CN103682099B - 印刷式半导体器件及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种印刷式半导体器件及制作方法，其半导体器件包括：基底、导电金属墨水、半导体墨水和绝缘型墨水，所述导电金属墨水含有0.1wt%～10wt%质量百分比低熔点液态金属的氧化物和0wt%～90wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒，所述半导体墨水含有0.1wt%～90wt%质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和有机物，或所述半导体墨水含有0.1wt%～90wt%质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和聚合物，所述绝缘型墨水含有有机物或聚合物。本发明提供的印刷式半导体器件及制作方法，可全部直接印刷的室温附近或更高温下呈液态的低熔点金属墨水及其纳米复合物，依据于所选择的墨水类型，可以实现多种类型半导体器件的直接打印，包括片上二极管、三极管、晶体管、LED、激光器等。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种印刷式半导体器件及制作方法。
背景技术
半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料，由此制成的器件如半导体二极管、三极管、场效应晶体管、晶闸管等在大量的电子工业领域有着极为广泛关键的应用。为此，围绕半导体器件的制造一直是电子工业领域的研究核心。顾名思义，半导体一般由导电部分、半导体部分及绝缘部分按一定结构组成。迄今，半导体器件的加工一直沿用十分复杂的制造工艺进行，程序相当复杂，能耗高，污染严重，清洁处理费用高，这使其一般主要在工业基础及资金雄厚的企业才有条件实施。之所以如此，是因为传统技术中用于构建半导体器件的材料本身属性所限。比如，器件中的导电部分一般通过高温沉积，要求的工艺条件较高；另外，众所周知，半导体材料按化学成分一般可分为元素半导体和化合物半导体两大类。其中，锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体则包括砷化镓、磷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物，硫化镉、硫化锌等Ⅱ-Ⅵ族化合物，锰、铬、铁、铜等的氧化物，以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体如镓铝砷、镓砷磷等。由于这些材料的熔点通常极高，使得加工制造存在较大困难。可以想象，若半导体器件的整个制造工艺能以直接印刷的方式进行，则将可望实现高度快捷的生产制造，从而大幅度改观半导体工业的现状，直至建立高效、绿色化的半导体器件生产。为此，近年来研究者逐渐尝试改变传统半导体器件的制备工艺，努力简化制作过程，以期达到降低成本的目的，此方面的有益尝试如提出了有机半导体器件技术，通过采用有机物、聚合物和给体-受体络合物等半导体材料及其掺杂性复合材料，可使制造工艺得以简化，所实现的器件也表现出良好的柔性。然而，一个半导体器件中涉及导体、半导体和绝缘体等元件，已有的技术尚难以确保全部器件均能通过直接印刷的方式实现，比如即使有机半导体材料或绝缘材料可以采用喷涂方式印制，导体部分的印刷始终是一个瓶颈。我们知道，导体一般为金属如铜、铝等，其熔点极高，若要实现印刷，必须首先将其熔化并在极高的温度下喷涂，这显然会对器件上的低熔点有机半导体材料乃至基底造成破坏，因而，此种印刷途径实现的可能性较小。为此，人们提出有机或聚合物导体材料，但这类材料的导电性一般较差，且溶液化和可印刷性存在一定问题；为获得更好的溶液化，研究者们继而通过在有机或聚合物中添加高导电性纳米颗粒来实现可印刷的墨水，但实际的制造过程需要先印刷，再通过数百度以上的高温使这类墨水发生一定化学反应乃至烧结，才能最后沉积下所需的导体部件，所以，整个程序仍然相当复杂。总之，迄今国内外工业界尚未建立起快速简捷的可完全直接印刷、直接成型的半导体器件及其制作方法。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种印刷式半导体器件及制作方法，可全部直接印刷的室温附近或更高温下呈液态的低熔点金属墨水及其纳米复合物，从而发展出用以构建半导体器件的全部可印刷的全系列印刷墨水。
（二）技术方案
一种印刷式半导体器件，包括：基底、导电金属墨水、半导体墨水和绝缘型墨水，所述导电金属墨水含有0.1wt%～10wt%质量百分比低熔点液态金属的氧化物和0wt%～90wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒，所述半导体墨水含有0.1wt%～90wt%质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和有机物，或所述半导体墨水含有0.1wt%～90wt%质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和聚合物，所述绝缘型墨水含有聚合物。
其中，所述导电金属墨水中含有的低熔点液态金属为：镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
其中，所述半导体墨水中含有的有机物为：红荧烯或并五苯。
