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。通过在一个填充N2的干燥箱中浸渍在10mmol PFBT于乙醇中的溶液中15分钟，用纯乙醇冲洗并且干燥，而在这些Au电极上形成自组装的五氟苯硫酚(PFBT)单层。如下制备TIPS-并五苯与PTAA共混物溶液：将TIPS-并五苯和PTAA单独溶解于无水1，2，3，4-四氢萘(99％，西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich))中以达到30mg/mL的浓度，并且将这两个单独的溶液混合以获得1∶1的重量比。TIPS-并五苯与PTAA共混物有效层通过以500rpm旋涂10秒并且以2000rpm旋涂20秒来沉积。然后，在一个填充N2的干燥箱中，使样品在室温下干燥5分钟，并且在40℃下退火16小时，并且在100℃下退火15分钟。使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司(Asahi Glass)，浓度为9重量％。为了沉积这些40nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些40nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积。将这些CYTOP(40nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司(Cambridge Nanotech Inc)的一个Savannah 100 ALD系统在 CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。所得OFET描绘于图4B中。
实例2：基于并五苯通道的OFET
顶栅极式并五苯OFET被制造成具有并有一种底源极/漏极电极的几何结构。在室温下通过一个荫罩用电子束(e-beam)在一个玻璃衬底上沉积Au(80nm)底触点源极/漏极电极。然后，在室温下通过一个荫罩用热蒸发沉积并五苯有效层(50nm)。使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)层作为一个顶栅极的介电质。这些CYTOP(40nm)层是通过以3000rpm旋转流延60秒来涂布的。使这些CYTOP膜在100℃下退火20分钟。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使Al2O3介电膜生长。然后，用电子束依序沉积Al电极以形成栅极电极。
实例3：基于InGaZnO通道的氧化物FET
顶栅极式非晶相InGaZnO FET被制造成具有并有一种底源极/漏极电极的几何结构。首先，在室温下使用电子束(e-beam)在一个玻璃衬底(Corning 1737)上沉积一个Ti(6nm)/Au(50nm)/Ti(6nm)的三层，并且依序通过光刻法和剥离工艺对该三层进行图案化。然后，通过射频(RF)溅射来沉积40nm厚的a-IGZO(Ga2O3∶In2O3∶ZnO＝1∶1∶2摩尔％)有效层。在a-IGZO层的沉积之后，对装置进行退火。为了界定通道，使用在去离子水中稀释的盐酸(HCl∶H2O＝1∶100)通过湿式蚀刻工艺对a-IGZO层进行图案化。使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露使Al2O3介电膜生长。对于40nm CYTOP层，使用以溶剂稀释的2重量％溶液。这些CYTOP(40nm)层是通过以3000rpm旋转流延60秒来涂布的。使这些CYTOP膜在100℃下退火20分钟。然后，Ti(6nm)和Au(120nm)通过电子束依序沉积，并且通过光刻法图案化，并且进行剥离工艺，从而形成栅极电极。
实例4：具有CYTOP/SiN x 双层的TIPS-并五苯与PTAA OFET
实例4与实例1相同，其中存在差异，这一差异在于在110℃的工艺温度下通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)来沉积SiNx材料而不是使用ALD工艺沉积Al2O3。应指出，在非晶相半导体层的情况下，取决于氟聚合物和半导体层的玻璃化转变温度，还可能在一个更高温度下进行。
实例5：具有Hyflon/Al 2 O 3 双层的TIPS-并五苯与PTAA OFET
实例5与实例1相同，其中存在差异，这一差异在于沉积40nm的Hyflon AD 40X材料层而不是沉积CYTOP。
实例6：具有Teflon/Al 2 O 3 双层的TIPS-并五苯与PTAA OFET
实例6与实例1相同，其中存在差异，这一差异在于沉积40nm的Teflon材料层而不是沉积CYTOP。
虽然上述实例涉及顶栅极式FET，但技术人员将理解底栅极式FET可以按差不多类似的方式制造。
实例7：使用塑料衬底的具有CYTOP/Al 2 O 3 双层的基于TIPS-并五苯与聚(三芳基胺) (PTAA)其混物通道的OFET
在一个柔性聚醚砜(PES)衬底上制造具有一种底触点和顶栅极结构的多个OFET。聚-4-乙烯基苯酚(PVP)缓冲层由2重量％的PVP(Mw约为20,000)和聚(三聚氰胺-共-甲醛)(作为交联剂)于丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)中的溶液制备，这些溶液在一个填充N2的手套箱中以3000rpm旋涂40秒来沉积并且随后在一个热板上在175℃下交联1小时。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。通过在一个填充N2的干 燥箱中浸渍在10mmol PFBT于乙醇中的溶液中15分钟，用纯乙醇冲洗并且干燥，而在这些Au电极上形成自组装的五氟苯硫酚(PFBT)单层。如下制备TIPS-并五苯与PTAA共混物溶液：将TIPS-并五苯和PTAA单独溶解于无水1，2，3，4-四氢萘(99％，西格玛奥德里奇公司)中以达到30mg/mL的浓度，并且将这两个单独的溶液混合以获得1∶1的重量比。TIPS-并五苯与PTAA共混物有效层通过以500rpm旋涂10秒并且以2000rpm旋涂20秒来沉积。然后，在一个填充N2的干燥箱中，使样品在100℃下退火15分钟。使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些40nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些40nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。将这些CYTOP(40nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。所得OFET描绘于图4C中。
实例8：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nm CYTOP；50nm Al 2 O 3 )的基于TIPS-并五苯与聚 (三芳基胺)(PTAA)共混物通道的OFET
