TW201327781A - 雙載子反相器元件結構及其製造方法 - Google Patents

雙載子反相器元件結構及其製造方法 Download PDF

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Abstract

一種雙載子反相器元件結構。閘極配置於基板上。二個第一電極配置於基板上、位於閘極的兩側且位於第一平面。二個第二電極配置於基板上、位於閘極的兩側且位於第二平面，其中第一電極其中一個與第二電極其中一個電性連接。雙極性半導體層配置於第一平面與第二平面之間。第一載子阻擋層配置於雙極性半導體層與第一電極之間。第二載子阻擋層配置於雙極性半導體層與第二電極之間。介電層配置於閘極及第二電極之間。亦提出雙載子反相器元件結構的製造方法。

Description

雙載子反相器元件結構及其製造方法
本發明是有關於一種半導體元件及其製造方法，且特別是有關於一種雙載子反相器元件結構及其製造方法。
反相器(inverter)為積體電路中一個基礎的元件。反相器可以將輸入信號的相位反轉180度，這種電路應用在模擬電路，例如音頻放大、時鐘振盪器等。在電子線路設計中，經常需要用到反相器。
一般而言，製作反相器有兩種方式。第一種是製作單極性反相器，其直接由兩個單極性的電晶體(PMOS或NMOS)組成互補邏輯。由於是單一型態PMOS或NMOS直接建構而成，所以源/汲極電極只需一種金屬，而主動層材料也只需單一型態(P型或N型)材料，故其優點是可簡化製程，但缺點是訊號容易失真，並有較高功率消耗。
第二種方式較為常見，是同時串接N型及P型有機薄膜電晶體組成互補性反相器電路，其優勢除了有低功率消耗，並具備高穩定性和較高的雜噪寬容度。然而，如何將N型及P型主動層同時製作於同一個基板上，又必須進行個別的圖案化製程，當中要避免每一層材料特性受到損壞是相當有難度的。
在上述兩種方式中，無論是兩個單一極性的電晶體或是兩個不同極性的電晶體組成CMOS反相器，都是需要兩個元件來組合，其較佔面積，且製程較為複雜。
有鑑於此，本發明提供一種雙載子反相器元件結構，其為垂直式配置，可大幅縮減使用面積。
本發明另提供一種雙載子反相器元件結構的製造方法，僅利用一次圖案化步驟即定義出同時供N型元件與P型元件使用的半導體層，可有效簡化製程及提升元件效能。
本發明提出一種雙載子反相器元件結構，包括閘極、二個第一電極、二個第二電極、雙極性半導體層、第一載子阻擋層、第二載子阻擋層及介電層。閘極配置於基板上。第一電極配置於基板上、位於閘極的兩側且位於第一平面。第二電極配置於基板上、位於閘極的兩側且位於第二平面，其中第一電極其中一個與第二電極其中一個電性連接。雙極性半導體層配置於第一平面與第二平面之間。第一載子阻擋層配置於雙極性半導體層與第一電極之間。第二載子阻擋層配置於雙極性半導體層與第二電極之間。介電層配置於閘極及第二電極之間。
在本發明之一實施例中，上述第一電極及第二電極位於閘極下方。
在本發明之一實施例中，上述第一平面低於第二平面。
在本發明之一實施例中，上述第一電極及第二電極位於閘極上方。
在本發明之一實施例中，上述第一平面高於第二平面。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體層是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體層是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成。
在本發明之一實施例中，當上述第一載子阻擋層為電子阻擋層，第二載子阻擋層為電洞阻擋層；或當第一載子阻擋層為電洞阻擋層，第二載子阻擋材層為電子阻擋層。
在本發明之一實施例中，上述第一載子阻擋層或第二載子阻擋層為電子阻擋層時，電子阻擋層是由無機材料或有機材料所組成。在本發明之一實施例中，上述無機材料包括WO3、V2O5或MoO3。有機材料包括4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(BALq)。
在本發明之一實施例中，上述第一載子阻擋層或第二載子阻擋層為電洞阻擋層時，電洞阻擋層是由無機材料或有機材料所組成。無機材料包括LiF、CsF或TiO2。有機材料包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(BCP)。
本發明另提出一種雙載子反相器元件結構的製造方法。於基板上形成二個第一電極。於基板上依序形成第一載子阻擋材料層、雙極性半導體材料層及第二載子阻擋材料層，以覆蓋第一電極。將第一載子阻擋材料層、雙極性半導體材料層及第二載子阻擋材料層圖案化，以形成裸露出一個第一電極之一部分的堆疊結構。於基板上形成二個第二電極，其中第一電極其中一個與第二電極其中一個電性連接。於基底上形成介電層，以覆蓋堆疊結構及第二電極。於第二電極之間的介電層上形成閘極。
在本發明之一實施例中，於上述基板上形成第二電極的方法包括：於基底上形成電極層，以覆蓋堆疊結構及第一電極之經裸露表面；於電極層上形成圖案化光阻層；以圖案化光阻層為罩幕，移除部分電極層，以形成第二電極，且一個第二電極沿堆疊結構的側壁與第一電極之經裸露表面連接；以及移除圖案化光阻層。
