CN108011042A - 双层有源层薄膜晶体管及制备方法 - Google Patents

双层有源层薄膜晶体管及制备方法 Download PDF

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匡鹏
陶斯禄
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    • H10K10/484Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions
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Abstract

双层有源层薄膜晶体管及制备方法,属于半导体技术领域,特别涉及薄膜晶体管技术。本发明的晶体管包括顺次设置的下述各层:衬底玻璃、绝缘层、P型有机小分子场效应材料层和N型半导体材料层,N型半导体材料层上设置有源极和漏极,所述N型半导体材料层的材质为F16CuPc,所述P型有机小分子场效应材料层的材质为Pentacene。本发明的有益效果是,由于异质结有源层的存在,双层有机薄膜中的空穴和电子同时注入导电沟道中,提高载流子数量,使器件饱和电流有很大提升,同时也降低了薄膜晶体管的开启电压,有效的提升了器件性能。

Description

双层有源层薄膜晶体管及制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域,特别涉及薄膜晶体管技术。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)作为20世纪最伟大的发明之一,被广泛应用于诸多领域,在过去的十几年里已经成为电子平板显示行业的核心部件,其在射频电子标签、电子电路和传感器等方面的应用价值也备受关注。为满足电子产业的发展和商业化的需求,薄膜晶体管器件在尺寸上也不断追求微型化,在器件不断微型化的过程中,既要考虑短沟道效应,又要在较低的电压下尽量使沟道里富集较多的电荷,从而获得较高的输出电流。
异质结双层有源层薄膜晶体管,有源层采用一种n型半导体和一种p型半导体形成异质结导电沟道,两层有机薄膜中的空穴和电子同时注入导电沟道中,而空穴和电子很难通过两层薄膜接触界面间的势垒,在栅极偏压的影响下,不会相互中和,而是独立地平行传输,显著提高了沟道中传输载流子的浓度,进而提高了器件的电学性能。双层有机薄膜中,当第一层n型有机半导体薄膜的厚度固定时,异质结的厚度由第二层P型半导体的厚度决定。随着p型薄膜厚度的增加,异质结作用区域逐渐增加,器件的源/漏电流增大;超过一定厚度之后,异质结界面间的接触势垒不能再阻挡n型半导体和p型半导体间空穴和电子的渗透,因而会使部分载流子发生中和效应,显著降低导电沟道中载流子的浓度。同时,有源层薄膜厚度增加会分担一定的栅极偏压,增大源/漏电极间的接触电阻,使OTFT器件的电学性能明显降低。因此,选择适当的厚度,便可以明显提升薄膜晶体管的电学性能,实现高性能有机薄膜晶体管的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种具有较高饱和电流的双层有源层薄膜晶体管及制备方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是,双层有源层薄膜晶体管,其特征在于,包括顺次设置的下述各层:衬底玻璃、绝缘层、P型有机小分子场效应材料层和N型半导体材料层,N型半导体材料层上设置有源极和漏极,
所述N型半导体材料层的材质为F16CuPc,所述P型有机小分子场效应材料层的材质为Pentacene。
所述P型有机小分子场效应材料层的厚度为20nm~40nm,所述N型半导体材料层的厚度为5nm~15nm。
本发明中采用的符号“~”所表示的数值范围包含端点值,例如,5nm~15nm的范围,包含了5nm和15nm两个值。
本发明的双层有源层薄膜晶体管制备方法包括下述步骤:
1)清洗ITO玻璃衬底;
2)制备PMMA绝缘层:将PMMA溶液旋涂在ITO玻璃衬底上,100℃~120℃条件下退火60min;
3)蒸镀Pentacene有源层:气压低于3×10-4Pa,对Pentacene加热升温至170℃~190℃,以的蒸镀速率形成厚度为20nm~40nm的Pentacene薄膜;
4)蒸镀F16CuPc有源层:加热升温至350℃左右,以的蒸镀速率,在Pentacene有源层上形成厚度为5nm~15nm的F16CuPc薄膜;
5)制备源极和漏极:以Au作为源极和漏极的电极材料,真空蒸镀形成源极和漏极。
本发明的有益效果是,由于异质结有源层的存在,双层有机薄膜中的空穴和电子同时注入导电沟道中,提高载流子数量,使器件饱和电流有很大提升,同时也降低了薄膜晶体管的开启电压,有效的提升了器件性能。
附图说明
图1为本发明的器件结构示意图。
图2为对比技术的转移特性曲线图。
图3为本发明的转移特性曲线图。
具体实施方式
实施例1
双层有源层薄膜晶体管,其特征在于,包括顺次设置的下述各层:衬底玻璃、绝缘层、P型有机小分子场效应材料层和N型半导体材料层,N型半导体材料层上设置有源极和漏极,所述N型半导体材料层的材质为F16CuPc,所述P型有机小分子场效应材料层的材质为Pentacene。所述P型有机小分子场效应材料层的厚度为20nm~40nm,所述N型半导体材料层的厚度为5nm~15nm,所述绝缘层材料为PMMA。
实施例2
ITO/PMMA/Pentacene/F16CuPc/Au结构的晶体管的制备方法,包括以下步骤:
1)基片清洗:(1)设置好超声仪参数:温度30℃,时间20min,功率70w;(2)用无尘布沾上丙酮擦拭ITO玻璃衬底表面,直到肉眼观察到无颗粒杂质为止;(3)将擦洗干净的ITO玻璃衬底放置在聚四氟乙烯基片架上,再放入装有洗洁精水的烧杯中进行第一步超声清洗;(4)取出基片架,放入装有去离子水的烧杯中进行第二步超声清洗;(5)接着再放入装有丙酮的烧杯中进行第三步超声清洗;(6)最后用无水乙醇对ITO玻璃衬底进行第四步超声清洗。(7)用氮气将ITO玻璃衬底吹干。
2)制备PMMA绝缘层:将PMMA溶液均匀滴注在ITO玻璃衬底上,以2000rpm的转速旋涂40s,然后在100℃~120℃条件下退火60min,得到所需的绝缘层。
3)制备有源层:采用真空蒸镀的方法制备,首先蒸镀Pentacene有源层,首先将基片放入真空腔里,待蒸镀室气压低于3×10-4Pa以下,开始对Pentacene程序加热升温至180℃左右,以大约的蒸镀速率得到厚度为20nm左右的Pentacene薄膜。接着在Pentacene有源层上蒸镀F16CuPc有源层材料,加热升温至350℃左右,以大约 的蒸镀速率得到厚度为10nm左右的F16CuPc薄膜。
4)制备源极和漏极:以Au作为源极和漏极的电极材料,同样采用真空蒸镀的方法制备。将基片放入真空腔里,待蒸镀室气压低于3×10-4Pa以下,以的蒸镀速率,待厚度达到10nm之后,调整蒸镀速率至直到蒸镀结束。
Pentacene为P型有机小分子场效应材料,Pentacene是线形稠环芳香烃的典型代表,也是有机半导体材料中的佼佼者。其分子式为C22H14,最高占据轨道(HOMO)能级为-5.14eV,能级带隙(Eg)为1.77eV。
F16CuPc是一种具有高迁移率的且在空气中稳定的N型半导体材料,其分子式为C32CuF16N8,在有机互补性氧化物半导体、集成电路、双极型晶体管方面具有很高的潜在利用价值。最高占据轨道(HOMO)能级为-6.3eV,最低未占轨道(LUMO)能级为-4.8eV。
PMMA是一种有机化合物,溶于有机溶剂,如丙酮,氯仿,二氯甲烷,苯酚,苯甲醚等,通过旋涂可以形成良好的薄膜,具有良好的介电性能,常用来作为有机薄膜晶体管的介电层。
图2是对比技术的转移特性曲线图。其结构为ITO/PMMA/Pentacene/Au,本发明的转移特性曲线见图3,从图2、图3的对比可知,由于异质结有源层的存在,双层有机薄膜中的空穴和电子同时注入导电沟道中,提高载流子数量,使器件饱和电流有很大提升,同时也降低了薄膜晶体管的操作电压,有效的提升了器件性能。

