CN1387267A - 具有短沟道的有机半导体器件 - Google Patents
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Abstract
三端器件包括第一电极、第二电极、栅极以及与第一电极和第二电极相连的有源沟道。该有源沟道具有含有多个耦合键的有机分子。与多个耦合键相关的不定域π轨道垂直于该层键合延伸。
Description
技术领域
本发明涉及具有有源有机沟道以及3个或更多个端子的半导体器件。
现有技术
对有机电路方面的许多兴趣是由于有机电路具有理想的机械性能并且可以利用廉价制造技术制造这种有机电路。典型的理想机械性能包括：与通常利用塑料衬底制造电路有关的机械柔性、重量轻性以及机械坚固耐用性。典型廉价制造技术有：开盘式(reel-to-reel)制造、溶液淀积方法、特征图形印刷方法以及分层构造方法。
有源有机器件具有有源半导体沟道以及3个或更多个电极。有源有机半导体沟道将两个电极连接在一起并且其导电性可以将电压施加到其第三个电极。通常将其第三个电极简称为栅电极。具有3个电极的典型有源有机器件是有机场效应晶体管(FET)。
因为有机FET的特性通常比无机FET的特性差得多，所以将研究目标定在改善有机FET的运行特性。有机FET通常比无机FET差的两个特性是有源有机沟道的迁移率和漏极电流的开-关比。有机FET的这两个特性通常至少比非FET的这两个特性低一个数量级。
如果这两个特性的数值接近无机FET的这两个特性，则会消除基于有机FET的电路产生的几个问题。为此，如果有源有机器件的运行特性接近有源无机器件的运行特性，则理想机械性能和因为许多有机器件节省的成本会刺激对有机电路的需求。
发明内容
采用本发明原理的各种有源有机器件的有源有机沟道比传统有源有机器件的有源有机沟道短。沟道长度是沟道内有机分子长度的一倍，最多是几倍。沟道内有机分子的长轴沿着导电方向，而不是象传统有机FET那样垂直于导电方向。有源沟道的长度短和/或其内各分子的排列会使有机FET的这些实施例具有与基于硅的FET大致相同的迁移率和/或漏极电流的开-关比。
采用本发明原理的另一个有源有机器件具有包括多个耦合键有机分子层的有源有机沟道。与多个耦合键有关的不定域π轨道垂直延伸到该层。
采用本发明原理的另一个有源有机器件具有包括有机分子的有源有机沟道。至少部分有机分子化学键合到器件的一个电极。
采用本发明原理的另一个实施例的特征在于，构造有机晶体管的方法。该方法包括：设置源极或漏极；以及在源极或漏极上形成有机分子层。在形成电极和有机分子层后，该方法还包括在有机分子层的自由表面上形成剩余的源极和漏极。
附图说明
图1示出具有阶梯式布局并采用本发明原理的有机场效应晶体管(OFET)的剖视图；
图2示出图1所示的一种OFET的有源沟道的放大剖视图；
图3示出图1所示的一种OFET的有源沟道的典型分子；
图4示出图2所示的OFET的漏极电流/漏极电压特性；
图5示出同一个OFET的漏极电流如何随栅极电压发生变化；
图6示出对于同一个OFET，根据栅极电压变化的漏极电流如何随温度发生变化；
图7示出采用本发明原理制造OFET的有源沟道的制造方法的流程图；
图8示出采用本发明原理制造图1和图2所示类型OFET的制造方法的流程图；
图9示出具有图1和图2所示类型OFET的反相电路；
图10示出图9所示反相电路的电压增益特性；
图11示出具有平面布局并采用本发明原理的OFET的剖视图；
图12示出图11所示OFET的n型实施例有源沟道的有机分子；
图13示出图11所示OFET的p型实施例有源沟道的有机分子；
图14和图15示出具有4，4’联苯二硫酚(biphenyldithiol)和图11所示布局的有源沟道的OFET的漏极电流/漏极电压特性；
