CN105340097B - 制造有机场效应晶体管的方法和有机场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及制造有机场效应晶体管的方法，所述方法包括如下步骤：在基底上设置栅电极(1)和分配给栅电极(1)的用于电绝缘的栅绝缘体(2)，在所述栅绝缘体(2)上沉积第一有机半导体层(3)，生成第一电极(4)和分配给第一电极(4)的用于电绝缘的电极绝缘体(5)，在第一有机半导体层(3)和电极绝缘体(5)上沉积第二有机半导体层(6)，以及生成第二电极(7)，其中所述方法还包括以下步骤中的至少一个：在生成第一电极(4)和电极绝缘体(5)之前在第一有机半导体层(3)上生成第一掺杂材料层(13)使得电极绝缘体(5)与第一电极(4)至少部分地生成在第一掺杂材料层(13)上，并且在生成第二电极(7)之前在第二有机半导体层(6)上生成第二掺杂材料层(14)使得第二电极(7)至少部分地生成在第二掺杂材料层(14)上。此外，提供了一种有机场效应晶体管。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造有机场效应晶体管的方法和一种有机场效应晶体管。
背景技术
为了实现基于有机半导体元件的柔性电子组件，开发强大且牢固的有机晶体管是必要的。由垂直有机场效应晶体管(VOFET)提供了一种有前途的方法。
VOFET(一般如场效应晶体管)形成有3个电极，即栅电极、源电极和漏电极。在VOFET中，源电极和漏电极通过有机半导体相互连接。栅电极与源电极和漏电极被绝缘体隔开。VOFET的元件在基底上形成为堆叠件，其中所述堆叠件具有以下层序列中的一种：基底/栅电极/绝缘体/源电极/漏电极或基底/漏电极/源电极/绝缘体/栅电极。总是将有机半导体布置在源电极和漏电极之间。另外，可将其布置在绝缘体和源电极之间。有两种方法已知用于制造VOFET：材料自组织(self-organization)和例如利用荫罩的技术结构化。
文献WO 2010/113163 A1公开了垂直有机场效应晶体管及其制造方法。所述晶体管包含图案化的电极结构，其被封装在介电层和有源元件之间。所述有源元件是有机半导体或无定形半导体。通过使用嵌段共聚物材料作为图案化掩模将电极结构图案化。在此，可以选择图案化层的厚度和横向特征尺寸。
文献WO 2011/139774公开了用于形成具有图案化导电层的有机器件的方法。该方法包含将有机层沉积在基底上和用光刻胶溶液涂覆所述有机层以形成可光图案化层的步骤。所述光刻胶溶液包括氟化的光刻胶材料和氟化的溶剂。对可光图案化层的选定部分进行照射以形成图案。将导电层涂覆在有机层之上。将导电层的一部分去除以形成图案化导电层。
K.Nakamura等，应用物理快报(Applied Physics Letters)，第89卷，第103525页(2006)公开了有机发光晶体管。将栅电极布置在基底上并用栅绝缘层覆盖。将半导体层涂覆在栅绝缘层上。将源电极、绝缘层和空穴传输层布置在半导体层上。此外，晶体管包含发光层和漏电极。
存在提供如下晶体管设计的需要，所述晶体管设计允许器件中的高电流密度并且所述晶体管设计能够以容易且可控的方式进行制造。
发明内容
本发明的目的是提供制造有机场效应晶体管的方法和有机场效应晶体管，其中所述有机场效应晶体管具有高电流密度。
通过如下的方法和如下的有机场效应晶体管实现了该目的：
一种制造有机场效应晶体管的方法，所述方法包括如下步骤：
-在基底上设置栅电极(1)和分配给所述栅电极(1)的用于电绝缘的栅绝缘体(2)，
-将第一有机半导体层(3)沉积在所述栅绝缘体(2)上，其中所述第一有机半导体层包含第一有机半导体层材料，
-生成第一电极(4)和在所述第一电极(4)上的用于电绝缘的电极绝缘体(5)，其中所述第一电极和所述电极绝缘体依次进行处理，之后通过使用光刻胶的光刻方法进行图案化，其中所述光刻胶包含氟基光刻胶，
-将第二有机半导体层(6)沉积在所述第一有机半导体层(3)和所述电极绝缘体(5)上，其中所述第二有机半导体层包含第二有机半导体层材料，
-生成第二电极(7)，
其中所述方法还包括以下步骤中的至少一个：
-在生成所述第一电极(4)和所述电极绝缘体(5)之前在所述第一有机半导体层(3)上生成第一掺杂材料层(13)，使得所述电极绝缘体(5)与所述第一电极(4)至少部分地生成在所述第一掺杂材料层(13)上，其中所述第一掺杂材料层包含第一掺杂材料，所述第一掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第一掺杂材料是有机小分子，以及
