CN105742500A - 场效应晶体管的制备方法及利用其制备的场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用电流体直写工艺制备场效应晶体管的方法，包括：(1)在基板上制备有机半导体薄膜；(2)利用电流体直写工艺，在具有半导体薄膜的基板上制备平行的直线纤维；(3)通过电流体直写制备与之垂直的平行介电纤维；(4)在基板上真空沉积金属；(5)在介电纤维两端涂覆导电银浆，引出栅电极。本发明还公开了相应的产品。本发明的方法利用介电微纳纤维得到晶体管沟道，沟道长度尺寸与纤维直径尺寸相当，能够达到亚微米甚至纳米级，同时该纤维也是晶体管的绝缘层。另外通过一次金属真空沉积，可同时形成场效应晶体管的源极、漏极和栅极。本发明极大地简化了晶体管的制备工艺步骤，同时降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种场效应管的制备方法及利用其制备的场效应晶体管。
背景技术
场效应晶体管(FET)是一种利用电场控制半导体材料导电性能的有源器件，是现代电子学中应用最广泛的器件之一，在数据存储、逻辑运算、光电集成和放大电路以及平面显示等领域发挥着不可替代的作用。
为了更好地适用于集成电路以及提高场效应晶体管的电学性能，晶体管沟道的长度需要得到有效控制，高效、高精、低成本制造微纳级别的半导体沟道的工艺备受关注。传统的制造晶体管沟道的方法包括光刻蚀和纳米压印两种，其中，光刻蚀法制备过程中需要高精度掩膜，成本高且工艺复杂；纳米压印需要精度很高的压印模板，模板制造工艺限制了其分辨率，同时，压印介质与基板还存在兼容性问题。
电流体喷印是一种高分辨率、非接触式、低成本的溶液化直接制造技术，能制备一致性较好的微纳纤维，随着电流体直写工艺的发展，目前出现了利用电流体工艺喷印微纳纤维做掩膜来制备晶体管沟道的方法。例如，中国专利文献102222770A中公开了一种小线宽沟道的制备方法，其包括在有机薄膜晶体管器件的有机半导体层的沟道区印刷一条有机水溶性材料纤维；待纤维固化后，将疏水性电极材料溶液对准纤维进行沉积，从而在纤维两侧形成电极图案，作为有机薄膜晶体管的源极和漏极；(3)电极图案固化后，放入水或水性溶剂中，使有机水溶性材料纤维将溶于水，即可在有机半导体层的沟道区形成宽度与所述纤维直径相同的沟道。专利文献CN103261088A公开了一种形成微图案的方法，包括以下步骤：在衬底上形成具有圆形截面或椭圆形截面的有机线掩模图案或有机-无机混合线掩模图案；在形成有所述有机线掩模图案或有机-无机混合线掩模图案的所述衬底的整个表面上形成材料层；和，从所述衬底上除去所述有机线掩模图案或有机-无机混合线掩模图案以仅保留所述材料层的未形成有所述有机线掩模图案或有机-无机混合线掩模图案的部分。
上述利用电流体工艺喷印微纳纤维制备晶体管沟道的方法具有分辨率高、成本低、步骤简单等优点，但是，该方法中均需要对纤维进行消除或溶除这一过程，对于顶接触结构的晶体管，在去除纤维的时候，特别容易破坏半导体活性层，使得晶体管的导电性能受到影响；另外，上述方式制备的场效应管不能实现栅电极与源漏电极的自对准，会导致栅-源电极之间和栅-漏电极之间寄生电容过大，使器件的高频特性变坏。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种场效应晶体管的制备方法及利用该方法制备的场效应晶体管，其通过电流体直写工艺制备呈网格状的纤维层，从而可以直接获得栅极介电层为圆形的顶栅晶体管结构，无需去除纤维的步骤也能得到晶体管沟道，能够实现栅电极与源、漏电极的自对准。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种场效应晶体管的制备方法，其包括：
在基板上制备有机半导体薄膜；
采用电流体直写工艺，在基板上喷印，得到平行排列的多条直线纤维；