图16示出具有垂直布局并采用本发明原理的OFET的剖视图；
图17示出根据本发明原理制造图16所示OFET的制造方法的流程图；以及
图18示出利用分层方法生产的图17所示OFET结构的剖视图。
具体实施方式
图1示出在导电衬底12上形成阶梯式结构的有机场效应晶体管(OFER)10。阶梯式结构包括用于覆盖衬底12的阶梯的介质层14。衬底12和介质层14构成OFET10的栅极结构。典型衬底12包括有机导体和无机导体(例如：金属)或作用类似于导体的重掺杂硅。典型介质层14包括无机层和有机层，例如：SiO2层或SiO2(CH2)NCO2层。
阶梯式结构包括被叠层式沟道结构覆盖的水平区16。在水平区16之外，沟道结构的叠层级是介质层14、金源极18、有源沟道层20以及金漏极22。有源沟道层20包括一层或多层被对准的对准有机分子。有源沟道层20的导电性依赖于以与对传统FET(未示出)的导电沟道的栅极施加电压的同样方式对相邻栅极22施加的电压。
图2示出图1所示OFET 10的沟道层20的放大图。沟道层20是自装配(self-assemble)单层有机分子，沿方向“z”对准其分子长轴，方向“z”垂直于沟道层20表面并且沿着沟道的导电方向。各分子具有多个其π轨道形成垂直于沟道层20延伸的不定域电荷云(delocalizedcloud)的耦合键。分子π轨道云形成大致桥接源极18和漏极22的相邻表面26与28之间的间隙的导电通道。在沟道层20内，不是象传统OFET那样利用相邻分子π轨道之间的重叠在分子间实现导电，而是利用多个耦合键，通过对准分子实现分子内部导电。通过亚硫酸盐键，沟道层20的各分子与相邻金属表面26、28分子键合。晶体管10的有源沟道的长度d短，即小于30(nm)，因为该沟道是其宽度为一个分子长度的单层沟道。对于自装配单层沟道，典型沟道长度d约为1nm至3nm。
沟道层20包括靠近与介质层14的接口29的薄区域。该区域有几个分子厚，并使该沟道具有随施加到衬底12上的电压，即随施加到栅极上的电压变化的电导率。
图3示出具有图1所示布局的OFET 10使用的、具有多个耦合键的几种分子30。在有源沟道内，分子30以单层排列。在单层中，分子30的长轴分子LA对准沟道导电方向z，如图2所示。因此，OFET10的这些实施例具有其长度d由形成沟道的分子30的长度确定的短沟道。典型的沟道长度d小于30nm，并且最好小于约15nm。
OFET 10的其它实施例的有源沟道具有两层或更多层含有多个耦合键(未示出)的分子。有源沟道长度保持小于30nm并且最好小于约15nm。有源沟道长度最好小于或等于3个分子长度。
图4示出图2所示晶体管10在室温条件下的漏极电流/漏极电压特性32。特性32具有说明典型FET特性的欧姆区34和饱和区36。特性32也以p型FET方式依赖于栅极电压。
图5示出在室温条件下图2所示OFET 10的沟道电流在欧姆区内如何随栅极电压变化的数据38。数据38说明OFET 10具有p型电导率。如果栅极电压变化0.4伏，则沟道电流变化约105倍。
在室温条件下，图1所示OFET 10的测量特性对应于约250-300cm2/V-秒的。这些大迁移率接近等于硅FET内空穴移动的迁移率。
图6示出同一个OFET 10实施例的沟道电流随栅极电压变化与温度的关系。
图7示出制造图1所示OFET 10的沟道部分的制造方法40的流程图。制造方法40包括在衬底上淀积金属电极，即：源极18或漏极22(步骤42)。淀积过程包括汽化金以产生淀积。在形成电极后，制造方法40包括，例如利用溶解方法在淀积电极上形成具有多个耦合键的自装配单层有机分子，即：层20(步骤44)。单层分子的长分子轴垂直于单层表面，因此不定域π轨道穿过单层、垂直于单层延伸。单层分子还具有端子电抗组，它形成与电极相连的连接，从而使单层稳定。在形成的单层上，该方法40包括形成另一个金属电极，例如：剩余源极18或漏极22(步骤46)。形成剩余电极的过程包括冷却形成的单层，以致新淀积的金属原子不会影响单层内分子的排列。