在玻璃衬底(科宁公司(Corning)，Eagle2000)上制造具有一种底触点和顶栅极结构的多个OFET。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。通过在一个填充N2的干燥箱中浸渍在10mmol PFBT于乙醇中的溶液中15分钟，用纯乙醇冲洗并且干燥，而在这些Au电极上形成自组装的五氟苯硫酚(PFBT)单层。如下制备TIPS-并五苯与PTAA共混物 溶液：将TIPS-并五苯和PTAA单独溶解于无水1，2，3，4-四氢萘(99％，西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich))中以达到30mg/mL的浓度，并且将这两个单独的溶液混合以获得1∶1的重量比。TIPS-并五苯与PTAA共混物有效层通过以500rpm旋涂10秒并且以2000rpm旋涂20秒来沉积。然后，在一个填充N2的干燥箱中，使样品在100℃下退火15分钟。使用CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些45nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些45nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。将这些CYTOP(45nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。所得OFET描绘于图4D中。
实例9：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nmCYTOP；50nm Al 2 O 3 )的基于diF-TESADT与聚(三 芳基胺)(PTAA)共混物通道的OFET
实例9与实例8相同，除了使用2，8-二氟-5，11-双(三乙基硅烷基乙炔基)双噻吩蒽(diF-TESADT)而不是TIPS-并五苯。diF-TESADT的结构展示如下：
所得OFET描绘于图4E中。
实例10：具有CYTOP/Al 2 O 3 /CYTOP三层(20nm CYTOP；50nm Al 2 O 3 ；20nm CYTOP)的基 于TIPS-并五苯与聚(三芳基胺)(PTAA)共混物通道的OFET
在玻璃衬底(科宁公司，Eagle2000)上制造具有一种底触点和顶栅极结构的多个OFET。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。通过在一个填充N2的干燥箱中浸渍在10mmol PFBT于乙醇中的溶液中15分钟，用纯乙醇冲洗并且干燥，而在这些Au电极上形成自组装的五氟苯硫酚(PFBT)单层。如下制备TIPS-并五苯与PTAA共混物溶液：将TIPS-并五苯和PTAA单独溶解于无水1，2，3，4-四氢萘(99％，西格玛奥德里奇公司(SigmaAldrich))中以达到30mg/mL的浓度，并且将这两个单独的溶液混合以获得1∶1的重量比。TIPS-并五苯与PTAA共混物有效层通过以500rpm旋涂10秒并且以2000rpm旋涂20秒来沉积。然后，在一个填充N2的干燥箱中，使样品在100℃下退火15分钟。使用CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些20nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶7的溶液∶溶剂比。这些20nm厚的CYTOP第一层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。将这些CYTOP(20nm)膜在100℃下退火20分钟。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50 nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。在Al2O3第二层的顶部上沉积20nm厚的CYTOP第三层。将这些CYTOP(20nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。所得OFET描绘于图4F中。
实例11：基于并五苯与InGaZnO的FET和反相器
有机-无机混合式互补反相器被制造成具有一个顶栅极和底触点源极和漏极电极的几何结构。首先，在室温下使用电子束(e-beam)通过一个荫罩在一个玻璃衬底上沉积Ti/Au(6nm/50nm)电极，从而界定源极和漏极电极。在这些源极/漏极电极的顶部上制造具有不同长宽比的水平分布的不重叠的并五苯(空穴传输)和a-IGZO(电子传输)通道。在O2/Ar(2％/98％)气氛中，在3mTorr工作压力下在室温下，通过一个荫罩使用125W功率通过射频-溅射来沉积一个30nm厚的a-IGZO(Ga2O3∶In2O3∶ZnO＝1∶1∶1摩尔％)有效层。使这些结构在300℃下在空气中退火30分钟。然后，在一个25℃的衬底温度和一个2×10-8托(Torr)的初始压力的情况下，通过一个荫罩使用热蒸发沉积一个50nm厚的并五苯层。在热蒸发之前，使用梯度区域升华来纯化并五苯。使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些45nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些45nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。使这些CYTOP(45nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O 蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(50nm)栅极电极。所得反相器描绘于图4G中。
实例12：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nmCYTOP；50nm Al 2 O 3 )和蒸发的Au源极/漏极电 极的基于PolyeraActivInk N2200的OFET
在玻璃衬底(科宁公司，Eagle2000)上制造具有一种底触点和顶栅极结构的多个OFET。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。喷墨印刷半导体配制品是基于NDI聚合物聚{[N，N9-双(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-双(二甲酰亚胺)-2，6-二基]-交替-5，59-(2，29-联噻吩)}，(P(NDI2OD-T2)，Polyera ActivInk N2200。如下制备P(NDI2OD-T2)墨水：使NDI聚合物溶解于具有1∶1体积比的无水1，2，3，4-四氯萘(99％，西格玛奥德里奇公司)与均三甲苯(99％，西格玛奥德里奇公司)的混合物中以达到0.5％的活性材料浓度。在环境中将配制品搅拌过夜。Polyera ActivInk N2200的结构展示如下：