-在生成所述第二电极(7)之前在所述第二有机半导体层(6)上生成第二掺杂材料层(14)，使得所述第二电极(7)至少部分地生成在所述第二掺杂材料层(14)上，其中所述第二掺杂材料层包含第二掺杂材料，所述第二掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第二掺杂材料是有机小分子；
一种有机场效应晶体管，其包含：
-第一电极(4)和第二电极(7)，所述电极提供源电极和漏电极，
-栅电极(1)，
-设置在所述栅电极(1)和所述第一电极(4)之间的栅绝缘体(2)，
-设置在所述第一电极(4)和所述第二电极(7)之间的电极绝缘体(5)，
-设置在所述栅绝缘体(2)和所述第一电极(4)之间的第一有机半导体层(3)，其中所述第一有机半导体层包含第一有机半导体层材料，
-设置在所述第一有机半导体层(3)和所述第二电极(7)之间的第二有机半导体层(6)，其中所述第二有机半导体层包含第二有机半导体层材料，和
以下层中的至少一个：
-设置在所述第一电极(4)和所述第一有机半导体层(3)之间且至少部分地与所述第一电极(4)直接接触的第一掺杂材料层(13)，其中所述第一掺杂材料层包含第一基质材料和第一掺杂材料，其中所述第一掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第一掺杂材料是有机小分子，并且其中所述第一掺杂材料以小于5摩尔％的比存在于所述第一基质材料中，和
-设置在所述第二电极(7)和所述第二有机半导体层(6)之间且至少部分地与所述第二电极(7)直接接触的第二掺杂材料层(14)，其中所述第二掺杂材料层包含第二基质材料和第二掺杂材料，其中所述第二掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第二掺杂材料是有机小分子，并且其中所述第二掺杂材料以小于5摩尔％的比存在于所述第二基质材料中。
在下文中还描述了本发明的有利实施方式。
根据本发明的一个方面，提供了制造有机场效应晶体管的方法。本方法包括如下步骤：在基底上提供栅电极和分配给栅电极的用于电绝缘的栅绝缘体，在栅绝缘体上沉积第一有机半导体层，生成第一电极和分配给第一电极的用于电绝缘的电极绝缘体，在第一有机半导体层和电极绝缘体上沉积第二有机半导体层，并且生成第二电极。此外，本方法包括以下步骤中的至少一步：在生成第一电极和电极绝缘体之前在第一有机半导体层上生成第一掺杂材料层，使得在第一掺杂材料层上至少部分地生成电极绝缘体与第一电极，和在生成第二电极之前在第二有机半导体层上生成第二掺杂材料层，使得第二电极至少部分生成在第二掺杂材料层上。
根据本发明的另一个方面，提供有机场效应晶体管，其包含第一电极和第二电极，所述电极提供源电极和漏电极，栅电极，设置在栅电极和第一电极之间的栅绝缘体，设置在第一和第二电极之间的电极绝缘体，设置在栅绝缘体和第一电极之间的第一有机半导体层，设置在第一有机半导体层和第二电极之间的第二有机半导体层，和以下层中的至少一个：第一掺杂材料层，其设置在第一电极和第一有机半导体层之间并且其至少部分地与第一电极直接接触，和第二掺杂材料层，其设置在第二电极和第二有机半导体层之间并且其至少部分地与第二电极直接接触。可将第一和第二有机半导体层构造为传输相同类型的电荷载流子，即空穴和电子。可选地或另外地，可将第一和第二有机半导体层构造为传输两种载流子类型，即空穴和电子。
本发明涉及垂直晶体管设计。第一和第二电极各自提供了向晶体管施加电压的接触。栅电极提供了控制晶体管状态的接触。通过电极绝缘体降低了晶体管的并联电阻并且提高了ON(开)状态的电流和OFF(关)状态的电流之间的比。
在一个示例性实施方式中，本方法包括如下步骤：在基底上提供栅电极和分配给栅电极的用于电绝缘的栅绝缘体，在栅绝缘体上沉积第一有机半导体层，在第一有机半导体层上生成第一掺杂材料层，至少部分地在第一掺杂材料层上生成第一电极和分配给所述第一电极的用于电绝缘的电极绝缘体，在第一有机半导体层和电极绝缘体上沉积第二有机半导体层，和在第二半导体层上生成第二电极。
在另一个实施方式中，本方法包括如下步骤：在基底上提供栅电极和分配给栅电极的用于电绝缘的栅绝缘体，在栅绝缘体上沉积第一有机半导体层，在第一半导体层上生成第一电极和分配给所述第一电极的用于电绝缘的电极绝缘体，在第一有机半导体层和电极绝缘体上沉积第二有机半导体层，在第二有机半导体层上生成第二掺杂材料层，和至少部分地在第二掺杂材料层上生成第二电极。
在一个可选实施方式中本方法包括如下步骤：在基底上提供栅电极和分配给栅电极的用于电绝缘的栅绝缘体，在栅绝缘体上沉积第一有机半导体层，在第一有机半导体层上生成第一掺杂材料层，至少部分地在第一掺杂材料层上生成第一电极和分配给所述第一电极的用于电绝缘的电极绝缘体，在第一有机半导体层和电极绝缘体上沉积第二有机半导体层，在第二有机半导体层上生成第二掺杂材料层，和至少部分地在第二掺杂材料层上生成第二电极。