其中，所述半导体墨水中含有聚合物为：聚3-己基噻吩、聚3，3’-二烷基连四噻吩、聚3芳基胺。其中，所述绝缘型墨水中含有的聚合物为：聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂或聚乙烯苯酚。
其中，所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金、镍镉合金、碳纳米管或石墨烯
其中，所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
其中，所述基底为塑料、橡胶、硅、玻璃、丝织物、聚二甲基硅氧烷、陶瓷或纸中的至少一种。
本发明还提供一种印刷式半导体器件制作方法，包括：
S1：在基底上采用N型半导体墨水印刷出N型半导体；
S2：在S1中的N型半导体两侧分别印刷出两个P型半导体，由此形成两个PN结；
S3：采用P型导电金属墨水印刷出连接两个P型半导体的栅极；
S4：在N型半导体的上端采用导电金属墨水印刷出漏极，在N型半导体的下端采用导电金属墨水印刷出源极；
S5：采用管壳或绝缘涂覆材料进行封装，即可形成所述的半导体器件。
（三）有益效果
本发明提供的印刷式半导体器件及制作方法，可全部直接印刷的室温附近或更高温下呈液态的低熔点金属墨水及其纳米复合物，从而发展出用以构建半导体器件的全部可印刷的全系列印刷墨水，涉及：低熔点金属墨水、半导体墨水、绝缘墨水以及它们的纳米复合物，由此可实现对诸如二极管、三极管、场效应管、晶闸管、晶体管等半导体器件在各类基底上的直接打印，在此基础上还可实现集成电路的直接印刷；依据于所选择的墨水类型，可以实现多种类型半导体器件的直接打印，包括片上二极管、三极管、晶体管、LED、激光器等。
附图说明
图1为本发明印刷式半导体器件制作方法步骤流程图；
图2为本发明实施例1印刷式半导体器件的结构示意图；
图3为本发明实施例2印刷式半导体器件的结构示意图；
图4为本发明实施例3印刷式半导体器件的结构示意图；
图5为本发明实施例4印刷式半导体器件的结构示意图；
图6为本发明实施例5印刷式半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种印刷式半导体器件包括：基底、导电金属墨水、半导体墨水和绝缘型墨水，所述导电金属墨水含有0.1wt%～10wt%质量百分比低熔点液态金属的氧化物和0wt%～90wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒，所述半导体墨水含有0.1wt%～90wt%质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和有机物，或所述半导体墨水含有0.1wt%～90wt%质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和聚合物，所述绝缘型墨水含有聚合物。
所述导电金属墨水中含有的低熔点液态金属为：镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
所述半导体墨水中含有的有机物为：红荧烯或并五苯。
所述半导体墨水中含有聚合物为：聚3-己基噻吩、聚3，3’-二烷基连四噻吩、聚3芳基胺。
所述绝缘型墨水中含有的聚合物为：聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂或聚乙烯苯酚。
所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金、镍镉合金、碳纳米管或石墨烯
所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
所述基底为塑料、橡胶、硅、玻璃、丝织物、聚二甲基硅氧烷、陶瓷或纸中的至少一种。
图1为本发明印刷式半导体器件制作方法步骤流程图，如图1所示，本发明提供一种印刷式半导体器件制作方法，包括：
S1：在基底上采用N型半导体墨水印刷出N型半导体；
S2：在S1中的N型半导体两侧分别印刷出两个P型半导体，由此形成两个PN结；
S3：采用P型导电金属墨水印刷出连接两个P型半导体的栅极；
S4：在N型半导体的上端采用导电金属墨水印刷出漏极，在N型半导体的下端采用导电金属墨水印刷出源极；
S5：采用管壳或绝缘涂覆材料进行封装，即可形成所述半导体器件。
实施例1
图2为本发明实施例1印刷式半导体器件的结构示意图，如图2所示，本实施例中基底21选用1mm厚的玻璃；首先准备好由0.5wt%镓氧化物制成的导电金属墨水，由聚3，3’-二烷基连四噻吩PQT制成的P型半导体墨水，由梯形聚合物BBL等制成的N型半导体墨水，以及由聚苯乙烯制成的绝缘墨水。制作N沟道场效应管时，可先在基底21上采用N型半导体墨水印刷出N型半导体232，再在所述N型半导体232两侧分别印刷出两个P型半导体231，由此形成两个PN结；采用导电金属墨水印刷出连接两个P型半导体的栅极G；最后，在N型半导体232的上下端各采用导电金属墨水印刷出各自的电极，上端即为漏极D，下端则称为源极S。由此即印刷出N沟道场效应管。
P沟道场效应管印刷过程与上述类似，不同之处仅在于是在P型半导体的两侧分别印刷出N型半导体，其他完全与N沟道类似
实施例2
图3为本发明实施例2印刷式半导体器件的结构示意图，如图3所示，若需制作N型绝缘型场效应管，可先印刷出P型半导体衬底31，在其上印刷出两个高浓度N型区32；采用导电金属墨水各自分别印刷出一个电极作为源极S和漏极D；此后，在漏极和源极间，再采用绝缘墨水，如聚酰亚胺印刷覆盖，即形成绝缘层；最后，在绝缘层上印刷覆盖一层金属墨水作为栅极G。由此即制作出N型绝缘型场效应管。
