CN103650191A

CN103650191A - 包括有构造和形状改进的电极的有机元件

Info

Publication number: CN103650191A
Application number: CN201280027071.XA
Authority: CN
Inventors: 穆罕默德·本瓦迪赫
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Isorg SA
Current assignee: Isorg SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2014-03-19
Also published as: CA2837868A1; US20140103323A1; JP6099636B2; WO2012163965A2; KR102012896B1; EP2715822B1; FR2976127A1; KR20140044339A; FR2976127B1; CA2837868C; EP2715822A2; WO2012163965A3; JP2014517526A

Abstract

本发明涉及一种具有有机有源材料的元件，所述元件设置有至少一个第一电极（104、204、304）和至少一个第二电极(106、206、306)，所述第一电极和所述第二电极被基于聚合物材料的有源层（102、302）的区域隔开，将电极（104、204、304、106、206、306）相隔开的所述有源层（102、302）的区域具有可变的临界尺寸（DL）。

Description

包括有构造和形状改进的电极的有机元件

技术领域

本发明涉及设置有有源区域（该有源区域以半导体聚合物材料为基础并位于两个电极之间）的元件的领域，尤其涉及所谓的“有机”晶体管和光电二极管。

本发明提供了一种微电子元件，该微电子元件的电极具有能改进电极性能的形状和构造，特别是改进了导通（on）状态（或在其运行状态）下的电流与关断（off）状态（或在其非操作状态）下的电流之间的比例。

背景技术

根据现有技术使用的场效应有机晶体管的示例示于图1A-1B中。

该晶体管包括承靠在支撑体1上且遮盖源极4和漏极6这两个电极的有源层2（active layer）。

有源层2由具有半导体性质的有机聚合物类材料形成。该晶体管被配置成使得它的栅极10置于源极4和漏极6的顶上（图1A）。

电极4和6是平行六面体块的形状，因此包括两个注入表面Si1和Si2（这两个注入表面Si1和Si2携带有沟道区域3中的或来自沟道区域3的电荷），第一注入表面Si1对应于电极块的与有源层2的主平面平行且与有源层2接触的面，电极块的另一面与有源层2的主平面正交且与有源层2接触。

I_导通/I_关断比例是表征晶体管导通状态与关断状态的比例。I_关断电流是漏电流，需追求其最小化，而I_导通电流是在给定栅源电压下的饱和电流，需追求其最大化。

总体来讲，追求使用在导通状态或激活状态下的电流与在关断状态或非激活状态下的电流之间的比例尽可能高的有机元件。

发明内容

本发明首先涉及一种微电子元件，特别是有机微电子元件，设置有至少一个第一电极和至少一个第二电极，所述第一电极和所述第二电极被基于至少一种聚合物材料（特别是半导电的聚合物材料）的有源层的区域隔开，所述第一电极和所述第二电极具有被设计成使得将它们相隔开的距离变化的形状和构造。

因此，将所述第一电极和所述第二电极相隔开的所述有源层的区域具有可变的长度，也称为“临界尺寸”D_L。

在本文中“临界尺寸”是指层或叠层除去它的宽厚外的最小尺寸。

根据本发明的第一方面，上述元件可以是晶体管，特别是有机晶体管。

在这种情况下，所述第一电极可以是源极，而所述第二电极可以是漏极，上述晶体管还包括栅极，该栅极与将所述第一电极和第二电极相隔开的聚合物材料的所述区域相对，且与上述源极和漏极的至少一部分相对。

上述源极和/或漏极可分别设置有与有源层的主平面产生非零度角的倾斜侧面。

上述源极和漏极可以被布置在衬底上，且顶上覆盖有栅极。根据特定的构造，该栅极可有利地仅与源极和漏极的一部分相对。

因此，靠近晶体管的沟道区域的源极和漏极的一部分可以被布置为与栅极相对，而源极和漏极的其他区域顶上不被栅极覆盖且源极和漏极的其他区域不与栅极相对。

根据一种构造可能性，源极和漏极可以具有一形状，该形状使得将第一电极和第二电极相隔开的距离线性地变化或基本线性地变化。

源极和漏极的构造还可以被设计成使得将源极和漏极相隔开的距离随着接近于栅极而增大。

这在饱和电流I_导通方面改进了晶体管，同时具有减小的漏电流I_关断。

源极和漏极可以为具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与有源层或有源层的主平面相正交。

根据另一实施可能性，晶体管可以被形成为使得将源极和漏极相隔开的距离在与栅极和有源层相平行的方向上增大。

源极和漏极可以为具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与有源层的主平面相平行。

根据本发明的第二方面，上述元件可以是二极管，特别是光电二极管。

根据一种实施可能性，第一电极和/或第二电极可设置有与有源层的主平面成角度的倾斜侧面。

第一电极和第二电极可以具有一形状，该形状使得将第一电极和第二电极相隔开的距离线性地变化。

根据一种实施可能性，第一电极和第二电极可以为具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与有源主平面成非零度角。