在本發明之一實施例中，形成上述第一載子阻擋材料層及第二載子阻擋材料層的方法各自包括蒸鍍法。
在本發明之一實施例中，形成上述雙極性半導體材料層的方法包括進行蒸鍍法、共蒸鍍法或溶液製程。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。
本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。
本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成。
本發明之一實施例中，當上述第一載子阻擋材料層為電子阻擋材料層，第二載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層；或當第一載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層，第二載子阻擋材料層為電子阻擋材料層。
在本發明之一實施例中，上述第一載子阻擋材料層或第二載子阻擋材料層為電子阻擋材料層時，電子阻擋材料層是由無機材料或有機材料所組成。在本發明之一實施例中，上述無機材料包括WO3、V2O5或MoO3。有機材料包括4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(BALq)。
在本發明之一實施例中，上述第一載子阻擋材料層或第二載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層時，電洞阻擋材料層是由無機材料或有機材料所組成。無機材料包括LiF、CsF或TiO2。有機材料包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(BCP)。
本發明再提出一種雙載子反相器元件結構的製造方法。於基板上形成閘極。於基板上形成覆蓋閘極的介電層。於介電層上形成二個第一電極。於介電層上依序形成第一載子阻擋材料層、雙極性半導體材料層及第二載子阻擋材料層，以覆蓋第一電極。將第一載子阻擋材料層、雙極性半導體材料層及第二載子阻擋材料層圖案化，以形成裸露出一個第一電極之一部分的堆疊結構。於堆疊結構上形成二個第二電極，其中第一電極其中一個與第一電極其中一個電性連接。
在本發明之一實施例中，於上述基板上形成第二電極的方法包括：於基底上形成電極層，以覆蓋堆疊結構及第一電極之經裸露表面；於電極層上形成圖案化光阻層；以圖案化光阻層為罩幕，移除部分電極層，以形成第二電極，且一個第二電極沿堆疊結構的側壁與第一電極之經裸露表面連接；以及移除圖案化光阻層。
在本發明之一實施例中，形成上述第一載子阻擋材料層及第二載子阻擋材料層的方法各自包括蒸鍍法。
在本發明之一實施例中，形成上述雙極性半導體材料層的方法包括進行蒸鍍法、共蒸鍍法或溶液製程。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。
本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。
本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。
在本發明之一實施例中，上述雙極性半導體材料層是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成。
本發明之一實施例中，當上述第一載子阻擋材料層為電子阻擋材料層，第二載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層；或當第一載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層，第二載子阻擋材料層為電子阻擋材料層。
在本發明之一實施例中，上述第一載子阻擋材料層或第二載子阻擋材料層為電子阻擋材料層時，電子阻擋材料層是由無機材料或有機材料所組成。在本發明之一實施例中，上述無機材料包括WO3、V2O5或MoO3。有機材料包括4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(BALq)。
在本發明之一實施例中，上述第一載子阻擋材料層或第二載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層時，電洞阻擋材料層是由無機材料或有機材料所組成。無機材料包括LiF、CsF或TiO2。有機材料包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(BCP)。
基於上述，藉由於雙極性半導體層的兩側分別配置電子阻擋層及電洞阻擋層，加上四接點的設置，可於單一元件中執行反相器的操作，大幅提升電流開關比，且於低電場操作時不會有明顯電流產生。此外，本發明之製作方法簡單，僅需一次圖案化步驟即可同時定義出供N型元件與P型元件使用的半導體層，可降低習知多次圖案化製程對半導體材料的影響，以有效提升雙載子元件的效能。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明提出一種雙載子反相器元件結構，其在源極/汲極與雙極性半導體層之間加入載子阻擋層(如電子阻擋層或電洞阻擋層)，依阻擋層之特性來限制載子注入，進一步決定元件電性為N型或P型。如此一來，可以從雙極性半導體層中分別萃取出單極性的元件電特性，使其元件操作上如同單極性有機場效電晶體(unipolar OFET)，如此可更適合應用邏輯電路之設計並簡化製程。