实施例3
图4为本发明实施例3印刷式半导体器件的结构示意图，如图4所示，本实施例中基底41选用1mm厚的玻璃；首先准备好由聚3，3’-二烷基连四噻吩PQT制成的P型半导体墨水，及由梯形聚合物BBL等制成的N型半导体墨水；将P型半导体墨水与N型半导体墨水以点接触或面接触方式直接印刷到基底41上，其交界面接触处即为PN极；此后，在另两侧分别采用由0.5wt%镓氧化物制成的导电金属墨水印刷出2根引线，其中，与P型半导体相连者为正极，与N型半导体相连者为负极；最后，采用管壳或聚酰亚胺绝缘材料对之予以封装，即形成半导体二极管。整个制作过程完全是通过直接印刷完成。
重复以上步骤，可在基底41上印刷出多个二极管。
实施例4
图5为本发明实施例4印刷式半导体器件的结构示意图，如图5所示，与实施例1不同的只是器件的结构不同，因而可在二极管印刷基础上进行。本实施例中基底51选用1mm厚的玻璃；首先准备好由聚3，3’-二烷基连四噻吩PQT制成的P型半导体墨水，及由梯形聚合物BBL等制成的N型半导体墨水。制作时，将P型半导体墨水与N型半导体墨水，如图5所示按顺序于基底51上印刷出PNP结构；此后，在另两侧及基区分别采用由0.5wt%镓氧化物制成的导电金属墨水印刷出3根引线，分别称为基极b、发射极e及集电极c；其中，基区与发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结；最后，采用管壳或聚酰亚胺绝缘材料对之予以封装，即形成半导体三极管。整个制作过程完全是通过直接印刷完成。
重复以上步骤，可在基底51上印刷出多个晶体三极管。
实施例5
图6为本发明实施例5印刷式半导体器件的结构示意图，如图6所示，本实施例中基底61选用1mm厚的硅片；首先准备好由0.5wt%镓氧化物制成的导电金属墨水，由聚3，3’-二烷基连四噻吩PQT制成的P型半导体墨水，由梯形聚合物BBL制成的N型半导体墨水，由聚3-己基噻吩P3HT制成的P型半导体墨水，由非梯形聚合物BBB制成的N型半导体墨水。按如图6所示，印刷出PNPN四层结构的半导体，即31、32、33、34，再采用导电金属墨水分别印刷出阳极A、阴极K及控制极G，即得到所需半导体元件。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种印刷式半导体器件，其特征在于，包括：基底、导电金属墨水、半导体墨水和绝缘型墨水，所述导电金属墨水含有0.1wt％～10wt％质量百分比低熔点液态金属的氧化物和0wt％～90wt％导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒，所述半导体墨水含有0.1wt％～90wt％质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和有机物，或所述半导体墨水含有0.1wt％～90wt％质量百分比P型或N型半导体纳米颗粒和聚合物，所述绝缘型墨水含有聚合物。
2.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述导电金属墨水中含有的低熔点液态金属为：镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
3.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述半导体墨水中含有的有机物为：红荧烯或并五苯。
4.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述半导体墨水中含有聚合物为：聚3-己基噻吩、聚3，3’-二烷基连四噻吩、聚3芳基胺。
5.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述绝缘型墨水中含有的聚合物为：聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂或聚乙烯苯酚。
6.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金、镍镉合金、碳纳米管或石墨烯。
7.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
8.如权利要求1所述的印刷式半导体器件，其特征在于，所述基底为塑料、橡胶、硅、玻璃、丝织物、聚二甲基硅氧烷、陶瓷或纸中的至少一种。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的印刷式半导体器件制作方法，其特征在于，包括：
S1：在基底上采用N型半导体墨水印刷出N型半导体；
S2：在S1中的N型半导体两侧分别印刷出两个P型半导体，由此形成两个PN结；
S3：采用P型导电金属墨水印刷出连接两个P型区的栅极；
S4：在N型半导体的上端采用导电金属墨水印刷出漏极，在N型半导体的下端采用导电金属墨水印刷出源极；
S5：采用管壳或绝缘涂覆材料进行封装，即形成所述半导体器件。
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| CN102174706A (zh) * | 2011-01-05 | 2011-09-07 | 刘文祥 | 半导序体 |
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2012
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