使用Dimatix DMP 2831喷墨印刷系统对半导体层进行图案化。在室温下在空气中印刷约150nm厚的活性材料层。使用CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些45nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些45nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。使这些CYTOP(45 nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(100nm)栅极电极。所得OEFT描绘于图4H中。
实例13：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nm CYTOP；50nm Al 2 O 3 )和蒸发的Ag源极/漏极电 极的基于PolyeraActivInkN2200的OFET
实例13与实例12相同，除了在底触点源极/漏极电极中使用Ag而不是Au。
实例14：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nm CYTOP；50nm Al 2 O 3 )和印刷的Ag源极/漏极电 极的基于PolyeraActivInkN2200的OFET
实例14与实例14相同，除了用一种Dimatix DMP 2831喷墨印刷机对Ag底触点源极/漏极电极进行图案化。
实例15：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nm CYTOP；50nm Al 2 O 3 )的基于LEH-III-002a的 OFET
在玻璃衬底(科宁公司，Eagle2000)上制造具有底触点和顶栅极结构的多个OFET。通过一个荫罩用热蒸发沉积Au(50nm)、Al(50nm)、以及Ag(50nm)底触点源极/漏极电极。用由二氯苯制备的30mg/ml溶液以500rpm旋涂10秒接着以2000rpm旋涂20秒来沉积LEH-III-002a(LEH-III085g，LEH-119a)的有机半导体薄膜。LEH-III-002a(LEH-III-085g、LEH-III-119a)示于下式中：
聚合物基质与聚(α-甲基苯乙烯)(PαMS)(Mw100,000)的共混物是通过将LEH-III-119a(LEH-III-085g)和PαMS的各别30mg/ml溶液混合而制备的。聚(α-甲基苯乙烯)(PαMS)(Mw100,000)示于下式中：
以500rpm旋涂10秒接着以2000rpm旋涂20秒来沉积这些共混物膜。使这些单一膜和共混物膜在100℃下退火15分钟。使用CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些45nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些45nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。使这些CYTOP(45nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。
实例16：具有CYTOP/Al 2 O 3 双层(45nm CYTOP；50nm Al 2 O 3 )的基于DRR-IV-209n的 OFET
在玻璃衬底(科宁公司，Eagle2000)上制造具有底触点和顶栅极结构的多个OFET。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。用由1，4-二噁烷(20mg/mL)和二氯苯(20mg/mL)制备的一种溶液以500rpm旋涂10秒并且以2,000rpm旋涂20秒而在衬底上形成DRR-IV-209n的有机半导体层。DRR-IV-209n展示于下式中：
然后，在一个填充N2的干燥箱中，使这些样品在100℃(1，4-二噁烷样品)和120℃(二氯苯样品)下退火10分钟。使用CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)层作为顶栅极的介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。为了沉积这些45nm厚的CYTOP层，将原溶液用其溶剂(CT-solv.180)稀释以具有1∶3.5的溶液∶溶剂比。这些45nm厚的CYTOP层是通过以3000rpm旋转流延60秒来沉积的。使这些CYTOP(45nm)膜在100℃下退火20分钟。所有旋涂和退火工艺都在一个填充N2的干燥箱中进行。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在CYTOP层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。
具有不同CYTOP层/Al 2 O 3 层厚度的多个OFET的比较性研究
为了说明本发明的实施例的优点，已对图4A的OFET结构进行以下研 究。对具有不同CYTOP层/Al2O3层厚度的五个OFET进行比较：
·CYTOP(25nm)/Al2O3(50nm)；
·CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)；
·CYTOP(530nm)/Al2O3(50nm)；
·Al2O3(100nm)层作为栅极介电质；
·CYTOP(780nm)层作为栅极介电质。
在所有研究的OFET中，衬底301是一个被聚-4-乙烯基苯酚(PVP)涂布的玻璃衬底，并且半导体材料302是被旋涂在该衬底上的一种TIPS-并五苯与PTAA共混物。在沉积之后，使TIPS-并五苯与PTAA的共混的膜退火，从而诱导垂直相分离。分别使用金(50nm)和铝(150nm)作为底触点源极/漏极电极和顶栅极电极。在沉积半导体层之前，用自组装的五氟苯硫酚(PFBT)单层处理这些金电极的表面，从而改进金属与有机界面之间的接触。
图5针对三种不同CYTOP层厚度比较了在连续偏压应力(针对tCYTOP＝25nm、40nm、530nm，分别为VG＝VD＝-6V、-8V、-25V)下在图4A的OFET中漏极-源极电流IDS相对于初始漏极电流IDS0的比率与时间的关系。那些测量值示出了通过选择一个适当的CYTOP层厚度，可以影响在连续偏压应力下漏极电流与时间关系的演变。在这一实例中，40nm的CYTOP层厚度提供了最佳结果。应注意，这一CYTOP层厚度的最佳值将受到Al2O3层的厚度和介电常数的影响。通过考虑下式以及图6A和图6B，可以更好地理解这一结果。
每一层内的电场：
每一层内的有效电压：
其中Ei和Vi分别是指具有一个厚度ti和介电常数ki的一个层i中的电场 和有效电压，其中栅极介电质由层i和具有一个厚度tj和介电常数kj的一个层j组成。