根据一种实施可能性，第一电极可设置有与有源层的主平面成非零度角的第一倾斜侧面，第二电极可设置有与所述第一侧面相对且与有源层的主平面成非零度角的第二倾斜侧面，第一侧面和第二侧面设置有对光辐射进行反射的表面。

附图说明

参考附图来阅读仅以示例方式而不是以限制方式给出的示例实施方式的描述后，将更好地理解本发明，其中：

图1A和图1B示出了根据现有技术的场效应有机晶体管；

图2A-2D示出了根据本发明而实施的场效应有机晶体管的示例，其中改进了电极的构造和形状；

图3示出了根据本发明而实施的场效应有机晶体管的另一示例，其中改进了电极的构造和形状；

图4示出了根据本发明而实施的有机光电二极管，设置有具有改进的构造和形状的电极；

图5A-5B示出了根据本发明而实施的用于制造有机元件的电极的方法。

在各图中相同、相似或等同的部件标注相同的附图标记，以方便从一个图过渡到另一个图。

为了使图更清楚，在图中示出的各部件不一定以均一的绘制比例示出。

具体实施方式

现在将参照图2A-2D来描述根据本发明的微电子元件的示例。

在该示例中，微电子元件是形成在支撑体100上的场效应有机晶体管，该支撑体100例如是基于聚萘二甲酸乙二醇酯的，且厚度在例如50微米和200微米之间，有利地在100微米和150微米之间。

基于至少一种半导体聚合物材料例如TIPS（三异丙基甲硅烷基并五苯）且厚度在例如20纳米和200纳米之间的有源层102承靠在衬底100上。

该有源层102包括区域103，该区域103形成沟道且位于源极104和漏极106这两个电极之间并与栅极110相对。

源极104和漏极106承靠在支撑体100上，且被有源层102所遮盖。源极104和漏极106可以具有从20纳米至200纳米不等的厚度。

在该示例实施方式中，电极104、106顶上覆盖有有源层102的厚度，该有源层102的厚度顶上覆盖有栅极介电层107，该栅极介电层107为例如基于氟化聚合物或聚苯乙烯（例如Asahi Glass公司的

）的层，且厚度在例如400纳米和1微米之间，而栅极110承靠在介电层107上，由此位于源极102和漏极104的顶上。

栅极110被布置为与有源层的区域103以及源极104的一部分104a和漏极106的一部分104b相对。

因此，在这个示例中只有源极和漏极的104a部分和106a部分顶上覆盖有栅极110且与该栅极110相对。电极104、106的其他区域104b、106b比104a部分和106a部分进一步远离晶体管的沟道区域且比104a部分和106a部分更靠近栅极介电区域107，因为它们的部分不布置为与栅极110相对。

该栅极110可由例如Ag形成且厚度在例如100纳米和5微米之间（图2A）。

在该晶体管中，将源极104和漏极106相隔开的距离D_L被设计成使得D_L根据该距离处在这两个电极之间的区域中的位置而可变。

电极的构造可以被特定地设计成使得将源极104和漏极106相隔开的距离D_L线性地变化。

在图2B的示例中，晶体管的电极，例如它的源极104，具有在与有源层102的主平面相正交的方向上测量得到的可变的厚度e1（在图2A-2D中，有源层102的主平面被定义为穿过该层且与正交坐标系的平面相平行的平面）。

因此将栅极110和该源极104相隔开的距离D_H（在与正交坐标系

的矢量相平行的方向上测量得到）是可变的且随着接近于位于源极104和漏极106之间的区域103的中心而增大（图2B）。

在图2C的示例中，图2C示出了源极104和漏极106这两个电极，其中，这两个电极具有可变的厚度且被配置成使得将电极104、106相隔开的距离D_L（在与正交坐标系的矢量

相平行的方向上测量得到）是可变的且随着接近于栅极110而增大。

在该示例实施方式中，电极104和106设置有倾斜侧面，且电极104包括第一倾斜侧面114，电极106包括与第一侧面114相对的第二倾斜侧面116。

侧面114和116中的每一个与通向衬底100的主平面的法线n或通向有源层102的主平面的法线n成非零度角，或与平行于衬底100的主平面的平面或有源层102的主平面的平面成小于90°的角度α。

侧面114和116中的每一个与衬底100的主平面或有源层102的主平面之间所成的角度α可以在例如15°和85°之间，特别是30°和60°之间，并且例如为45°。

因此，在该示例中源极104和漏极106为棱柱的形状，该棱柱设置有三角形基底，该三角形基底与衬底100的主平面或有源层102的主平面形成非零度角例如90°。

在该示例实施方式中，当栅极110被偏压在栅极电位Vg处时，层102的半导体材料被耗尽到一定深度。然后电荷受到了由于漏-源电压VDS的施加而在电极104和106之间产生的电场的作用，并且以电流形式构成晶体管的响应。