可以以使得第一和第二电极分别完全覆盖第一和第二掺杂材料层的方式生成第一和第二电极。
由于源电极和漏电极到栅绝缘体的距离不同，VOFET一般对于由从栅电极到源电极和漏电极的不同电场引起的正和负的漏-源电压VSD具有不对称响应。发现通过分别使用在源电极和第一半导体层之间的第一掺杂材料层和/或在漏电极和第二有机半导体层之间的第二掺杂材料层，可以控制不对称性。优选地，第一和/或第二掺杂材料层分别具有少于5nm的厚度。
在空穴传输层(HTL)中，空穴的迁移率大于电子的迁移率。在电子传输层(ETL)中，电子的迁移率大于空穴的迁移率。
在单独的步骤中生成第一和第二有机半导体层。第一和第二有机半导体层中的至少一个可以完全由基质材料制成。在第一或第二电极中的一个与有机半导体材料的界面处有结，即肖特基势垒。该结取决于电极(用作源电极或漏电极)的极性。肖特基势垒由来自栅绝缘体的场进行调节。注入势垒仅在相邻有机半导体层的材料未掺杂，并且无注入层的情况下形成。仅在这种情况下，第一电极和第二电极之间的通路主要用于传输。
或者，对第一或第二有机半导体层中的至少一个进行掺杂，这降低了晶体管的不对称性质。掺杂层包含基质材料和至少一种掺杂剂。掺杂层可由基质材料和一种掺杂剂制成，所述掺杂剂优选为基质材料的90摩尔％以上，甚至更优选为95摩尔％以上。如果对有机半导体层的一个或两个进行掺杂，则第一和第二有机半导体层优选地包含被构造为传输相同类型的电荷载流子的基质材料。甚至更优选地，两层的有机基质材料是同种材料。
优选地，所有有机半导体材料都具有等于或小于2eV、优选小于1.85eV的单重态激发能，和/或单重态跃迁被禁止。从吸收峰(单峰的最大值)的波长的光子能计算单重态激发能，其意味着发光小于1.83eV以及通常在红外区的结合能。因此，该材料不发射可见光。
在本方法的一个实施方式中，生成第一电极和电极绝缘体的步骤，生成第一掺杂材料层的步骤，生成第二电极的步骤和生成第二掺杂材料层的步骤中的至少一个包括分别在第一和第二有机半导体层上进行光刻结构化的步骤。已知使用网板掩蔽(shadowmasking)制造VOFET。这些VOFET具有小的比边长。利用光刻结构化，在使用技术充分控制程序的同时可以将边长最大化。在不需要精密光刻设备的条件下提供了高性能器件。具有约1μm的分辨率和对齐登记(alignment registry)的普通设备制造晶体管绰绰有余。优选地，在应用光刻掩模之后但在沉积第一和第二电极之前分别生成第一和/或第二掺杂材料层。由此，可将掺杂限制于连接至各个接触材料的区域。原则上，这可以通过网板掩蔽工艺来实现。
在优选的实施方式中，通过物理气相沉积特别是热蒸发生成第一掺杂材料层和/或第二掺杂材料层。在此，可以以简单的方式将生成第一和/或第二掺杂材料层的步骤整合在已知的制造工艺中。
在另一个实施方式中，第一掺杂材料层和/或第二掺杂材料层分别由纯电掺杂剂材料制成。第一掺杂材料层和第二掺杂材料层可由相同的纯电掺杂剂材料制成。或者，两个掺杂材料层可由不同的纯电掺杂剂材料制成。
在一个可选实施方式中，第一掺杂材料层和/或第二掺杂材料层分别包含包括电掺杂剂材料的基质材料。第一掺杂材料层和第二掺杂材料层可以包含包括相同电掺杂剂材料的相同基质材料。或者，两个掺杂材料层可以包含包括不同电掺杂剂材料的相同基质材料。在另一个可选实施方式中，两个掺杂材料层可以包含具有相同或不同电掺杂剂材料的不同基质材料。在包含基质材料和电掺杂剂材料的层中，掺杂剂材料可以在层中以小于5摩尔％、优选小于2摩尔％的比存在。用在第一和第二掺杂材料层中的基质材料可以与第一和第二有机半导体层相同或不同。如果不同，则它们可能会具有较低的迁移率。
为纯掺杂剂材料或呈基质/掺杂剂体系形式的用于生成第一和第二掺杂材料层的掺杂剂可以为有机小分子。基质材料可以为有机半导体材料。第一和/或第二掺杂材料层的厚度优选为小于2.5nm，更优选等于或小于1nm。
在优选实施方式中，第一和第二有机半导体层包含相同的有机基质材料。第一和第二有机半导体层中的至少一个可由有机基质材料制成。可以通过真空或溶液加工形成第一和/或第二有机半导体层。
可选地或另外地，在本方法的一个实施方式中，第一电极生成有第一子电极部并且第二电极生成有第二子电极部，将所述多个子电极部布置为重叠子电极部的分离组的形式，其中重叠子电极部的分离组中的每个生成有与至少一个第二子电极部重叠的至少一个第一子电极部。两个电极的子电极部具有对应性；如果重叠区域大于非重叠区域则为一对一对应，或者如果重叠区域小于非重叠区域则为一对一或一对二相邻(其中端部可以为偶数或奇数)。在第一种情况下，第二电极的子电极的宽度优选大于第一电极的子电极的子电极宽度。