这些方程式展示于图6A中。如图6B中所示，对于更小的CYTOP层厚度值来说，对CYTOP层上电压变化与Al2O3层的介电常数变化之间的关系的影响更大。这类斜率是必需的，以便获得以上描述的补偿效应。对于厚的CYTOP层，例如图6B中的500nm曲线，该曲线几乎是平坦的，这指示不会达到补偿作用(其中假设其他介电常数保持相同)。
图7A和图7B分别展示了Al2O3膜(100nm)、CYTOP膜(780nm)、以及CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的电容密度-电场(C-E)和电流密度-电场(J-E)特征。使用涂布金(100nm)/介电质/氧化铟锡(ITO)的玻璃的一种平行板电容器几何结构来表征所有膜的介电性质，这些玻璃具有在从3.1×10-4cm2到2.4×10-1cm2范围内的不同面积。在1kHz的频率下，所测量的Al2O3和CYTOP膜的电容密度(Cin)分别是78.6nF/cm2和2.3nF/cm2。这些提取的介电常数(k)值对于Al2O3是8.9并且对于CYTOP是2.0。在1kHz的频率下，CYTOP/Al2O3双层展示了34.8nF/cm2的Cin，该值接近从CYTOP与Al2O3的串联连接的电容器估算的理论值(34.6nF/cm2)。如图7B中所示，在幅值最多3MV/cm的施加电场下，Al2O3和CYTOP/Al2O3膜的漏电流密度保持低于3×10-7A/cm2。相比之下，在1.2MV/cm的施加电场下，780nm厚的CYTOP膜的漏电流达到2×10-7A/cm2的值。
图8A-图8B展示了在氮气的气氛下从原始装置测量的使用一个CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质的OFET(W/L＝2550μm/180μm)的传递和输出特征。由于双层栅极介电质的Cin相对更高，故这些OFET展示无滞后，并且在8V的低电压下达到μ的最大值＝0.6cm2/Vs。在这些双层装置中 测量了以下各项的平均值：迁移率μ＝0.46cm2/Vs±0.08cm2/Vs，阈值电压Vth＝-2.4V±0.1V，I开/I关＝105，亚阈值斜率SS＝0.20伏/十年±0.06伏/十年，以及最大界面陷阱密度是5×1011cm-2。与使用CYTOP单层的OFET相比，使用双层的OFET由于具有高Cin而在低操作电压下示出了类似的μ值，但示出了更小的Vth值和SS值以及更高的I开/I关值。
图9A示出了概述每一组OFET所经受以研究其长期环境和操作稳定性的不同环境暴露和电应力条件的表格。为了研究这些OFET的环境稳定性，使所有OFET都暴露于相对湿度在30％与50％之间的正常环境条件。在不连续间隔时间下，监测μ和Vth的变化。在每一间隔时间下，将每个衬底传送回到填充N2的手套箱中以进行电测量和操作稳定性测试。
图9B示出了在不同类型的OFET中，在暴露于空气最多31天之后，未观察到μ有明显变化。如将所示，TIPS-并五苯的良好空气稳定性也促进了这些OFET的环境稳定性。在具有Al2O3栅极介电质的OFET中，观察到μ的平均值从5.5(±2.0)×10-3cm2/V逐渐升高到1.1(±0.4)×10-2cm2/Vs。在其他OFET中，在前十一天内初步升高后，μ保持不变，其中针对具有CYTOP栅极介电质的OFET的平均值是0.60cm2/Vs±0.20cm2/Vs，并且针对具有CYTOP/Al2O3栅极介电质的OFET的平均值是0.52cm2/Vs±0.09cm2/Vs。另一方面，具有不同栅极介电质的装置的Vth的变化示于图9C中。在空气中31天之后，在具有Al2O3栅极介电质的OFET中，从来自关-到-开方案的VGS的扫描所测量的Vth的平均值是从-2.4V±0.3V到-2.8V±0.3V不等。尽管这似乎是很小的变化，但在这些装置中观察到强烈的滞后以及Vth的幅值和符号在装置与装置之间的大幅变化。相比之下，在空气中11天之后，在具有CYTOP栅极介电质的无滞后的OFET中观察到Vth从-24.3V±0.8V到-4.0V±0.7V的大幅正向偏移。在这一初期变化之后，观察到Vth中无重大偏移， 在空气中31天之后达到-3.7V±0.3V的值。在具有CYTOP/Al2O3双层的无滞后的OFET中观察到类似变化，但幅度更小。在空气中31天之后，只测量到Vth从-2.5V±0.1V到-1.4V±0.1V的微小偏移。如在具有CYTOP栅极介电质的装置中，这些变化大多数发生在前11天内。
图9D示出了针对具有CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的OFET的迁移率和阈值电压Vth的变化。
为了研究我们顶栅极介电质的封装特性，进行Ca薄膜光透射测试。已发现用CYTOP单层保护的Ca膜在暴露于空气一小时内快速氧化，而用CYTOP/Al2O3双层或Al2O3单层保护的Ca膜只在暴露于空气超过一天之后才开始退化。从这些实验可知，由于CYTOP的疏水性，故预期CYTOP是针对H2O扩散的一个保护性障壁，因此O2扩散应该是造成Ca层退化的原因。与使用单层栅极介电质的OFET相比，使用双层栅极介电质的OFET示出了优异的环境稳定性。
在空气中31天之后，通过使顶栅极OFET在750W功率下暴露于O2等离子体5分钟(由于O2等离子体的已知可从表面去除有机残余物和其他污染物的高反应性，故这是一种比空气暴露更严苛的条件)，而进一步测试这些顶栅极OFET中所用的介电质的封装特性。图9B和图9C示出了在O2等离子体处理之后，对于所有三种类型的OFET，都未观察到μ或Vth有重大变化。在不同OFET的电特征中观察到的一个明显变化是这些具有一个单一CYTOP层的OFET中的I关急剧升高。另一方面，Al2O3充当针对活泼O2等离子体的一个保护层，因此在具有Al2O3和CYTOP/Al2O3栅极介电质的装置中未观察到I开/I关比有明显变化。如图9A中所述，在O2等离子体处理之后，测试具有一个CYTOP/Al2O3双层的OFET在累积的空气暴露最多210天(7个月)之后的电性质。图9B和图9C示出了μ和Vth的平均值实际上保持不变。
除了环境稳定性，操作稳定性对于电路设计和装置总体寿命来说具有关键性的意义。在连续操作下的退化机制与在一个OFET中的所有关键界面处以及在半导体和栅极介电质主体中的电荷陷捕和释放事件有关。OFET在操作过程中的性能退化会反映在μ和Vth的变化中。由于陷阱动态取决于流经通道的载流子密度，故当晶体管以更高功率操作时，预期到退化更严重。其他机制(如流动杂质的扩散作用或栅极介电质的极化作用)也可以促使性能退化。出于这些原因，按以下两种方式评估所有OFET的操作稳定性：1)利用传递特征的多次连续扫描和2)通过施加一个恒定的直流(DC)偏压应力，由于流经通道的电流密度更高所造成的更严重的情况。