对具有介电性质的聚合物溶液进行电流体喷印，得到多条平行排列、位于所述直线纤维之上并与所述直线纤维垂直的介电微纳纤维，从而在半导体层上形成网格状的纤维层；
在所述网格状的纤维层上进行金属真空沉积；以及
在介电纤维两端涂覆导电银浆，引出顶栅电极，进而即可得到场效应管。
本方案的上述方法不需要去除纤维，而是将所述纤维用于直接形成晶体管的微纳沟道，并同时作为绝缘层，而且一次溅射同时形成栅电极、源电极和漏电极，极大地简化了晶体管的加工步骤。特别是，通过该方法，栅电极与源、漏电极能实现自对准，极大的提高了器件的高频特性。
作为本发明的进一步优选，所述介电微纳纤维与半导体层的接触角大于90°。
作为本发明的进一步优选，所述介电微纳纤维的直径为微米级或纳米级。
作为本发明的进一步优选，所述基板为刚性基板或柔性基板。
作为本发明的进一步优选，具有介电性质的聚合物包括但不限于PS、PVP、PMMA、PVDF和PVA。
作为本发明的进一步优选，所述基板可以进行表面处理，例如紫外臭氧清洗和自组装分子层(SAM)修饰，以提高基板电学性能。
作为本发明的进一步优选，采用有机半导体材料形成半导体薄膜，其中有机半导体材料可以为所述共轭聚合物或小分子材料。
作为本发明的进一步优选，金属沉积薄膜的厚度小于基板上纤维的高度，从而使沉积的金属分离，形成器件的源极、栅极、漏极。
作为本发明的进一步优选，所述导电介质为银浆。
按照本发明的另一方面，提供一种场效应晶体管，其采用上述的场效应晶体管的制备方法制备得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明中，不同于传统的将纤维去除形成小沟道的方式，而是采用介电性质的微纳纤维，并不需要将纤维去除就能形成小沟道，其中纤维本身就作为场效应管的栅极介电层；
(2)本发明中，采用介电层为纤维状的晶体管结构，能够实现栅电极与源、漏电极能实现自对准，提高了器件的高频特性，只要一次金属沉积，可同时形成栅电极、源电极和漏电极，极大地简化了晶体管的加工步骤。
(3)本发明中，与介电纤维垂直的纤维，能够将顶栅电极与源电极、漏电极分隔开，为顶栅电极的引出提供了简单、可行的方法；
(4)本发明的方案能很容易地得到亚微米甚至纳米级的沟道，步骤简单，成本低廉，同时提高了器件的电学性能。
附图说明
图1为按照本发明一个实施例的方法所制备的场效应晶体管的结构示意图，其中A为场效应晶体管介电微纳纤维截面局部放大图，B为场效应晶体管平行行纤维截面局部放大图；
图2为按照本发明一个实施例的方法在PI薄膜上制备场效应管的工艺流程图；
图3为按照本发明另一个实施例的方法在Si/SiO2基板上制备双栅晶体管工艺流程图
图4为按照本发明一个实施例的方法中电流体直写的结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为基板，2为半导体层，3为喷印行纤维，4为介电微纳纤维，5为源极，6为漏极，7为栅极，8为导电银浆，9为导电Si，10为SiO2，11为高压电源，12为运动平台，13为接收基板，14为喷射器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一个实施例的场效应晶体管的制备方法包括如下步骤：
1)在基板上制备有机半导体薄膜。
基板可以采用刚性基板也可以采用柔性基板，本实施例中的柔性基板可以为聚酰亚胺薄膜(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)，但本发明中不仅限于此。
在一个实施例中，采用绝缘基板，可形成顶栅顶接触结构的晶体管。在另一个实施例中，采用具有栅极和绝缘层的基板，可形成双栅晶体管结构。