优选地，将两个电极的子电极部相互平行地进行布置。由此，提供了最低电容的最佳值，同时保持低的串联电阻。
在另一个实施方式中，生成第一掺杂材料层以使得第一子电极部至少部分地与第一掺杂材料层直接接触，和/或生成第二掺杂材料层以使得第二子电极部至少部分地与第二掺杂材料层直接接触。优选地，第一和/或第二子电极部分别完全覆盖第一和/或第二掺杂材料层。
在优选的实施方式中，生成第一电极和电极绝缘体的步骤包括如下步骤：如果适用，在第一有机半导体层和/或在第一掺杂材料层上沉积第一光刻胶层，通过将第一光刻胶层图案化而限定第一电极的电极区域，由此提供第一光刻胶图案，在第一光刻胶图案上沉积第一导电层，在第一导电层上沉积绝缘层，并且在剥离工艺中去除第一光刻胶图案，以此生成第一电极和电极绝缘体。
在又一个实施方式中，生成第二电极的步骤包括如下步骤：如果适用，在第一有机半导体层上、在电极绝缘体上和在第二掺杂材料层上沉积第二光刻胶层，通过将第二光刻胶层图案化而限定第二电极的电极区域，由此提供第二光刻胶图案，在第二光刻胶图案上沉积第二未图案化有机半导体层，在第二未图案化有机半导体层上沉积第二导电层，并且在剥离工艺中去除第二光刻胶图案，以此生成第二有机半导体层和第二电极。或者，可以在去除图案化第二光刻胶层之后进行第二电极的沉积。
为了生成第一电极和/或第二电极，图案化可以包括固化一部分并去除未固化的部分。第一光刻胶层和/或第二光刻胶层可以形成为双层。包括沉积、图案化和去除第一和/或第二光刻胶层的步骤可以在常态或惰性气体气氛下进行。可以通过另外的等离子体刻蚀步骤去除第一和/或第二光刻胶层。
在本发明的优选实施方式中，第一电极设置有第一子电极部并且第二电极设置有第二子电极部，将所述多个子电极部布置为重叠子电极部的分离组的形式，其中重叠子电极部的分离组中的每个包含与至少一个第二子电极部重叠的至少一个第一子电极部。第一和第二半导体层可包含或可不包含相同的有机基质材料。如果实施该实施方式，则第一和第二有机半导体材料没必要包含相同的有机基质材料。所述至少一个第一子电极部和所述至少一个第二子电极部中的每个与各个相邻的子电极部分离。另外，所述至少一个第一子电极部和所述至少一个第二子电极部可以具有不同的宽度。
根据优选的实施方式，经过第一和第二有机半导体层在第一和第二电极之间形成的电流通路是单极的。因此，通过层的电流仅由电荷载流子的一种即电子或空穴提供。
在一个优选的实施方式中，第一和第二有机半导体层由小分子材料制成。
在一个优选的实施方式中，第一和第二有机半导体层由聚合物材料制成。
在另一个优选的实施方式中，第一和第二有机半导体层相互直接接触。
根据一个优选的实施方式，将第二有机半导体层设置在电极绝缘体和第二电极之间。
在又一个实施方式中，栅电极与第一电极中的至少一个和第二电极是不透光的。这确保了环境光线不影响晶体管的性能。
根据又一个实施方式，至少一个选自以下的电极由金属材料制成：第一电极、第二电极和栅电极。所述金属材料可以为金或铝。由金属材料制成的电极具有低电阻而可以应用具有高频率的高功率。
掺杂剂材料优选为电掺杂剂。电掺杂剂被分为p型掺杂剂和n型掺杂剂。电掺杂在本领域是众所周知的，示例性参考文献为：Gao等，应用物理快报，第79卷，第4040页(2001)，Blochwitz等，应用物理快报，第73卷，第729页(1998)，D’Andrade等，应用物理快报，第83卷，第3858页(2003)，Walzer等，化学评论(Chem.Rev.)，第107卷，第1233页(2007)，US2005040390A1，US2009179189A。示例性p型掺杂剂为：四氟-四氰基醌二甲烷(F4TCNQ)；2,2'-(全氟萘-2,6-二亚基)二丙二腈(F6TCNNQ)；2,2',2”-(环丙烷-1,2,3-三亚基)三(2-(对-氰基四氟苯基)乙腈)。优选的化合物为含有氰基基团的有机分子。示例性n型掺杂剂为：吖啶橙碱(AOB)；四(1,3,4,6,7,8-六氢-2H-嘧啶并[1,2-a]嘧啶基)二钨(II)(W2(hpp)4)；3,6-双-(二甲氨基)-吖啶；双(乙烯二硫代)四硫代富瓦烯(BEDT-TTF)；碳氧化物(oxocarbon)；准碳氧化物(pseudooxocarbon)衍生物。
根据另一个实施方式，提供包含有机场效应晶体管的电子开关器件。
优选地，第一电极、第二电极、和电极绝缘体是不可渗透的。第一和第二电极及电极绝缘体应优选地足够厚以形成封闭层。优选地，第一和第二电极及电极绝缘体不是间断的或穿孔的或随机间断的，而是光刻图案化的。再者，在常规工作条件下，电极绝缘体不允许电荷载流子对其的任何实质性隧道贯穿。