图10A和图10B示出了在空气暴露31天之前(图10A)和之后(图10B)，在从“关态”到“开态”区域的多次连续扫描过程中在CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)OFET中测量的传递曲线的一个取样。如图10A的插图中所示，具有CYTOP/Al2O3栅极介电质的OFET在暴露于空气之前，在前1000次扫描过程中在这些OFET中观察到可忽略不计的传递特征变化。为了进一步测试这些装置在其暴露于空气之前的操作稳定性，使这两者经受额外的20,000次扫描。图10A示出了即使在这类条件下，在两个种类的OFET的传递特征中也观察到可忽略不计的变化。如图10B中所示，甚至在暴露于空气中31天之后，在多次连续扫描下仍保留操作稳定性。这一卓越的稳定性是CYTOP/TIPS-并五苯界面的极佳电性质的结果。
如图9A中所示，在使这些OFET暴露于空气之前和在1000次扫描之后，使不同类型OFET的装置1经受3600秒(1小时)的直流偏压应力。图11A示出了在所有OFET中测量的归一化到初始值的IDS的时间演变。在具有Al2O3栅极介电质的OFET中，测量到经归一化的IDS的下降，在1小时后达到0.77的最终值。在相同的间隔时间过程中，在一个CYTOP装置中测量的电流下降到0.9。然而，CYTOP/Al2O3双层的演变的不同在于电流稍微提高，在1小时后达到1.04的值。图11B展示了在暴露于空气31天之后，针对1小时偏压应力在所有OFET中测量的经归一化的IDS的演变(装置2)。在具有双层栅极介电质的OFET中，驱使IDS稍微提高的机制与在其他OFET中观察到的机制明显不同。此外，通过监测经过24小时电偏压应力的电流变化来测试这些具有双层栅极介电质的OFET在O2等离子体处理之后的操作稳定性。图11C示出了经归一化的IDS的变化保持低于其初始值的4％。如图11D中所示，这一卓越的稳定性引起的该传递和输出特征在直流偏压应力之前和之后的变化可忽略不计。应当指出的是，如之前所发现，IDS示出了在直流偏压应力的最初阶段过程中稍微增加，但在长期应力之后会缓慢减少。图11E示出了经过24小时的电偏压应力，针对以下情况在具有CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)膜的OFET中测量的IDS的时间演变：原始OFET(装置1)、在暴露于空气中31天之后(装置2)、在O2等离子体处理之后(装置3)、在空气暴露90天之后(装置4)、在空气暴露150天之后(装置5)、在空气暴露210天之后(装置6)、以及在空气暴露365天之后(装置7)。如可以看出，在直流偏压下IDS的变化小于±10％。
这些具有双层的OFET在电偏压下的卓越稳定性由以下补偿效应产生：1)由CYTOP/TIPS-并五苯界面处固有的深陷阱引起的IDS的减少和2)由CYTOP/Al2O3界面处可以定向的偶极子和/或由在栅极介电质处的电荷注入和陷捕作用引起的IDS的增加。
对具有CYTOP/Al 2 O 3 双层介电质的OFET的系统稳定性研究
为了说明本发明的实施例的优点，已对具有CYTOP/Al2O3双层介电质的OFET进行以下研究。对于O2和H2O暴露对p-通道OFET的作用进行研究。
O2和H2O暴露对这类OFET的传递特征的一般化作用描绘于图16A和 图16B中。图16A示出了O2具有掺杂作用和氧化作用两者，掺杂作用倾向于使传递特征曲线向右偏移，并且氧化作用倾向于使传递特征曲线向左偏移。图16B示出了H2O增强介电质极化(该作用倾向于使传递特征曲线向右偏移)，而且具有产生陷阱的作用(该作用倾向于使传递特征曲线向左偏移)。
在直流偏压应力过程中O2和H2O暴露对IDS的时间演变的一般化作用示于图16C中。图16C示出了在直流偏压应力过程中O2暴露对IDS几乎无作用。然而，在直流偏压应力过程中H2O暴露引起IDS随时间减少。
为了测试这些作用的程度，测试了三种不同的OFET。第一种是具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET，如图4D中所示。第二种是具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于diF-TESADT和PTAA共混物通道的OFET，如图4E中所示。第三种是具有CYTOP/Al2O3/CYTOP三层(20nmCYTOP；50nmAl2O3；20nm CYTOP)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET，如图4F中所示。使这些OFET经受图17中所示的暴露顺序。
图18A-图18C示出了针对暴露顺序的每一阶段的电容Cin(nF/cm2)、迁移率μ(cm2/Vs)、以及阈值电压Vth(V)。这些结果指示了O2和H2O对于CYTOP/Al2O3双层和CYTOP/Al2O3/CYTOP三层OFET的作用是可逆的。
图19A和图19B示出了在暴露顺序的每一阶段下，对于CYTOP/Al2O3双层OFET(45nmCYTOP；50nm Al2O3)(图19A)和CYTOP/Al2O3/CYTOP三层OFET(20nm CYTOP；50nm Al2O3；20nmCYTOP)(图19B)在从20Hz到1百万赫兹的频率范围内的电容变化。
图20A和图20B示出了针对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET在直流偏压过 程中的IDS的传递特征和时间演变。在OFET的测试过程中获得的数据被概述于下表中。
平均9个装置 Cin(nF/cm2) W/L μ(cm2/Vs) Vth(V)
原始 35.2±0.3 2550μm/180μm 0.57±0.11 -3.4±0.2
干燥O2 35.2±0.3 2550μm/180μm 0.69±0.14 -2.7±0.3
真空 35.0±0.3 2550μm/180μm 0.61±0.12 -3.4±0.2
潮湿空气 37.5±0.3 2550μm/180μm 0.61±0.12 -2.6±0.2
真空 34.4±0.1 2550μm/180μm 0.64±0.14 -3.4±0.3
H2O(水) 35.7±0.3 2550μm/180μm 0.65±0.15 -2.4±0.2
真空 34.5±0.3 2550μm/180μm 0.66±0.14 -3.3±0.3
图21A和图21B示出了针对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)的基于diF-TESADT与PTAA共混物通道的OFET在直流偏压过程中的IDS的传递特征和时间演变。在OFET的测试过程中获得的数据被概述于下表中。
平均7个装置 Cin(nF/cm2) W/L μ(cm2/Vs) Vth(V)
原始 35.2±0.3 2550μm/180μm 1.21±0.51 -3.1±0.2
干燥O2 35.2±0.3 2550μm/180μm 1.25±0.51 -2.5±0.2
真空 35.0±0.3 2550μm/180μm 1.21±0.51 -3.0±0.1
潮湿空气 37.5±0.3 2550μm/180μm 1.14±0.50 -2.5±0.3
真空 34.4±0.1 2550μm/180μm 1.19±0.51 -3.0±0.2