对于低的栅极电位Vg=vg1，仅耗尽基于半导体聚合物的有源层的上部。该有源层的上部对应于电极104和106之间的距离D_L最大的地方。

因此，对于给定的漏-源电压VDS，产生的电场是弱的，从而收集的电荷很少，因此产生非常低的电流I_关断或晶体管处于关断状态。

另一方面，对于高的栅极电位Vg=Vg4，耗尽区较深，其中电极之间的距离D_L最小。然后，因为电场是最强的，所以收集到最大量的电荷，在导通状态下的电流I_导通较高（图2D）。

因此，与电极属于常规构造的有机晶体管结构相比，设置有上述结构的晶体管可具有在导通状态下增大的电流I_导通和在关断状态下减小的电流I_关断。

根据本发明的场效应有机晶体管的另一示例示出在图3中（在该图中晶体管以平面图示出）。

该晶体管包括由可变距离DL隔开的源极204和漏极206，且该晶体管的源极204和漏极206的形状不同于先前描述的晶体管。

在该示例中，源极204和漏极206是具有三角形基底的棱柱形状的平板，该棱柱的基底与有源层102的主平面或支撑层100的主平面相平行（在图3中有源层102的主平面为与平面相平行的平面）。

源极204和漏极206被配置成使得将这些电极204和206相隔开的距离D_L（在与正交坐标系

的矢量

相平行的方向上测量得到）线性地变化，从而，当在电极204和电极206之间施加电压时，这些电极之间的电场沿着栅极的方向（与正交坐标系的矢量

相平行的方向）而变化。

在该示例中，将每个源极204或漏极206与栅极210相隔开的距离D_H（在与矢量

相平行的方向上测量得到，未示出在图3中）可能是恒定的。

在该示例中，不管施加到栅极210上的电压是多少，都耗尽位于电极之间的相同体积的半导体有机材料。然而，由源漏电压VDS所产生的电场在遍及晶体管的整个长度上或沿着栅极的方向（与正交坐标系

的矢量

相平行的方向）不是恒定的。

可以在如下区域内使用源-漏电压VDS=VDS2，在该区域内电极的尖部217、218彼此相对且彼此间的距离为DL-DL_最小，而当电极204和206之间的间隔最大时在电极204和206之间的区域内使用较低的电压VDS=VD1。

由于在晶体管的长度方向上电极204和206之间的间隔是可变的，所以这些电极204和206可以以最小的距离DL_最小间隔开，该最小的距离DL_最小可以小于一般为有机晶体管的电极而提供的最小间隔。

因此，电极204和206之间可变的间隔使得可以限制隧道效应且使得电极可以更靠近在一起。

在电极尖部相对的点处的最小间隔可以为至少小于10微米，例如为约5微米。电极204和206可以以最大距离DL_最大例如约55微米而被间隔开。这种构造使可以得到比常规晶体管的I_导通大的导通状态下的电流I_导通，其中，常规晶体管的电极以恒定的间隔例如约30微米配置。

根据本发明的微电子元件的另一示例示出在图4中，该微电子元件设置有基于聚合物的有源区域。

在该示例中，该元件是有机光电二极管，包括承靠在支撑体300上的电极304和306，以及位于上述电极之间的有源层302。

有源层302可以以聚合物材料的混合物作为基础，包括n型半导体聚合物材料和p-型半导体聚合物材料。

有源层302的聚合物材料可以是p-型聚合物（例如聚(3-己基噻吩)或聚(3-己基噻吩-2,5-二基)，这些通常被称为“P3HT”）和N-型聚合物（例如[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯，通常被称为“PCBM”）的混合物。

有源层302的厚度可以在例如50纳米至400纳米之间。

在该示例中，电极304和306是具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与支撑层的主平面或有源层302的主平面成非零度角，例如90°（在图4中，有源层302的主平面是与平面

相平行的平面）。

源极304和漏极306被配置成使得将这些电极304和306相隔开的距离D_L（在与正交坐标系

的矢量

相平行的方向上测量得到）是可变的，并且特别地，在远离支撑体300时，线性地增大。

在该示例实施方式中，光电二极管的电极304和306设置有具有反射表面的倾斜侧面，并且电极304包括具有反射表面的第一倾斜侧面314，电极306包括与该第一倾斜侧面314相对的具有反射表面的第二倾斜侧面316。

侧面314和316与支撑体300的主平面或有源层302的主平面成非零度角α，例如在30°和60°之间，例如45°，并且意在反射穿过有源层302的光辐射。以这种方式能够增加在有源层302的材料中产生的激子的数量。