本發明之創新結構可用來製作反相器元件，僅需一次圖案化步驟即可同時定義出供N型元件與P型元件使用的半導體層，大幅簡化製程及提昇競爭力。將列舉兩個實施例說明如下。
第一實施例
圖1A~1D為依據本發明第一實施例所繪示之雙載子反相器元件結構之製造方法的剖面示意圖。
請參照圖1A，於基板100上形成互相分開的電極102a與電極102b。基板100可為硬式基板或可撓式基板。硬式基板的材料例如是玻璃、石英或矽晶圓。可撓式基板之材料例如是塑膠如壓克力、金屬箔(metal foil)或是紙。電極102a與電極102b的形成方法例如是先於基底100上形成電極層(未繪示)，再利用微影與蝕刻製程將電極層圖案化以形成之。電極層之材料例如為金、銀、銅、鋁、鉬、鉻等或其合金。電極層之形成方法包括進行物理氣相沈積製程，如蒸鍍法。在另一實施例中，也可以於基板100上直接形成電極102a與電極102b，例如是以導電油墨噴印方式或其他轉印技術製作。
然後，於基板100上依序形成載子阻擋材料層104、雙極性半導體材料層106、載子阻擋材料層108，以覆蓋電極102a與電極102b。接著，於載子阻擋材料層108上形成圖案化光阻層110。
載子阻擋材料層104、108可以分別為電子阻擋材料層及電洞阻擋材料層(或電子阻擋材料層及電洞阻擋材料層)。當載子阻擋材料層104或108為電子阻擋材料層時，電子阻擋材料層可由無機材料或有機材料所組成。無機材料例如是WO3、V2O5或MoO3。有機材料例如是4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(4',4"-tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino) triphenylamine，m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(bis(2-methyl-8-quinolinolato-N1,O8)-(1,1'-biphenyl-4-olato) aluminum；BALq)。當載子阻擋材料層104或108為電洞阻擋材料層時，電洞阻擋材料層可由無機材料或有機材料所組成。無機材料例如是LiF、CsF或TiO2。有機材料例如是2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline；BCP)。
特別要注意的是，本發明之雙極性半導體材料是指電洞特性及電子特性互相「平衡」的材料。在一實施例中，雙極性半導體材料層106是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。N型有機半導體材料例如是N,N'-雙十三烷基-3,4,9,10-苝四羧酸二醯亞胺(N,N'-ditridecyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide，PTCDI-C13)、碳六十(C60)或6,6-苯基-C61-丁酸甲酯([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester，PCBM)。P型有機半導體材料例如是並五苯(pentacene)或聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene)，P3HT)。N型有機半導體材料與P型有機半導體材料例如是分別由蒸鍍法所形成。在另一實施例中，雙極性半導體材料層106是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。以溶液方式或共蒸鍍法混合上述N型有機半導體材料與P型有機半導體材料以形成之。在又一實施例中，雙極性半導體材料層106是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。具雙極特性之有機半導體材料例如是PDPP-TBT、8,9,10,11-四氯-6,13-雙(三異丙基矽烷基乙炔基)-1-二磺酸(8,9,10,11-tetrachloro-6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-1-azapentacene)，其形成方法例如是進行蒸鍍法及溶液製程。在另一實施例中，雙極性半導體材料層106是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成，其形成方法例如是進行蒸鍍或濺鍍法。N型無機半導體材料例如是IGZO(InGaZnO4)，且P型無機半導體材料例如是SnO。