H2O(水) 35.7±0.3 2550μm/180μm 1.19±0.50 -2.4±0.3
真空 34.5±0.3 2550μm/180μm 1.18±0.50 -2.9±0.3
图22A和图22B示出了针对具有一个CYTOP/Al2O3/CYTOP三层(20nm CYTOP；50nmAl2O3；20nm CYTOP)的基于TIPS-并五苯与PTAA共混物通道的OFET在直流偏压过程中的IDS的传递特征和时间演变。在OFET的测试过程中获得的数据被概述于下表中。
平均7个装置 Cin(nF/cm2) W/L μ(cm2/Vs) Vth（V)
原始 35.2±0.3 2550μm/180μm 1.21±0.51 -3.1±0.2
干燥O2 35.2±0.3 2550μm/180μm 1.25±0.51 -2.5±0.2
真空 35.0±0.3 2550μm/180μm 1.21±0.51 -3.0±0.1
潮湿空气 37.5±0.3 2550μm/180μm 1.14±0.50 -2.5±0.3
真空 34.4±0.1 2550μm/180μm 1.19±0.51 -3.0±0.2
H2O(水) 35.7±0.3 2550μm/180μm 1.19±0.50 -2.4±0.3
真空 34.5±0.3 2550μm/180μm 1.18±0.50 -2.9±0.3
对不同氟聚合物(CYTOP、Hyflon、以及Teflon)/无机物(Al 2 O 3 和SiN x )双层的比较 研究
为了说明本发明的实施例的优点，已对具有氟聚合物双层的电容器和OFET进行了以下研究。对具有不同氟聚合物双层的八种电容器和八种OFET进行比较。
·CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)；
·Hyflon(45nm)/Al2O3(50nm)；
·Teflon(45nm)/Al2O3(50nm)；
·CYTOP(20nm)/Al2O3(50nm)/CYTOP(20nm)；
·CYTOP(45nm)/SiNx(50nm)；
·Hyflon(45nm)/SiNx(50nm)；
·Teflon(45nm)/SiNx(50nm)；
·CYTOP(20nm)/SiNx(50nm)/CYTOP(20nm)。
为了制备这些电容器，通过一个荫罩用热蒸发在玻璃衬底(Corning 1737)上沉积Au(50nm)底部电极。使用不同的氟聚合物(CYTOP、Hyflon、以及Teflon)/无机物(Al2O3和SiNx)双层和CYTOP/无机物(Al2O3和SiNx)/CYTOP三层作为介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。Hyflon溶液(AD 40X)是从苏威公司 (Solvay)得到，该Hyflon溶液的浓度是约6.6重量％。具有6重量％浓度的Teflon溶液(601S2-100-6)是购自杜邦公司(DuPont)。为了沉积这些45nm厚的氟聚合物层，将原溶液用其溶剂(对于CYTOP是CT-solv.180，对于Hyflon是LS165，以及对于Teflon是FC-40)稀释以具有以下溶液∶溶剂比：对于CYTOP是1∶3.5，对于Hyflon是1∶2，以及对于Teflon是1∶3。对于20nm CYTOP层，溶液∶溶剂比是1∶7。通过以3000rpm(对于CYTOP)和以4000rpm(对于Hyflon和Teflon)旋涂60秒来沉积这些氟聚合物层。在沉积之后，使这些氟聚合物层在100℃下退火20分钟。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100 ALD系统在氟聚合物层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率使膜生长。在110℃下通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)在氟聚合物层上沉积SiNx膜(50nm)。对于三层介电质，在Al2O3和SiNx膜上沉积CYTOP膜(20nm)，并且在100℃下退火20分钟。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)顶部电极。
图23A-图23D示出了所测试的电容器的电容和电流密度-电场(J-E)特征。所测试的电容器的介电性质的概述包含在下表中。
为了制备这些OFET，在玻璃衬底(科宁公司，Eagle2000)上制造一种底触点和顶栅极结构。通过一个荫罩用热蒸发来沉积Au(50nm)底触点源极/漏极电极。通过在一个填充N2的干燥箱中浸渍在10mmol PFBT于乙醇中的溶液中15分钟，用纯乙醇冲洗并且干燥，而在这些Au电极上形成自组装的五氟苯硫酚(PFBT)单层。如下制备TIPS-并五苯与PTAA共混物溶液：将TIPS-并五苯和PTAA单独溶解于无水1，2，3，4-四氢萘(99％，西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich))中以达到30mg/mL的浓度，并且将这两个单独的溶液混合以获得1∶1的重量比。TIPS-并五苯与PTAA共混物有效层通过以500rpm旋涂10秒并且以2000rpm旋涂20秒来沉积。然后，在一个填充N2的干燥箱中，使这些样品在100℃下退火15分钟。使用不同的氟聚合物(CYTOP、Hyflon、以及Teflon)/无机物(Al2O3和SiNx)双层和CYTOP/无机物(Al2O3和SiNx)/CYTOP三层作为介电质。CYTOP溶液(CTL-809M)是购自朝日玻璃公司，浓度为9重量％。Hyflon溶液(AD 40X)是从苏威公司得到，该Hyflon溶液的浓度是约6.6重量％。具有6重量％浓度的Teflon溶液(601S2-100-6)是购自杜邦公司。为了沉积45nm厚的氟聚合物层，将原溶液用其溶剂(对于CYTOP是CT-solv.180，对于Hyflon是 LS165，以及对于Teflon是FC-40)稀释以具有以下溶液∶溶剂比：对于CYTOP是1∶3.5，对于Hyflon是1∶2，以及对于Teflon是1∶3。对于20nmCYTOP层，溶液∶溶剂比是1∶7。通过以3000rpm(对于CYTOP)和以4000rpm(对于Hyflon、Teflon)旋涂60秒来沉积这些氟聚合物层。在沉积之后，使这些氟聚合物层在100℃下退火20分钟。然后，使用来自剑桥纳米科技公司的一个Savannah 100ALD系统在氟聚合物层的顶部上沉积这些Al2O3介电膜(50nm)。在110℃下，使用三甲基铝[Al(CH3)3]和H2O蒸气的交替暴露以每次循环约0.1nm的沉积速率制造膜。在110℃下通过等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)在氟聚合物层上沉积SiNx膜(50nm)。对于三层介电质，在Al2O3和SiNx膜的顶部上沉积CYTOP膜(20nm)，并且在100℃下退火20分钟。最后，通过一个荫罩用热蒸发来沉积Al(150nm)栅极电极。