图8示出制造图1所示OFET 10的制造方法50的流程图。利用标准光刻技术，在衬底12(例如：掺杂硅衬底)表面形成垂直阶梯(步骤52)。制造方法50还包括在阶梯上热生长氧化层，例如约30nm的SiO2以产生栅极介质层14的步骤(步骤54)。制造方法50包括在覆盖阶梯水平区16的部分栅极介质层14上淀积金源极18的步骤(步骤56)。电极淀积过程包括热汽化金的过程。制造方法50包括，在源极18上形成自装配单层分子20的步骤(步骤58)。单层分子20具有垂直于并大致穿过单层20延伸而且具有键合到金源极18使单层稳定的端子硫醇(terminal thiol)或异氰化物端组(isocyanide endgroup)的不定域π轨道。在对结构进行冷却时，制造方法50包括，通过以小角度将金汽化到单层20上，形成漏极22的步骤(步骤60)。此外，单层分子20上的端子硫醇或异氰化物端组与金漏极22键合最后使沟道结构本身稳定。
图1和图2所示的OFET 10可以用于各种电路和装置内。
图9示出采用图1和图2所示布局的两个OFET 64、66的倒相器62。两个OFET 64、66具有4，4’联苯二硫酚的有源沟道层20。OFET64、66串联在电源电压Vs与地线之间。OFET 64的源极和栅极短路，因此作为负载。OFET 66的栅极作为倒相器62的输入端，OFET 66的源极作为倒相器62的输出端。
图10示出图9所示的倒相器62的增益特性68。倒相器62具有沟道断开状态，在该状态下，输出电压Vout接近-2V，即Vs；沟道接通状态，在该状态下，输出电压Vout接近0V，即地电压。在沟道接通状态，Vout对应于约为6的电压增益。
在典型数字逻辑电路中，倒相器62用作标准部件。在这种电路中，输出电压Vout＝-2和Vout＝0分别是表示逻辑1和0的电压值。
具有短有源有机沟道的OFET还存在其它布局。
图11示出有机FET 80的薄膜布局。FET 80包括作为栅极的平导电衬底82，例如，重掺杂硅或有机导体。栅极层84覆盖衬底82的平坦表面。典型介质包括氧化物、有机介质以及自装配为单层的有机介质。在栅极层84的表面上设置源极86和漏极88。栅极介质层84将电极86、88与衬底82绝缘。沟道90将源极86与漏极88分离。由绝缘双耦合键的单层有机分子形成沟道90。
单层90具有将分子固定在其内使长轴垂直于单层90以致不定域π轨道也垂直于单层90延伸的有机结构。分子的端子硫醇或异氰化物端组使单层90稳定并确定其内的分子方向。端子组与源极86和漏极88键合在一起。
沟道90的各种实施例采用不同分子以在OFET 80内产生n型特性或p型特性。图12示出用于沟道90例如通常在FET 80内产生n型特性的分子92。图13示出用于沟道90例如通常在FET 80内产生p型特性的分子94。图12和图13还示出分子92和分子94的长轴方向L。
图14和图15示出具有图11所示布局和由4，4’联苯二硫酚形成的沟道90的典型OFET 80的漏极电流/漏极电压特性96、97。特性96和97对应于典型FET的负栅极电压。特性97示出欧姆区98、饱和区99。OFET 80具有典型FET特性。
图16示出具有垂直布局的OFET 110的剖视图。OFET 110包括作为栅极结构的半导体衬底82和介质层84。栅极结构支持垂直沟道结构120。垂直沟道结构120包括介质侧支撑112、金源极114、金漏极116以及有机分子自装配层118。侧支撑是介质，例如塑料。自装配层118的分子具有双耦合键，并且这样排列自装配层118的分子从而使长轴横切电极114、116的相邻表面，以致分子轨道垂直于自装配层118延伸。