接著，請參照圖1B，以圖案化光阻層110為罩幕，將載子阻擋材料層104、雙極性半導體材料層106、載子阻擋材料層108圖案化，以形成裸露出電極102b之一部分的堆疊結構112。堆疊結構112包括(由下而上)載子阻擋層104a、雙極性半導體層106a、載子阻擋層108a。之後，移除圖案化光阻層110。
繼之，請參照圖1C，於基底100上形成電極層114以覆蓋堆疊結構112及電極102b之經裸露表面。電極層114之材料例如為金、銀、銅、鋁、鉬、鉻等或其合金。電極層114之形成方法包括進行物理氣相沈積製程，如蒸鍍或濺鍍法。接著，於電極層114上形成圖案化光阻層115。
然後，請參照圖1D，以圖案化光阻層115為罩幕，移除部分電極層114，以於基板100上形成分別對應電極102a、102b之電極114a、114b。之後，移除圖案化光阻層115。此外，電極114a、114b之其中一個與電極102a、102b之其中一個電性連接。
在此實施例中，同一側的電極互相連接。例如，電極114b具有延伸部114c，延伸部114c沿堆疊結構112的側壁與電極102b之經裸露表面連接。在另一實施例中，也可以是不同側的電極互相連接。例如，電極114b與電極102a(或電極114a與電極102b)透過導線(未繪示)彼此電性連接。
之後，於基底100上形成介電層116，以覆蓋堆疊結構112及電極114a、114b。介電層116的形成方法例如是先於基底100上形成介電材料層(未繪示)，再利用微影與蝕刻製程將介電材料層圖案化以形成之。介電層116之材料包括無機介電材料或是有機介電材料。無機介電材料例如是氧化矽或氮化矽等。有機介電材料例如是聚乙烯四氫咯酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)或聚對二甲苯基(parylene)等。介電材料層之形成方法例如是進行化學氣相沈積法、旋轉塗佈法或蒸鍍法。
之後，於電極114a與電極114b之間的介電層116上形成閘極118，其中介電層116將閘極118、電極114a與電極114b隔開。閘極118的形成方法例如是先形成閘極材料層(未繪示)，再利用微影與蝕刻製程將閘極材料層圖案化以形成之。閘極材料層的材料例如是金、銀、銅、鋁、鉬、鉻等或其合金。閘極材料層的形成方法例如是進行物理氣相沈積製程，如蒸鍍或濺鍍法。在另一實施例中，也可以於基板100上直接形成閘極118，例如是以導電油墨噴印方式或其他轉印技術製作。
其後，可在基底100上方形成保護層(未繪示)，以覆蓋閘極118以及介電層116。至此，完成第一實施例之雙載子反相器元件結構10的製作。
如圖1D所示，第一實施例之雙載子反相器元件結構10為上閘極結構。閘極118配置於基板100上。電極102a與電極102b配置於基板100上、位於閘極118的兩側且位於第一平面。電極114a與電極114b配置於基板100上、位於閘極118的兩側且位於第二平面，其中電極102a、102b之其中一個與電極114a、114b之其中一個電性連接。在此實施例中，電極102a與電極114a電性連接。此外，電極102a、102b及電極114a、114b位於閘極118下方，且第一平面低於第二平面。雙極性半導體層106a配置於第一平面與第二平面之間。載子阻擋層104a配置於雙極性半導體層106a及電極102a與電極102b之間。載子阻擋層108a配置於雙極性半導體層106a及電極114a與電極114b之間。介電層116配置於閘極118及電極114a與電極114b之間。
特別要說明的是，在此實施例之雙載子反相器元件結構10中，N型元件與P型元件為垂直配置，且共用雙極性半導體層106a及閘極118。
在一實施例中，載子阻擋層104a為電洞阻擋層且載子阻擋層108a為電子阻擋層。於下結構中，阻擋雙極性半導體層106a之電洞通過並允許電子注入，因此下結構為N型元件。於上結構中，阻擋雙極性半導體層106a之電子通過並允許電洞注入，因此上結構為P型元件。如此一來，形成N型元件位於P型元件下方的反相器元件。此時，例如施加輸入電壓V in 於閘極118，施加操作電壓V DD 於電極114b，施加接地電壓V GND 於電極102a，且施加輸出電壓V out 於電極102b及電極114b，可以達到反相器元件的操作。當然，本領域具有通常知識者，可以依需求改變上述電壓的配置方式。
在另一實施例中，載子阻擋層104a為電子阻擋層且載子阻擋層108a為電洞阻擋層。於下結構中，阻擋雙極性半導體層106a之電子通過並允許電洞注入，因此下結構為P型元件。於上結構中，阻擋雙極性半導體層106a之電洞通過並允許電子注入，因此上結構為N型元件。如此一來，形成P型元件位於N型元件下方的反相器元件。操作方式為本領域具有通常知識者所熟知，於此不再贅述。
換言之，藉由將電子阻擋層與電洞阻擋層分別配置於雙極性半導體層之兩側，可以達到從雙極性半導體層中分別萃取出電子特性及電洞特性之目的，且電子特性及電洞特性可以分別供N型元件及P型元件使用。依此方式，僅需單一主動層及單一次圖案化步驟，即可製作出呈垂直配置之反相器元件。故本發明之方法可簡化製程、降低圖案化製程對半導體材料的影響，以有效提升雙載子元件的效能。
在一實施例中，依設計需求，也可以省略形成載子阻擋層104a、108a的步驟，而得到如圖1D-1的雙載子反相器元件結構10a。
第二實施例