电极304和306可以例如是基于金的且具有从20纳米到200纳米不等的厚度。

在低照度下，电荷可以在有源层302的上部区域中产生，在电极304和306之间的间隔DL最大且等于DL_最大（例如约10微米到500微米）的区域中产生。

在强照度下，激子可以在遍及整个有源区域302的厚度内形成。

在宽度小的有源区域302的区域内，将会收集到更多的电荷：照度将会更高。

另外，通过设置有反射表面314、316，电极可以起到光反射器的作用，并且将光子重新导向至有源区域302的内部以增加所收集的电荷的数量。

电极304和306可以由例如Au形成且遮盖有基于银层的反射表面。

现在将参照图5A-5B给出具有倾斜侧面的电极的示例实施方式，该电极打算被集成在具有有机有源材料的微电子元件中。

用于产生这些电极的掩模400可以是例如聚萘二甲酸乙二醇酯。

在该支撑体中形成有一系列孔401a、401b、401c，该一系列孔401a、401b、401c具有不同的逐渐减小的深度，这些孔401a、401b、401c填充有导电油墨，例如含有金或银纳米粒子的油墨。

该方法可以使用设置有压碾滚筒501和雕花滚筒（engrave cylinder）的设备通过凹版印刷而实施，待印刷的掩模400在压碾滚筒501和雕花滚筒之间穿过以形成孔401a、401b、401c，该雕花滚筒经过装有导电油墨的油墨管道504。该凹版印刷设备可设置有用于去除过多油墨的装置。然后将形成的图案从模具中去除且转移到最终的电极支撑体。

根据另一方法，掩模可以填充有聚合物，然后将该聚合物从模具中去除，并作为用于沉积导电层的支撑体。

Claims

1.一种微电子元件，设置有至少一个第一电极（104、204、304）和至少一个第二电极（106、206、306），所述第一电极和所述第二电极被基于至少一种半导体聚合物材料的有源层（102、302）的区域隔开，将电极（104、204、304、106、206、306）相隔开的所述有源层（102、302）的区域具有可变的临界尺寸（DL）。

2.根据权利要求1所述的晶体管，所述第一电极（104、204）是源极，所述第二电极（106、206）是漏极，所述晶体管还包括栅极（110），所述栅极（110）与将所述第一电极和所述第二电极相隔开的半导体聚合物材料的所述区域相对，且与源极和漏极的至少一部分相对。

3.根据权利要求2所述的晶体管，所述源极（104）和/或所述漏极（106）设置有与所述有源层（102）的主平面成非零度角（α）的至少一个倾斜侧面（116）。

4.根据权利要求2或3所述的晶体管，所述源极（104）和所述漏极（106）具有使得将所述第一电极和所述第二电极相隔开的距离线性地变化的形状。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的晶体管，将所述源极（104、204）和所述漏极（106、206）相隔开的距离（DL）随着接近于所述栅极而增大。

6.根据权利要求5所述的晶体管，其中，所述栅极覆盖在所述源极（104）的给定部分（104a）和所述漏极（106）的给定部分（106a）的顶上且与所述源极（104）的给定部分（104a）和所述漏极（106）的给定部分（106a）相对，所述源极和所述漏极的其他部分（104b、106b）不与所述栅极（110）相对。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的晶体管，所述源极和所述漏极为具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与聚合物材料层的主平面相正交。

8.根据权利要求2至4中任一项所述的晶体管，将所述源极（104、204）和所述漏极（106、206）相隔开的距离（DL）在与所述有源层的主平面相平行的方向上增大。

9.根据权利要求8所述的晶体管，所述源极（204）和所述漏极（206）为具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与聚合物材料层的主平面相平行。

10.根据权利要求1所述的光电二极管，将所述第一电极（304）和所述第二电极（306）相隔开的距离（DL）是可变的，所述第一电极和所述第二电极设置有与所述有源层的主平面成非零度角（α）的至少一个倾斜侧面。

11.根据权利要求9所述的光电二极管，所述第一电极（304）和/或所述第二电极（306）设置有与所述有源层（302）的主平面成非零度角（α）的倾斜侧面（314、316）。

12.根据权利要求10或11所述的光电二极管，所述第一电极（304）和所述第二电极（306）具有使得将所述第一电极（304）和所述第二电极（306）相隔开的距离线性地变化的形状。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的光电二极管，所述第一电极（304）和所述第二电极（304）为具有三角形基底的棱柱的形状，该三角形基底与所述有源主平面（302）成非零度角。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的光电二极管，所述第一电极（304）设置有与所述有源层（302）的主平面成非零度角（α）的第一倾斜侧面（314），所述第二电极（306）设置有与所述第一侧面相对且与所述有源层（302）的主平面成非零度角（α）的第二倾斜侧面（306），第一侧面（314）和第二侧面（316）具有对光辐射进行反射的表面。