图24A和图24B示出了针对CYTOP(45nm)/Al2O3(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24C和图24D示出了针对Hyflon(45nm)/Al2O3(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24E和图24F示出了针对Teflon(45nm)/Al2O3(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24G和图24H示出了针对CYTOP(20nm)/Al2O3(50nm)/CYTOP(20nm)三层OFET的传递特征和输出特征。图24I和图24J示出了针对CYTOP(45nm)/SiNx(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24K和图24L示出了针对Hyflon(45nm)/SiNx(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24M和图24N示出了针对Teflon(45nm)/SiNx(50nm)双层OFET的传递特征和输出特征。图24O和图24P示出了针对CYTOP(20nm)/SiNx(50nm)/CYTOP(20nm)三层OFET的传递特征和输出特征。
所测试的OFET的性能的概述包含在下表中。
应当指出的是，氟聚合物/SiNx双层OFET的场效应迁移率值比氟聚合物/Al2O3双层OFET的场效应迁移率值低10-100倍。
用其他实施例得到的结果
图12A和图12B示出了具有CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)双层的 非晶相InGaZnO FET在多次传递特征扫描最多1,000个循环之后和在一个恒定直流偏压应力(VGS＝VDS＝7V)持续18小时之后的传递和输出特征。在连续多次扫描下或在一个恒定直流偏压应力下，该氧化物FET展示迁移率没有退化，但阈值电压稍有变化。
图13A-图13B示出了如实例7中所论述的使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质和塑料(PES)衬底的OFET(W/L＝2550μm/180μm)在氮气的气氛下从原始装置测量的传递和输出特征。这些OFET展示无滞后，并且在8V的低电压下达到μ的最大值＝0.34cm2/Vs在这些双层装置中测量到了以下各项的平均值：迁移率μ＝0.24cm2/Vs±0.08cm2/Vs，阈值电压Vth＝-1.3V±0.1V，I开/I关＝104。使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质和塑料(PES)衬底的OFET(W/L＝2550μm/180μm)经受了3600秒(1小时)的直流偏压应力。图14A示出了在OFET中测量的归一化到初始值的IDS的时间演变。如通过对图11A与图14A进行比较可以看出，塑料衬底OFET中的CYTOP/Al2O3双层的演变与玻璃衬底装置的演变类似。图14B和图14C示出了塑料衬底OFET在经受直流偏压应力之后的传递和输出特征。图15A和图15B示出了使用CYTOP(40nm)/Al2O3(50nm)栅极介电质和塑料(PES)衬底的OFET(W/L＝2550μm/180μm)在最初、在空气中4个月之后以及在弯折持续30分钟(拉伸应力)之后的传递和输出特征。图15C示出了用于弯折塑料衬底OFET的弯折器具。图15D示出了塑料衬底OFET在最初、在2小时的直流偏压应力之后、在空气中4个月之后以及在弯折持续30分钟(拉伸应力)之后的电压传递特征(使用一个电阻负载反相器测定)。
图25A和图25B示出了针对实例11中所论述的并五苯与InGaZnO FET的漏极电流IDS与栅极电压VGS之间的关系。图25C示出了经过60分钟在直 流偏压应力下，在多个并五苯与InGaZnO FET中测量的归一化到初始值的IDS的时间演变。图26A和图26B示出了实例11中所论述的并五苯FET的传递特征和输出特征。图27A和图27B示出了实例11中所论述的InGaZnOFET的传递特征和输出特征。图28A和图28B示出了图4G的反相器的电压传递特征和静态增益。
图29A和图29B示出了如实例12中所论述具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和蒸发的Au源极/漏极电极的基于Polyera ActivInk N2200的OFET的传递特征和输出特征。图30A和图30B示出了如实例13中所论述具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和蒸发的Ag源极/漏极电极的基于Polyera ActivInk N2200的OFET的传递特征和输出特征。图31A和图31B示出了如实例14中所论述具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和印刷的Ag源极/漏极电极的基于Polyera ActivInk N2200的OFET的传递特征和输出特征。印刷的所测试的印刷的OFET的性能的概述包含在下表中。
图32A和图32B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-002a的OFET在n-通道操作下的传递特征和输出特征。
图33A和图33B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-002a的OFET在p-通道操作下的传递特征和输出特征。
图34A和图34B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Al底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-085g的OFET的传递特征和输出特征。
图35A和图35B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Ag底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-085g：PαMS的OFET在n-通道操作下的传递特征和输出特征。
图36A和图36B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)和Ag底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-085g：PαMS的OFET在p-通道操作下的传递特征和输出特征。
图37A和图37B示出了对具有一个CYTOP/Al2O3双层(45nmCYTOP；50nm Al2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-119a的OFET进行的一项环境暴露研究的结果。图37A示出了这一OFET在最初、在5天之后、在17天之后、以及在退火之后的传递特征。图37B示出了这一OFET在最初、在5天之后、以及在17天之后的迁移率和阈值电压。