Claims (3)

1.双层有源层薄膜晶体管,其特征在于,包括顺次设置的下述各层:衬底玻璃、绝缘层、P型有机小分子场效应材料层和N型半导体材料层,N型半导体材料层上设置有源极和漏极,
所述N型半导体材料层的材质为F16CuPc,所述P型有机小分子场效应材料层的材质为Pentacene。
2.如权利要求1所述的双层有源层薄膜晶体管,其特征在于,所述P型有机小分子场效应材料层的厚度为20nm~40nm,所述N型半导体材料层的厚度为5nm~15nm。
3.双层有源层薄膜晶体管的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
1)清洗ITO玻璃衬底;
2)制备PMMA绝缘层:将PMMA溶液旋涂在ITO玻璃衬底上,100℃~120℃条件下退火60min;
3)蒸镀Pentacene有源层:气压低于3×10-4Pa,对Pentacene加热升温至170℃~190℃,以的蒸镀速率形成厚度为20nm~40nm的Pentacene薄膜;
4)蒸镀F16CuPc有源层:加热升温至350℃左右,以的蒸镀速率,在Pentacene有源层上形成厚度为5nm~15nm的F16CuPc薄膜;
5)制备源极和漏极:以Au作为源极和漏极的电极材料,真空蒸镀形成源极和漏极。
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