圖2A~2B為依據本發明第二實施例所繪示之雙載子反相器元件結構之製造方法的剖面示意圖。第二實施例之雙載子反相器元件結構20與第一實施例之雙載子反相器元件結構10類似，以下就不同之處說明之，相同處則不再贅述。
首先，請參照圖2A，於基板200上形成閘極202。然後，於基板200上形成覆蓋閘極202的介電層204。接著，於介電層204上形成電極206a與電極206b。第二實施例之閘極202、介電層204、電極206a與電極206b之材料與形成方法與第一實施例之閘極118、介電層116、電極102a與電極102b類似，於此不再贅述。
之後，於介電層104上依序形成載子阻擋材料層208、雙極性半導體材料層210及載子阻擋材料層212，以覆蓋電極206a與電極206b。第二實施例之載子阻擋材料層208、雙極性半導體材料層210及載子阻擋材料層212之材料與形成方法與第一實施例之載子阻擋材料層104、雙極性半導體材料層106及載子阻擋材料層108類似，於此不再贅述。
繼之，請參照2B，將載子阻擋材料層208、雙極性半導體材料層210及載子阻擋材料層212圖案化，以形成裸露出電極206b之一部分的堆疊結構214。堆疊結構214包括(由下而上)載子阻擋層208a、雙極性半導體層210a、載子阻擋層212a。
然後，於堆疊結構214上形成分別對應電極206a、206b之電極216a、216b。此外，電極216a、216b之其中一個與電極206a、206b之其中一個電性連接。在此實施例中，同一側的電極互相連接。例如，電極216b具有延伸部216c，延伸部216c沿堆疊結構214的側壁與電極206b之經裸露表面連接。在另一實施例中，也可以是不同側的電極互相連接。例如，電極216b與電極206a(或電極216a與電極206b)透過導線(未繪示)彼此電性連接。第二實施例之電極216a與電極216b之材料與形成方法與第一實施例之電極114a與電極114b類似，於此不再贅述。至此，完成第二實施例之雙載子反相器元件結構20的製作。
如2B所示，第二實施例之雙載子反相器元件結構20為下閘極結構。閘極202配置於基板200上。電極216a與電極216b配置於基板200上、位於閘極202的兩側且位於第一平面。電極206a與電極206b配置於基板200上、位於閘極202的兩側且位於第二平面，其中電極206a、206b之其中一個與電極216a、216b之其中一個電性連接。在此實施例中，電極206a與電極216a電性連接。此外，電極206a、206b及電極216a、216b位於閘極202上方，且第一平面高於第二平面。雙極性半導體層210a配置於第一平面與第二平面之間。載子阻擋層208a配置於雙極性半導體層210a及電極206a與電極206b之間。載子阻擋層212a配置於雙極性半導體層210a及電極216a與電極216b之間。介電層204配置於閘極202及電極206a與電極206b之間。
特別要說明的是，在此實施例之雙載子反相器元件結構20中，N型元件與P型元件為垂直配置，且共用雙極性半導體層210a及閘極202。
在一實施例中，載子阻擋層208a為電洞阻擋層且載子阻擋層212a為電子阻擋層時，形成N型元件位於P型元件下方的反相器元件。在另一實施例中，載子阻擋層208a為電子阻擋層且載子阻擋層212a為電洞阻擋層時，形成P型元件位於N型元件下方的反相器元件。操作方式為本領域具有通常知識者所熟知，於此不再贅述。
在一實施例中，依設計需求，也可以省略形成載子阻擋層208a、212a的步驟，而得到如圖2B-1的雙載子反相器元件結構20a。
此外，在圖2B之雙載子反相器元件結構20中，是以於玻璃基板200上形成閘極202為例來說明之，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，當基板200為矽基板時，也可以省略形成閘極202的步驟，而將基板200充作閘極使用，如圖2B-2之雙載子反相器元件結構20b所示。
接下來，將提出一個實例來驗證本發明的功效。
實例1
基板採用P型矽晶圓(30~60 Ω-cm，＜100＞晶面)。而後，於基板上形成200nm的氧化矽作為介電層。繼之，於介電層上形成兩個銀電極。接著，於介電層及銀電極上蒸鍍作為電子阻擋層之500 的m-MTDATA薄膜。之後，將基板置於真空腔中抽至2.5×10-6 torr，利用氮化硼坩鍋(BN crucible)以0.5~1 /sec之鍍率，分別蒸鍍上作為N型有機半導體材料之PTCDI-C13和作為P型有機半導體材料之並五苯(pentacene)，以形成雙極性半導體層。此時，以石英振盪器(quartz oscillator)監測薄膜厚度，再以白光干涉儀校正之，以形成450 的PTCDI-C13薄膜及500 的並五苯薄膜。繼之，於雙極性半導體層上蒸鍍作為電子阻擋層之500 的m-MTDATA薄膜。注意，電子阻擋層、雙極性半導體層與電子阻擋層所形成之堆疊結構裸露出一個銀電極之一部分。繼之，於電子阻擋層上形成兩個金電極，其中一個金電極與銀電極之經裸露表面電性連接。至此，完成實例1之N型元件於P型元件下方之反相器元件的製作，如圖2B-2所示。元件的通道長度(channel length)為200 μm，通道寬度(channel width)為2,000 μm。