提供了几种优势，例如，本工艺允许重叠电容的减少。可以容易地提高注射。即使在较高的频率下较高电流密度也是可行的。在一些实施方式中，通过对接触中的至少一个进行掺杂，可以在不对称器件中进一步提高该高电流。包含氟化光刻胶和/或常规(非氟化)光刻胶的两个光刻胶层允许对完全不同类型的有机半导体材料进行精确和稳定的光刻图案化，而不显著影响有机半导体材料。它使互补电路(complementary circuit)的制作成为可能(使用n型和p型沟道晶体管)。再者，可以以比具有大于105的高开/关比的常规平面场效应晶体管高10倍、20倍以上的增益制作晶体管。
第一和第二半导体层和第一和第二掺杂材料层(如果作为基质/掺杂剂体系提供)的优选p型半导体为：并五苯，二萘并噻吩并噻吩(DNTT)，另外的DNTT衍生物如C10-DNTT(一般地Cx-DNTT)，金属-酞菁(ZnPc、CuPc)，苝如二茚并苝(DIP)，四丙基-四苯基-二茚并苝(P4-PH4-DIP)。第一和第二半导体层和第一和第二掺杂材料层(如果作为基质/掺杂剂体系提供)的优选n型半导体为：C60，C70，ZnPc，CuPc，F16CuPc，F4CuPc，二茚并苝(DIP)。在掺杂层中的基质材料还可例如为：三联苯基-二胺(triphenyl-diamine，TPD)，3-(N-马来酰亚胺丙酰)-生物胞素(MPB)，红菲咯啉(athophenanthroline，BPHEN)，2,4,7,9-四苯基-1,10-菲咯啉(TPHEN)，苝-3,4,9,10-四甲酸-3,4,9,10-二酐(PTCDA)，萘四甲酸二酐(NTCDA)等。另外，基质材料可以为聚合物，例如p型材料如聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)，DIP-并五苯，聚[2,5-双(3-烷基噻吩-2-基)噻吩并(3,2-b)噻吩](PBTTT)，或n型材料如聚{[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-(2,29-二噻吩)}(P(NDI2OD-T2)。
在本发明的另一个实施方式中，提供了电路，其包含：
-至少一个包含n型材料的n型VOFET和
-至少一个包含p型材料的p型VOFET。
优选地，第一和第二有机半导体层各自由一种半导体材料组成。可选地或另外地，形成电极的层可以分配在n型和p型VOFET之间。VOFET的极性可以仅由掺杂剂的极性(p或n)决定。在这种情况下，p型或n型VOFET的DSC材料于是可以相同。
对于生长层具有高粗糙度(例如粗糙度达其层厚度的程度)的材料如并五苯，优选保持层为薄的，优选薄于60nm，更优选薄于40nm。这确保了好的加工性能。
本发明的一个方面是提供双层光刻胶和使用双层光刻胶将有机半导体材料图案化的方法。在有机半导体材料的层之上施加所述双层光刻胶。所述双层光刻胶由如下组成：氟基光刻胶的层，其与要被图案化的有机半导体材料接触，和非氟基光刻胶。利用这种组合，可以将最不同种类的有机半导体材料图案化；非限制性实例为：并五苯，C60，ZnPc等。
所述光刻图案化程序可以包括：
-在半导体层上沉积氟基光刻胶；
-在氟基光刻胶层上沉积(非氟基)光刻胶；
-照射(暴露)氟基和非氟基光刻胶层；
-显影非氟基光刻胶图案；
-显影氟基光刻胶图案；
-在然后图案化的光刻胶层顶部沉积另外的有机或无机层；
-通过剥离氟基和非氟基光刻胶，将另外的有机或无机层图案化。
所有步骤可在大气压下进行。
附图说明
在下文中，将参照不同实施方式通过举例进一步详细描述本发明。在图中显示：
图1垂直有机场效应晶体管的示意图，
图2另一个垂直有机场效应晶体管的示意图，
图3另一个垂直有机场效应晶体管的示意图，
图4电极构造的示意图，
图5普通垂直有机场效应晶体管的传输特性线，和
图6根据图1中示出的实施方式的普通垂直有机场效应晶体管的传输特性线。
具体实施方式
图1示出包含几个层的垂直有机场效应晶体管的示意图。所述晶体管包含上面沉积了栅绝缘体(2)的栅电极(1)。第一有机半导体层(3)布置在栅绝缘体(2)上。另外，设置了第一电极(4)、电极绝缘体(5)和第二有机半导体层(6)。第一电极(4)布置在第一掺杂材料层(13)上。第二电极(7)布置在第二掺杂材料层(14)上。晶体管可以布置在基底上(未示出)。
图2示出另一个晶体管设计的示意图。该晶体管也包含栅绝缘体(2)与栅电极(1)。第一有机半导体层(3)布置在栅绝缘体(2)上。第一电极(4)布置在第一掺杂材料层(13)上。另外，设置了电极绝缘体(5)和第二有机半导体层(6)。在晶体管的顶部，第二电极(7)布置在第二有机半导体层(6)上。