在一个实施例中，优选采用有机半导体材料形成半导体薄膜。共轭聚合物和小分子材料是应用最为广泛的两类半导体分子，在一个实施例中，半导体材料为共轭聚合物材料，其中的半导体薄膜制备工艺可以采用旋涂法、滴注法、喷墨打印法等，形成的薄膜厚度为纳米级；后续需要进行退火处理。本实施例中的聚合物半导体材料例如优选为P3HT。在一个实施例中，半导体材料为小分子材料，半导体薄膜制备工艺可以采用真空蒸镀、溶液法，本实施例中小分子材料例如优选为并五苯。
一个实施例中，为了提高半导体材料的电子迁移率等电学性能，可以对基板进行相应的表面处理，例如紫外臭氧清洗和自组装分子层(SAM)修饰等。
2)采用电流体直写工艺，在有机半导体层上直写形成平行的光滑的直线行纤维
电流体直写工艺是一种高效、低成本可连续可控地制备一维纳米纤维的方法。能够制造出直径为纳米级的纤维。采用电流体喷印将纤维定位到有机半导体层上，所形成的纤维直径可控制在微米级甚至纳米级。同时通过采用合适的溶剂和控制电流体直写时喷嘴高度和温度等工艺参数，保证纤维与半导体层的接触角大于90°，使基板上纤维截面高度尽可能高。
此处的纤维用于将沉积的金属分隔在纤维两边，起到掩膜板作用。
在一个实施例中，电喷印材料包括但不限于PEO/PVDF/PVP等，通过控制器溶剂和喷印工艺参数，能够得到符合条件的纤维。
3)待步骤二纤维干燥后，采用电流体直写工艺，将具有介电性质的聚合物溶解作为喷印溶液，制备与步骤三纤维垂直的介电微纳列纤维，最终在基板上得到了网格状的纤维结构。
采用电流体直写工艺将纤维定位到有机半导体层上，所形成的纤维直径可控制在微米级甚至纳米级。同时通过采用合适的溶剂和控制电流体直写时喷嘴高度和温度等工艺参数，保证纤维与半导体层的接触角大于90°。
常用的具有介电性质的聚合物有PS/PVP/PMMA/PVDF/PVA等，将其进行溶液化处理，可进行电流体直写。
本方案中，网格状的纤维图案，可以将沉积的金属分隔形成电极图案，行纤维两端的金属分隔开后，能够保证引出的顶栅电极与源电极和漏电极之间不导通。介电列纤维不仅能分隔开源电极和漏电极形成沟道图案，而且本身可用来作为栅极介电层。此外，纤维上表面的栅电极与源电极和漏电极可以实现自对准。
4)待网格状纤维干燥之后，在其上进行金属真空沉积
为了提高器件性能，选择的金属材料与半导体材料之间需要有良好的能级匹配，使电荷载流子的注入势垒最低。一般来说，P型半导体材料须选用功函数较高的电极材料，以便有利于空穴的注入，合适的例如有Au、Pt合金及无机的氧化锢锡等。而对n型半导体材料须选用功函数较低的电极材料，适合的材料例如通常有Al、Ca、Ni等。
电喷印制备列纤维需要在行纤维干燥之后进行，通过采用合适的喷印溶剂、增大喷射距离、减小电喷印电压等方式，保证列纤维和行纤维接触地方不会发生混溶现象。
真空沉积方式可采用诸如蒸镀法和磁控溅射法，但并不限于此。金属沉积薄膜的厚度优选小于基板上纤维的高度，从而使沉积的金属分离，形成器件的源极、栅极、漏极。
本方案的工艺中，只需一次金属沉积，可同时形成底栅晶体管与顶栅晶体管的源极、漏极以及顶栅晶体管的栅极，极大地简化了晶体管制造步骤。
5)在介电微纳纤维两端涂覆导电介质，引出顶栅电极。
步骤二得到的纤维能够将源、漏电极与引出的顶栅电极分隔开。常用的导电介质包括银浆，银浆除了有引出顶栅电极的功能，还有固定纤维的功能。当涂覆材料为银浆时，需要进行后续的退火处理。
本方案中，通过电流体直写工艺可以进行图案化的纳米级纤维制备，利用介电微纳纤维得到晶体管沟道，沟道宽度尺寸与纤维直径尺寸相同，可形成纳米级到微米级的沟道。特别是，该纤维可同时作为晶体管的绝缘层。另外，金属真空沉积可同时形成场效应晶体管的源极、漏极和栅极，同时其中的行纤维能够将源漏电极与引出的栅电极分隔开，解决了顶栅电极引出的问题。
在一个优选实施例中，以在PI薄膜上制备并五苯场效应晶体管为例，对本发明的上述制备过程进行具体说明，但本发明的场效应管的制备中的材料选择以及场效应管的类型并不限于此。图2展示的是在PI薄膜上制备场效应晶体管的工艺流程图。