特別要說明的是，並五苯薄膜和PTCDI薄膜的LUMO約只在3.2 eV~3.4 eV，金的功函數(work function)約在5.1 eV，所以具有LUMO達1.9 eV的m-MTDATA薄膜可有效阻擋住電子的傳輸，適合當此元件的電子阻擋層。此外，並五苯薄膜和PTCDI薄膜的HOMO約只在5.0 eV~5.4 eV，銀的功函數約在4.26 eV，所以具有HOMO達6.7 eV的BCP薄膜可有效阻擋住電洞的傳輸，適合當此元件的電洞阻擋層。
圖3為實例1之反相器元件的V in -V out 圖。如圖3所示，V in 從0 V掃到20 V，V DD 從5 V掃到30 V，反相器元件獲得良好的轉換曲線(Transfer curve)。當V in 小於V Tn 時，反相器的特性曲線呈現水平一直線，代表V out 電壓穩定在V DD 水平上。當V in>>V Tn,V DD -V in |V Tp |的特性曲線呈現水平一直線，代表V ou 電壓穩定在低電壓水平上。此外，Vin~VDD/2>V Tn 時的特性曲線呈現為垂直一直線，故V out 電壓可以從V DD 瞬間下降為低電壓。最後以下示(1)計算出增益值(Gain)為59.79。如此的COMS反相器特性較接近理想元件。
綜上所述，藉由將電子阻擋層與電洞阻擋層分別配置於雙極性半導體層之兩側，可以達到從雙極性半導體層中分別萃取出電子特性及電洞特性之目的，且電子特性及電洞特性可以分別供N型元件及P型元件使用。依此方式，本發明之具有四接點之雙載子反相器元件結構可以大幅提升電流開關比，且於低電場操作時不會有明顯電流產生，增廣其應用範圍。
此外，本發明的方法僅需單一主動層及單一次圖案化步驟，即可製作出呈垂直配置之反相器元件。故本發明之方法可簡化製程、降低圖案化製程對半導體材料的影響，以有效提升雙載子元件的效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、10a、20、20a、20b．．．雙載子反相器元件結構
100、200．．．基板
102a、102b、114a、114b、206a、206b、216a、216b．．．電極
104、108、208、212．．．載子阻擋材料層
104a、108a、208a、212a．．．載子阻擋層
106、210．．．雙極性半導體材料層
106a、210a．．．雙極性半導體層
110、115．．．圖案化光阻層
112、214．．．堆疊結構
114．．．電極層
114c．．．延伸部
116、204．．．介電層
118、202．．．閘極
圖1A~1D為依據本發明第一實施例所繪示之雙載子反相器元件結構之製造方法的剖面示意圖。
圖1D-1為依據本發明第一實施例所繪示之雙載子反相器元件結構的剖面示意圖。
圖2A~2B為依據本發明第二實施例所繪示之雙載子反相器元件結構之製造方法的剖面示意圖。
圖2B-1為依據本發明第二實施例所繪示之雙載子反相器元件結構的剖面示意圖。
圖2B-2為依據本發明第二實施例所繪示之雙載子反相器元件結構的剖面示意圖。
圖3為實例1之反相器元件的V in -V out 圖。
10．．．雙載子反相器元件結構
100．．．基板
102a、102b、114a、114b．．．電極
104a、108a．．．載子阻擋層
106a．．．雙極性半導體層
112．．．堆疊結構
114c．．．延伸部
116．．．介電層
118．．．閘極

Claims (46)

  1. 一種雙載子反相器元件結構，包括：一閘極，配置於一基板上；二第一電極，配置於該基板上、位於該閘極的兩側且位於一第一平面；二第二電極，配置於該基板上、位於該閘極的兩側且位於一第二平面，其中該些第一電極其中一個與該些第二電極其中一個電性連接；一雙極性半導體層，配置於該第一平面與該第二平面之間；一第一載子阻擋層，配置於該雙極性半導體層與該些第一電極之間；一第二載子阻擋層，配置於該雙極性半導體層與該些第二電極之間；以及一介電層，配置於該閘極及該些第二電極之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該些第一電極及該些第二電極位於該閘極下方。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雙載子反相器元件結構，其中該第一平面低於該第二平面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該些第一電極及該些第二電極位於該閘極上方。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雙載子反相器元件結構，其中該第一平面高於該第二平面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該雙極性半導體層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該雙極性半導體層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該雙極性半導體層是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該雙極性半導體層是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成