图3示出包含栅绝缘体(2)与栅电极(1)的另一个垂直有机场效应晶体管的示意图。另外，设置了第一有机半导体层(3)、第一电极(4)和电极绝缘体(5)。第二掺杂材料层(14)布置在第二有机半导体层(6)上。最后，设置了第二电极(7)。
图4示出电极构造的示意图。第一电极(4)设置有第一子电极部(8)并且第二电极(7)设置有第二子电极部(9)。多个子电极部(8、9)布置为重叠子电极部的分离组(10)的形式。重叠子电极部的分离组(10)中的每个包含至少一个与所述至少一个第二子电极部(9)重叠的第一子电极部(8)。将第一子电极部(8)的宽度(11)优化为尽可能小以获得第一和第二电极(4、7)之间最低的可能电容，但其足够大以收集被电荷载流子的迁移率限制的电流。优选的范围为100μm～1μm或50μm～1μm或20μm～0.5μm。第二子电极部(9)的宽度(12)大于宽度(11)，并且为了最低的电容(源-漏电容)进行优化，同时其足够大以免显著地限制电流。优选地，部分(4.1)和(7.1)不重叠。优选的范围也是100μm～1μm或50μm～1μm或20μm～0.5μm。优选地，子电极部(8、9)相互平行(电极内和电极间平行性)，因为这导致最低的串联电阻和最高的重叠长度(有源区域)。第一和第二子电极部(8、9)可分别至少部分地布置在第一和第二掺杂材料层上(未示出)。
接下来，公开了制造晶体管的方法。首先，设置由硅制成的栅电极(1)(同时用作基底)，其也用作接下来的层的基底。典型的基底材料为硅，玻璃，聚乙烯，箔的其它常用聚合物，栅材料：ITO，Pedot：PSS，Al，所有空气稳定的金属如Mo、Ta、Ag、Au、Cu、Al、Pa、Pl，碳纳米管，石墨烯。可以对栅电极(1)进行掺杂。用施加至栅电极(1)上的栅绝缘体(2)覆盖栅电极(1)。可以从金属氧化物如SiO2、Al2O3和HfO2形成栅绝缘体(2)。金属氧化物可通过真空热蒸发(VTE)蒸发，溅射或使用原子层沉积法(ALD)沉积。或者，可以由聚合物如PVA、PVP或全氟树脂(Cytop)制作栅绝缘体(2)。可以印刷、涂覆、浸渍或蒸发聚合物。在施加第一有机半导体层(3)之前，在几个步骤中对栅绝缘体(2)的表面进行清洁。氧化物层和其它栅极介电层也可以被有机材料如在US 7202547和US 7208782中描述的SAM涂覆。然后，在第一有机半导体层(3)上沉积第一光刻胶层。第一光刻胶层包含用于保护第一有机半导体层(3)的有机材料的特殊漆。在对所述第一光刻胶层进行照射和加工(通过去除未固化部分进行图案化)之后，例如通过热蒸发沉积第一掺杂材料层(13)。然后，蒸气沉积金层以提供第一(源)电极(4)。在下一步中，沉积电极绝缘体(5)。例如，由通过磁控溅射沉积在第一电极(4)上的二氧化硅层提供绝缘。在剥离工艺中去除第一光刻胶层、第一掺杂材料层(13)、第一电极(4)和电极绝缘体(5)的非必需部分。沉积、照射和加工第二光刻胶层以将第二电极(7)结构化。将优选包含与第一有机半导体层(3)相同基质材料的第二有机半导体层(6)沉积在第二光刻胶层上。将第二掺杂材料层(14)沉积在第二有机半导体层(6)上。接下来，将第二(漏)电极(7)沉积在第二掺杂材料层(14)上。最后，在剥离工艺中去除第二光刻胶层、第二有机半导体层(6)、第二掺杂材料层(14)和第二电极(7)的非必需部分，从而限定层(6)、(7)和(14)。第一和第二有机半导体层(3、6)可以为包含如C60的电子传输层，或包含如并五苯的空穴传输层。
在一个实施例中，将具有25nm厚Al2O3层的n型Si晶片(由来自Namlab的ALD制造)用作基底和栅电极和栅绝缘体。将所述晶片用异丙醇(IPA)在超声浴中清洁5分钟，并且进一步用臭氧等离子体蚀刻10分钟。将晶片浸入HMDS(六甲基二硅氮烷)溶液中30分钟以提高有机层的粘附性(这一步骤是任选的)，并进一步用异丙醇旋转冲洗(1000rpm，30秒)。将25nm的并五苯沉积在Al2O3侧上，并将来自Orthogonal公司的Ortho 310的1μm厚层以30秒、3000rpm旋涂在其上。在Ortho 310层之上是来自micro resist(微刻)的Ma P 1210的第二涂层(30秒，3000rpm)，从而形成双层光刻胶。在黄光下(光刻室)在22℃下处理两种光刻胶。样品在黄光(光刻室)、22℃下静置10分钟。
使用掩模对准器(指杆筛，指长200μm，横向尺寸为30μm和50μm)，将样品曝光(如，向汞灯i-线(365nm)曝光，剂量35mJ/cm2)0.6秒的时间以形成源电极并且在黄光(光刻室)下在22℃下在NaOH水溶液中显影17秒(NaOH溶液从供应商(micro-resist)在首字母缩略词ma-D 331下订购)以将上面的光刻胶层图案化。