该方案的具体制备过程包括：
(1)清洗PI膜，膜厚优选为75μm。
(2)蒸镀并五苯作为有机半导体层。
该步骤中，优选工艺参数为：沉积速率0.5nm/s，蒸镀压强1.33e-5Pa，基板温度80℃，基底转速10rpm。另外，优选并五苯层厚度为～80nm。
(3)配置PVDF溶液并喷印，得到平行的行纤维。
该步骤中，优选配置18％的PVDF溶液，溶剂选用DMF和丙酮混合溶剂，其中m(DMF):m(丙酮)＝5:5，温度为40℃，搅拌6h，静置2h。
利用电流体直写的定位技术在有机半导体层表面打印接触角大于90°、表面光滑的PVDF纤维。电流体直写工艺参数如下：
优选喷嘴与基板的距离：5-10mm，电压：1.5kv～1.7kv，流量：300～500nl/mim，针头23G，基板速度：270～300mm/s。所得到的纤维直径：～800nm～4μm。
(4)配置具有介电性质的PVDF/PVP电流体直写溶液并喷印，得到平行的介电微纳纤维。
本步骤中，溶液配置参数优选如下：浓度为18％，m(PVDF)：m(PVP)＝6:4，m(DMF):m(丙酮)＝5:5，T＜40℃，搅拌6h，静置3h。
优选喷印参数如下：喷嘴与基板的距离：15-22mm，电压：1.6kv-2.0kv，流量：300～500nl/mim，针头23G，基板速度：270～400mm/s。所得到的纤维直径：～900nm～3μm。
(5)待喷印纤维干燥之后，采用磁控溅射方法透过镂空掩膜溅射Au膜。该步骤中，优选具体工艺参数为：抽真空压强5.8e-3，溅射压强0.55Pa，时间8min，功率100W，得到的膜厚例如为～500nm。
(6)在PVDF/PVP纤维两端涂覆银浆，并在100℃条件下退火1h，即可完成场效应管的制备。
需要说明的是，该实施例中的各项步骤中的具体工艺参数的取值仅是用于示例性解释，并不用于限定本发明，本发明的制备过程中材料、场效应管类型以及对应的工艺参数的取值范围可根据实际需要进行选择。
在一个实施例中，以在Si/SiO2基板上制备poly(3-hexylthiophene)(P3HT)双栅晶体管为例，对本发明的上述方案的制备过程进行详细说明，但本发明的场效应管的制备中的材料选择以及场效应管的类型并不限于此。图3展示的是在Si/SiO2基板上制备poly(3-hexylthiophene)(P3HT)双栅晶体管的工艺流程图。
该方案的具体制备过程包括：
(1)选用高度掺杂的n型Si(栅极)，热生长例如300nm的SiO2(绝缘层)作为基板。
先后用丙酮、乙醇、水分别超声波清洗例如15min，超声波清洗功率例如为80W，并接着进行表面SAM修饰。
具体修饰方法为：在Si/SiO2基板上旋涂HMDS。优选HMDS的浓度为100％，旋涂的速度为5000rpm，持续时间为60秒，然后把制备好的样品放入例如60℃的真空烘箱内处理例如26小时，形成HMDSSAMs。
(2)在Si/SiO2基板表面制备P3HT半导体薄膜。
优选配置1wt％的P3HT溶液，溶剂选用无水氯苯，具体溶解方法例如为50℃避光水浴，时间例如为3h；接着用一次性过滤器(例如0.2u、有机系)过滤；最后进行P3HT旋涂(例如2000rpm)形成例如50nm薄膜，并在例如100℃真空环境下退火例如1h。
(3)配置PVDF电流体直写溶液并喷印，得到平行的行纤维
优选配置18％的PVDF溶液，溶剂例如选用DMF和丙酮混合溶剂，其中m(DMF):m(丙酮)＝5:5，温度例如为40℃，搅拌例如6h，静置例如2h。
利用电流体直写的定位技术在有机半导体层表面打印接触角大于90°、表面光滑的PVDF纤维。电流体直写工艺参数如下：
优选喷嘴与基板的距离：5-10mm，电压：1.5kv～1.7kv，流量：300～500nl/mim，针头23G，基板速度：270～300mm/s。所得到的纤维直径：～800nm～4μm。