  10. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中當該第一載子阻擋層為電子阻擋層，該第二載子阻擋層為電洞阻擋層；或當該第一載子阻擋層為電洞阻擋層，該第二載子阻擋層為電子阻擋層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該第一載子阻擋層或該第二載子阻擋層為一電子阻擋層時，該電子阻擋層是由一無機材料或一有機材料所組成。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之雙載子反相器元件結構，其中該無機材料包括WO3、V2O5或MoO3。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之雙載子反相器元件結構，其中該有機材料包括4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(BALq)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之雙載子反相器元件結構，其中該第一載子阻擋層或該第二載子阻擋層為一電洞阻擋層時，該電洞阻擋層是由一無機材料或一有機材料所組成。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之雙載子反相器元件結構，其中該無機材料包括LiF、CsF或TiO2。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之雙載子反相器元件結構，其中該有機材料包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(BCP)。
  17. 一種雙載子反相器元件結構的製造方法，包括：於一基板上形成二第一電極；於該基板上依序形成一第一載子阻擋材料層、一雙極性半導體材料層及一第二載子阻擋材料層，以覆蓋該些第一電極；將該第一載子阻擋材料層、該雙極性半導體材料層及該第二載子阻擋材料層圖案化，以形成裸露出一個第一電極之一部分的一堆疊結構；於該基板上形成二第二電極，其中該些第一電極其中一個與該些第二電極其中一個電性連接；於該基底上形成一介電層，以覆蓋該堆疊結構及該些第二電極；以及於該些第二電極之間的該介電層上形成一閘極。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中於該基板上形成該些第二電極的方法包括：於該基底上形成一電極層，以覆蓋該堆疊結構及該第一電極之經裸露表面；於該電極層上形成一圖案化光阻層；以該圖案化光阻層為罩幕，移除部分該電極層，以形成該些第二電極，且一個第二電極沿該堆疊結構的側壁與該第一電極之經裸露表面連接；以及移除該圖案化光阻層。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中形成該第一載子阻擋材料層及該第二載子阻擋材料層的方法各自包括蒸鍍法。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中形成該雙極性半導體材料層的方法包括進行蒸鍍法、共蒸鍍法或溶液製程。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。
  23. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。
  24. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構，其中該雙極性半導體材料層是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成。
  25. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中當該第一載子阻擋材料層為電子阻擋材料層，該第二載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層；或當該第一載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層，該第二載子阻擋材料層為電子阻擋材料層。
  26. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該第一載子阻擋材料層或該第二載子阻擋材料層為一電子阻擋材料層時，該電子阻擋材料層是由一無機材料或一有機材料所組成。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該無機材料包括WO3、V2O5或MoO3。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之雙或子反相器元件結構的製造方法，其中該有機材料包括4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(BALq)。