图38A和图38B示出了对具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nm Al2O3)和Au底触点源极/漏极电极的基于LEH-III-119a：PαMS的OFET进行的一项环境暴露研究的结果。图38A示出了这一OFET在最初、在5天之后、在17天之后、以及在退火之后的传递特征。图38B示出了这一OFET在最初、在5天之后、以及在17天之后的迁移率和阈值电压。
图39A和图39B示出了具有CYTOP/Al2O3双层(45nm CYTOP；50nmAl2O3)的基于DRR-IV-209n的OFET的传递特征和输出特征。
基于LEH-III-002a、LEH-III-085g、LEH-III-119a、DRR-IV-209n的OFET的性能的概述展示于下表中。
总之，本发明的多层方法开辟出发展用于许多应用的环境上和操作上稳定的OFET的机会。这类应用的实例包括：用于信息显示器和医学成像阵列、互补电路、适应型太阳能电池阵列、射频识别(RFID)标签、以及化学或物理传感器以及许多其他应用的驱动器。在需要恒定的电流供应的应用(如有效矩阵显示器背板)中，偏压应力效应对显示器性能具有一个有害影响。对于这类应用，本发明的实施例将具有实质上优于例如当前非晶硅(a-Si)FET技术(这些技术极易受到偏压应力效应的影响)的优点。本发明的一种特别有吸引力的应用是指用于商业用途的有效矩阵式有机发光二极管(AMOLED)显示器的背板电路。这是因为常规AMOLED显示器需要更多的 晶体管来补偿因驱动晶体管的退化所致的阈值电压和迁移率的变化，从而防止有机发光二极管的不一致性。本发明将允许高集成密度和极佳背板稳定性来操作AMOLED显示器。
虽然以上已结合多个特定实施例阐述本发明的原理，但应清楚理解这一描述只作为举例作出，并且不作为保护范围的限制，该保护范围由所附权利要求书决定。

Claims (18)

1.一种具有操作稳定性的场效应晶体管，包括：
栅极、源极以及漏极；
半导体层，该半导体层位于所述源极与所述漏极之间；以及
栅极绝缘体，该栅极绝缘体位于所述栅极与所述半导体层之间；
其中所述栅极绝缘体包括：
第一层，该第一层在界面处邻接所述半导体层，该第一层含氟聚合物；以及
第二层；该第二层含Al2O3，该第二层通过原子层沉积（ALD）来沉积以提供与其它场效应晶体管相比提高的操作稳定性；
所述第一层具有第一介电常数和第一厚度；
其中在界面处的界面电荷陷阱在连续偏压应力下随时间对在该漏极与该源极之间的电流引起第一效应；
所述第二层具有第二介电常数和第二厚度，所述第二介电常数高于所述第一介电常数，其中第二层的极性变化在连续偏压应力下随时间对在该漏极与该源极之间的该电流引起第二效应；以及
其中选择所述第一厚度和所述第二厚度以及所述第一介电常数和所述第二介电常数使得所述第一效应至少部分补偿所述第二效应，其提供提高的操作稳定性，从而使得在持续1小时的连续偏压应力下，漏极与源极之间的电流的变化小于5%。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中在持续2小时的连续偏压应力下，漏极与源极之间的电流的变化小于5%。
3.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中该第一层是由具有高于80摄氏度的玻璃化转变温度的非晶相氟聚合物形成，该氟聚合物选自4,5-二氟-2,2-双(三氟甲基)-1,3-间二氧杂环戊烯（PDD）与四氟乙烯（TFE）的共聚物或2,2,4-三氟-5-三氟甲氧基-1,3-间二氧杂环戊烯（TTD）与四氟乙烯（TFE）的共聚物。
4.如权利要求3所述的场效应晶体管，其中该第二层由Al2O3组成。
5.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中第一层的厚度低于200nm。
6.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中第二层的厚度低于500nm。
7.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中第一层的厚度低于200nm，并且第二层的厚度低于100nm。
8.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中该第一层是由具有高于80摄氏度的玻璃化转变温度的非晶相氟聚合物形成，该氟聚合物选自氟化1,3-间二氧杂环戊烯与四氟乙烯（TFE）的共聚物、全氟呋喃（PFF）与四氟乙烯（TFE）的共聚物、全氟(4-乙烯氧基)-1-烯烃的均聚物或共聚物、及其组合。
9.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中第二层还包含选自SiNx、TiO2、HfO2、Ta2O5、SiO2、Y2O3、ZrO2和其组合的无机材料。
10.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中在一小时的直流（DC）偏压测试结束时，归一化到初始电流的在该源极与该漏极之间的电流的变化是每小时少于0.03。
11.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中第一层的厚度低于50nm，并且第二层的厚度为50nm或更低。
12.如权利要求1所述的场效应晶体管，其中第一层的厚度低于100nm。
13.一种用于制造具有操作稳定性的场效应晶体管的方法，该方法包括：
提供源极、漏极、栅极、位于该源极与该漏极之间的半导体层、以及位于所述栅极与所述半导体层之间的栅极绝缘体；
其中提供所述栅极绝缘体包括：
沉积包含氟聚合物的第一层，其中该第一层具有第一介电常数和第一厚度，所述第一层与所述半导体层界定了界面；其中所述第一层的该沉积使得在界面处的界面电荷陷阱在连续偏压应力下随时间对该漏极与源极之间的电流引起第一效应；以及
沉积含Al2O3的第二层，其中该第二层通过原子层沉积（ALD）来沉积，该第二层具有第二介电常数和第二厚度，所述第二介电常数高于所述第一介电常数，其中第二层的极性变化在连续偏压应力下随时间对在该漏极与该源极之间的该电流引起第二效应；
其中选择所述第一厚度和所述第二厚度以及所述第一介电常数和所述第二介电常数，使得所述第一效应至少部分补偿所述第二效应从而提供与其它场效应晶体管相比提高的操作稳定性。
14.如权利要求13所述的方法，其中第一层的厚度低于200nm。
15.如权利要求13所述的方法，其中第二层的厚度低于500nm。
16.如权利要求13所述的方法，其中第一层的厚度低于200nm，并且第二层的厚度低于100nm。
17.如权利要求13所述的方法，其中该第二层由Al2O3组成。
18.如权利要求13所述的方法，其中第一层的厚度低于50nm，并且第二层的厚度为50nm或更低。
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