(4)配置具有介电性质的PVDF/PVP电流体直写溶液并喷印，得到列纤维。
优选溶液配置参数如下：浓度为18％，m(PVDF)：m(PVP)＝6:4，m(DMF):m(丙酮)＝5:5，T＜40℃，搅拌6h，静置3h
以例如PVDF/PVP溶液为墨液，利用电流体直写的定位技术在有机半导体层表面打印接触角大于90°、表面光滑的平行的列纤维。
优选喷印工艺参数如下：喷嘴与基板的距离：15-22mm，电压：1.6kv-2.0kv，流量：300～500nl/mim，针头23G，基板速度：270～400mm/s。所得到的纤维直径：～900nm～3μm。
(5)待PVDF/PVP纤维干燥之后，在其上进行金属真空沉积。采用的金属材料例如为Au，采用磁控溅射方法镀膜，镀膜工艺参数：
优选抽真空压强5.8e-3，溅射压强0.55Pa，时间8min，功率100W，得到的膜厚例如为～500nm。
(6)在PVDF/PVP纤维两端涂覆银浆，并在例如100℃条件下退火例如1h，即可完成场效应管的制备。
需要说明的是，该实施例中的各项步骤中的具体工艺参数的取值仅是用于示例性解释，并不用于限定本发明，本发明的制备过程中材料、场效应管类型以及对应的工艺参数的取值范围可根据实际需要进行选择。
本发明提出的基于介电微纳纤维的无掩膜制备场效应管的方法极大地简化了晶体管的加工步骤和制造成本，其步骤简单，成本低廉，能够很容易地得到亚微米甚至纳米级的沟道。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种场效应晶体管的制备方法，其包括：
在基板上制备有机半导体薄膜；
采用电流体直写工艺，在基板上喷印，得到平行排列的多条直线纤维；
对具有介电性质的聚合物溶液进行电流体喷印，得到多条平行排列、位于所述直线纤维之上并与所述直线纤维垂直的介电微纳纤维，从而在半导体层上形成网格状的纤维层；
在所述网格状的纤维层上进行金属真空沉积；以及
在介电纤维两端涂覆导电介质，引出顶栅电极，进而即可得到场效应管。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述介电微纳纤维与半导体层的接触角大于90°。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述介电微纳纤维的直径为微米级或纳米级。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其中，所述基板为刚性基板或柔性基板。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其中，具有介电性质的聚合物包括但不限于PS、PVP、PMMA、PVDF和PVA。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其中，所述基板可以进行表面处理，例如紫外臭氧清洗和自组装分子层(SAM)修饰，以提高基板电学性能。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其中，采用有机半导体材料形成半导体薄膜，其中有机半导体材料可以为所述共轭聚合物或小分子材料。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其中，金属沉积薄膜的厚度小于基板上纤维的高度，从而使沉积的金属分离，形成器件的源极、栅极、漏极。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法，其中，所述导电介质为银浆。
10.一种场效应晶体管，其采用权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到。
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