  29. 如申請專利範圍第17項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該第一載子阻擋材料層或該第二載子阻擋材料層為一電洞阻擋材料層時，該電洞阻擋材料層是由一無機材料或一有機材料所組成。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該無機材料包括LiF、CsF或TiO2。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該有機材料包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(BCP)。
  32. 一種雙載子反相器元件結構的製造方法，包括：於一基板上形成一閘極；於該基板上形成覆蓋該閘極的一介電層；於該介電層上形成二第一電極；於該介電層上依序形成一第一載子阻擋材料層、一雙極性半導體材料層及一第二載子阻擋材料層，以覆蓋該些第一電極；將該第一載子阻擋材料層、該雙極性半導體材料層及該第二載子阻擋材料層圖案化，以形成裸露出一個第一電極之一部分的一堆疊結構；以及於該堆疊結構上形成二第二電極，其中該些第一電極其中一個與該些第二電極其中一個電性連接。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中於該基板上形成該些第二電極的方法包括：於該基底上形成一電極層，以覆蓋該堆疊結構及該第一電極之經裸露表面；於該電極層上形成一圖案化光阻層；以該圖案化光阻層為罩幕，移除部分該電極層，以形成該些第二電極，且一個第二電極沿該堆疊結構的側壁與該第一電極之經裸露表面連接；以及移除該圖案化光阻層。
  34. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中形成該第一載子阻擋材料層及該第二載子阻擋材料層的方法各自包括蒸鍍法。
  35. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中形成該雙極性半導體材料層的方法包括進行蒸鍍法、共蒸鍍法或溶液製程。
  36. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料堆疊所組成。
  37. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由N型有機半導體材料與P型有機半導體材料混合所組成。
  38. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由具雙極特性之有機半導體材料所組成。
  39. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該雙極性半導體材料層是由N型無機半導體材料與P型無機半導體材料堆疊所組成。
  40. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中當該第一載子阻擋材料層為電子阻擋材料層，該第二載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層；或當該第一載子阻擋材料層為電洞阻擋材料層，該第二載子阻擋材料層為電子阻擋材料層。
  41. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該第一載子阻擋材料層或該第二載子阻擋材料層為一電子阻擋材料層時，該電子阻擋材料層是由一無機材料或一有機材料所組成。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該無機材料包括WO3、V2O5或MoO3。
  43. 如申請專利範圍第41項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該有機材料包括4',4"-參(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺(m-MTDATA)或雙(2-甲基-8-羥基喹啉-N1,O8)-(1,1'-聯苯-4-羥基)鋁(BALq)。
  44. 如申請專利範圍第32項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該第一載子阻擋材料層或該第二載子阻擋材料層為一電洞阻擋材料層時，該電洞阻擋材料層是由一無機材料或一有機材料所組成。
  45. 如申請專利範圍第44項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該無機材料包括LiF、CsF或TiO2。
  46. 如申請專利範圍第44項所述之雙載子反相器元件結構的製造方法，其中該有機材料包括2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲囉啉(BCP)。
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