然后，将样品浸在HFE 7300中3分钟和30秒，并在HFE7300中后冲洗30秒(来自Orthogonal公司的溶剂)以将下面的光刻胶层图案化。
通过热蒸发沉积用作第一掺杂材料层的1nm厚F6TCNNQ层以改进电荷载流子注入。
用VTE沉积作为第一电极的50nm厚Au层。通过RF-溅射沉积200nm厚的HfO2层。通过在具有氮气的手套箱中在HFE 7300中剥离12小时将Au/HfO2图案化。
接着进行第二光刻步骤，在30秒和3000rpm下旋涂Ortho 310，并且在30秒和3000rpm下后涂覆Ma-P 1210(黄光，22℃)。样品静置10分钟。再次，使用掩模对准器，将光刻胶曝光0.6秒(汞灯i-线(365nm)，剂量35mJ/cm2，指杆筛(指杆筛，指长200μm，横向尺寸为30μm和50μm)。在NaOH溶液(NaOH从供应商在首字母缩略词ma-D 331下订购)，黄光(光刻室)，22℃)中发生显影。通过浸在HFE 7300(3分钟30秒)中并随后在HFE 7300中冲洗30秒而去除未显影的光刻胶(来自Orthogonal公司的溶剂)。
在顶部沉积(VTE)25nm厚的并五苯层，接着是1nm厚的F6-TCNNQ层和作为第二电极的50nm厚Au层。在具有氮气的手套箱(漫射环境光，22℃)中在HFE 7300中为期12小时的剥离工艺使并五苯、F6-TCNNQ和Au层图案化。
图5和6示出常见VOFET(图5)和如图1中示出和上文中描述的晶体管的特征细节。在图6中，电流显著高于图5中的。两种晶体管的ON电流和OFF电流之间的比都是105。令人惊讶的是，尽管事实是由于掺杂应该提高OFF电流而导致在VOFET中自由电荷载流子的量更大，但是两种晶体管的ON电流和OFF电流是相似的。
Claims (16)
1.一种制造有机场效应晶体管的方法，所述方法包括如下步骤：
-在基底上设置栅电极(1)和分配给所述栅电极(1)的用于电绝缘的栅绝缘体(2)，
-将第一有机半导体层(3)沉积在所述栅绝缘体(2)上，其中所述第一有机半导体层包含第一有机半导体层材料，
-生成第一电极(4)和在所述第一电极(4)上的用于电绝缘的电极绝缘体(5)，其中所述第一电极和所述电极绝缘体依次进行处理，之后通过使用光刻胶的光刻方法进行图案化，其中所述光刻胶包含氟基光刻胶，
-将第二有机半导体层(6)沉积在所述第一有机半导体层(3)和所述电极绝缘体(5)上，其中所述第二有机半导体层包含第二有机半导体层材料，
-生成第二电极(7)，
其中所述方法还包括以下步骤：
-在生成所述第一电极(4)和所述电极绝缘体(5)之前在所述第一有机半导体层(3)上生成第一掺杂材料层(13)，使得所述电极绝缘体(5)与所述第一电极(4)至少部分地生成在所述第一掺杂材料层(13)上，其中所述第一掺杂材料层包含第一掺杂材料，所述第一掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第一掺杂材料是有机小分子，以及-任选地，在生成所述第二电极(7)之前在所述第二有机半导体层(6)上生成第二掺杂材料层(14)，使得所述第二电极(7)至少部分地生成在所述第二掺杂材料层(14)上，其中所述第二掺杂材料层包含第二掺杂材料，所述第二掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第二掺杂材料是有机小分子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述第一电极(4)和所述电极绝缘体(5)的步骤、生成所述第一掺杂材料层(13)的步骤、生成所述第二电极(7)的步骤和生成所述第二掺杂材料层(14)的步骤中的至少一个包括分别在所述第一有机半导体层(3)和所述第二有机半导体层(6)上进行光刻结构化的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过物理气相沉积生成所述第一掺杂材料层(13)和/或所述第二掺杂材料层(14)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一掺杂材料层(13)和/或所述第二掺杂材料层(14)分别由纯电掺杂剂材料制成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一掺杂材料层(13)和/或所述第二掺杂材料层(14)分别包含包括电掺杂剂材料的基质材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述基质材料是有机半导体材料。