一个OFET 110利用有机分子自装配单层制造栅极介质层84并利用硅胶制造侧支撑112。由于栅极介质层84与侧支撑112组合在一起，所以将沟道结构120垂直下推到栅极介质层84的表面会导致侧支撑112与栅极介质层84实现物理接合。
图17示出制造图16所示OFET 110的淀积制造方法130的流程图。制造方法130包括利用叠层方法形成夹层结构(步骤132)。叠层方法包括通过在硅胶薄板上汽化淀积金形成两个多层板。在一个多层板上淀积单层具有多个耦合键的分子。该分子具有与淀积金键合以使单层稳定的端子硫醇或异氰化物端组。为了形成夹层结构，这样叠层这两个多层板，以致该单层与两层金相邻。单层分子上的端子硫醇或异氰化物端组与第二金层键合，从而使夹层结构保持在一起。制造方法130包括将夹层结构切开以形成沟道结构120，如图19所示(步骤134)。然后，将沟道结构120垂直压到介质层84上以在沟道结构120与栅极介质层84之间形成保角接触(conformal contact)。如果栅极介质层84由硅胶制成，则将沟道结构120压入栅极介质层84可以固定沟道结构120与栅极介质层84之间的物理关系。同样，在OFET110上淀积一层(未示出)以永久固定沟道结构120与栅极结构82、84之间的物理关系。
在另一个实施例中，图1、图11和图16所示的多端子器件10、80、120包括4个或更多个电极。例如，有些实施例具有两个或更多个栅极以控制有源沟道的不同部分。
显然，根据本说明书、附图以及权利要求，本技术领域内的熟练技术人员还可以设想出其它实施例。
Claims (10)
1.一种装置，该装置包括：
第一电极；
第二电极；
第三电极；以及
有源沟道，位于第二电极与第三电极之间，该有源沟道具有一层含有多个耦合键和垂直于该层延伸的不定域π轨道的有机分子，该有源沟道的电导率依赖于对第一电极施加的电压。
2.一种有机晶体管，该有机晶体管包括：
漏极；
源极；
有机分子有源沟道，位于源极与漏极之间，该有源沟道的长度比一个有机分子的长度短3倍；
绝缘层，与有源沟道的边缘相邻；以及
栅极，与该层相邻并可以施加改变有源沟道电导率的电压。
3.根据权利要求2所述的晶体管，其中有机分子具有垂直于源极和漏极之一的相邻表面的长轴。
4.一种有机晶体管，该有机晶体管包括：
漏极；
源极；
有机分子有源沟道，位于源极与漏极之间，该有源沟道的长度约短于30纳米；
绝缘层，与有源沟道的边缘相邻；以及
栅极，与该层相邻并可以改变有源沟道的电导率。
5.根据权利要求4所述的晶体管，其中有机分子具有垂直于源极和漏极之一的相邻表面的长轴。
6.一种有源有机器件，该有源有机器件包括：
第一电极；
第二电极；
第三电极；
有源沟道，位于第二电极与第三电极之间，部分分子至少与第一电极和第二电极之一化学键合；
绝缘层，与有源沟道的边缘相邻；以及
栅极，与该层相邻并可以改变有源沟道的电导率。
7.一种有机晶体管，该有机晶体管包括：
漏极；
源极；
有机分子有源沟道，位于源极与漏极之间，该分子具有垂直于电极相邻表面的长轴；
绝缘层，与有源沟道的边缘相邻；以及
栅极，与该层相邻并可以改变有源沟道的电导率。
8.一种构造有机晶体管的方法，该方法包括：
设置源极和漏极之一；
在源极和漏极之一上形成有机分子层；以及
然后，在该层的自由表面上设置另一个源极和漏极。
9.根据权利要求8所述的方法，其中该层是单层。
10.根据权利要求8所述的方法，其中形成分子长轴的位置垂直于源极和漏极之一的表面。
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