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一有机半导体层(3)和所述第二有机半导体层(6)包含相同的有机基质材料。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一电极(4)生成有第一子电极部(8)并且所述第二电极(7)生成有第二子电极部(9)，多个子电极部(8、9)布置为重叠子电极部的分离组(10)的形式，其中所述重叠子电极部的分离组(10)中的每个生成有与所述至少一个第二子电极部(9)重叠的至少一个第一子电极部(8)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中生成所述第一掺杂材料层(13)，以使得所述第一子电极部(8)至少部分地与所述第一掺杂材料层(13)直接接触，和/或生成所述第二掺杂材料层(14)，以使得所述第二子电极部(9)至少部分地与所述第二掺杂材料层(14)直接接触。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中生成所述第一电极(4)和所述电极绝缘体(5)的步骤包括如下步骤：
-如果适用，在所述第一有机半导体层(3)和/或在所述第一掺杂材料层(13)上沉积第一光刻胶层，
-通过将所述第一光刻胶层图案化而限定所述第一电极(4)的电极区域，由此提供第一光刻胶图案，
-在所述第一光刻胶图案上沉积第一导电层，
-在所述第一导电层上沉积绝缘层，以及
-在剥离工艺中去除所述第一光刻胶图案，由此生成所述第一电极(4)和所述电极绝缘体(5)。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中生成所述第二电极(7)的步骤包括如下步骤：
-如果适用，在所述第一有机半导体层(3)上、在所述电极绝缘体(5)上和在所述第二掺杂材料层(14)上沉积第二光刻胶层，
-通过将所述第二光刻胶层图案化而限定第二电极(7)的电极区域，由此提供第二光刻胶图案，
-在所述第二光刻胶图案上沉积第二未图案化有机半导体层，
-在所述第二未图案化有机半导体层上沉积第二导电层，以及
-在剥离工艺中去除所述第二光刻胶图案，由此生成所述第二有机半导体层(6)和所述第二电极(7)。
12.一种有机场效应晶体管，其包含：
-第一电极(4)和第二电极(7)，所述电极提供源电极和漏电极，
-栅电极(1)，
-设置在所述栅电极(1)和所述第一电极(4)之间的栅绝缘体(2)，
-设置在所述第一电极(4)和所述第二电极(7)之间的电极绝缘体(5)，
-设置在所述栅绝缘体(2)和所述第一电极(4)之间的第一有机半导体层(3)，其中所述第一有机半导体层包含第一有机半导体层材料，
-设置在所述第一有机半导体层(3)和所述第二电极(7)之间的第二有机半导体层(6)，其中所述第二有机半导体层包含第二有机半导体层材料，和
以下层中的至少一个：
-设置在所述第一电极(4)和所述第一有机半导体层(3)之间且至少部分地与所述第一电极(4)直接接触的第一掺杂材料层(13)，其中所述第一掺杂材料层包含第一基质材料和第一掺杂材料，其中所述第一掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第一掺杂材料是有机小分子，并且其中所述第一掺杂材料以小于5摩尔％的比存在于所述第一基质材料中，和
-设置在所述第二电极(7)和所述第二有机半导体层(6)之间且至少部分地与所述第二电极(7)直接接触的第二掺杂材料层(14)，其中所述第二掺杂材料层包含第二基质材料和第二掺杂材料，其中所述第二掺杂材料是电掺杂剂，其中所述第二掺杂材料是有机小分子，并且其中所述第二掺杂材料以小于5摩尔％的比存在于所述第二基质材料中。
13.根据权利要求12所述的晶体管，其中将所述第一有机半导体层(3)和所述第二有机半导体层(6)构造为传输相同类型的电荷载流子即空穴和电子。
14.根据权利要求12或13所述的晶体管，其中所述第一电极(4)设置有第一子电极部(8)并且所述第二电极(7)设置有第二子电极部(9)，将多个子电极部(8、9)布置为重叠子电极部的分离组(10)的形式，其中所述重叠子电极部的分离组(10)中的每个包含与所述至少一个第二子电极部(9)重叠的至少一个第一子电极部(8)。
15.根据权利要求14所述的晶体管，其中所述第一掺杂材料层(13)至少部分地与所述第一子电极部(8)直接接触和/或所述第二掺杂材料层(14)至少部分地与所述第二子电极部(9)直接接触。
16.电子开关器件，其包含根据权利要求12～15中的一项所述的有机场效应晶体管。
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