TW201639207A - 具有低接觸電阻之有機場效電晶體 - Google Patents

具有低接觸電阻之有機場效電晶體 Download PDF

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Abstract

本發明提供：一種併入有藉由將鍵合陰離子之分子薄層插入在半導體與源極-汲極電極陣列之間而形成之自對準經摻雜接觸件之電晶體裝置結構，其中該半導體在與該鍵合陰離子層之界面處經p摻雜；及一種使用併入至該分子薄層中之氧化劑物質製成此結構之方法。該裝置在該等接觸件處展示出歐姆電洞注入及電洞提取以給出具有低接觸電阻之高效能電晶體特性。

Description

具有低接觸電阻之有機場效電晶體
本發明係關於一種用於具有低接觸電阻之場效電晶體之結構，及一種製成此結構之方法。
有機場效電晶體(FET)之效能已在過去十年內由於具有較高電荷載子遷移率及較高純度之新材料之開發而極大地改良。FET包括藉由由有機材料(US 8569746 B2)製成之半導體膜分開之一對源極-汲極電極。該膜由閘極電極透過介入閘極介電層閘控。適當閘極極性及電壓之施加導致載子在半導體-介電質界面處之累積以給出傳導通道。
可取決於閘極電極及源極-汲極電極之相對放置而區分兩個重要類別之裝置組態：所謂的頂部閘極底部接觸FET及底部閘極頂部接觸FET。透過其注入或收集電荷的半導體與源極-汲極電極之間的接面亦稱作「接觸件」。原則上，兩個其他組態(頂部閘極頂部接觸FET及底部閘極底部接觸FET)係可能的，但此等組態通常在接觸件與傳導通道之間的接面處遭受更嚴重之電流擁擠效應且因此在技術方面具有受限制應用。
穿過FET之總電阻由通道之電阻(R ch)及接觸件之電阻(R c)之總和給出：方程式1. R tol=R ch+R c
R ch係由在半導體-介電質界面處累積之二維載子密度判定的。此 取決於閘極場且在第一約計中由下式給出：
其中V ds係源極-汲極電壓，V gs係閘極電壓，V th係閘極臨限值，I ds係源極-汲極電流，μFET係場效電晶體遷移率，C係閘極介電質電容，且L及W分別係通道長度及寬度。
另一方面，接觸電阻R c係電荷載子在其自源極電極行進至通道且自通道行進至汲極電極時所遇到之有效電阻。此R c係由將必要源極-汲極電流汲取穿過電極與通道之間的半導體區域所需要之體電壓產生之空間電荷電阻R SCLC與接觸件之有效電極接觸電阻R e之總和：方程式3. R c=R SCLC+R e
R e係由有效電極接觸電阻率r e與有效接觸面積A e之乘積給出。文獻中通常不區分R c與R e。然而，區分R c與R e在目前係重要的。R e主要取決於電極-半導體接觸及裝置幾何形狀之細節。R SCLC主要取決於大部分膜中之載子之空間電荷遷移率、自電極至通道之距離及存在之任何電流擁擠效應。
本發明目的在於減小r e及因此R e。預期r e取決於所使用之電極(例如，金、銀、銅或其他)及是否存在覆蓋層，以及與電極之費米(Fermi)能階有關之半導體傳輸級之能量(例如電洞之最高佔據分子軌道(HOMO)能帶邊緣及電子之最低佔用分子軌道(LUMO)能帶邊緣)。
據稱在R e遠小於R ch，較佳地小於R ch之十分之一，且更佳地小於R ch之三十分之一時達成歐姆接觸之狀態。
對於具有大約0.5cm2 V-1s-1之場效遷移率之有機半導體材料，針對100μm之裝置通道長度之R ch在「接通」狀態中係300kΩ cm。此意味必須保持源極及汲極接觸件兩者之總R c小於300kΩ cm之十分之一 (亦即，小於30kΩ cm)，以便使該等接觸件不嚴重限制電晶體之效能，包含速度、頻寬及接通特性。在先前技術中此係要求很高的且不可容易地達成。
已發現具有金源極-汲極電極之頂部閘極底部接觸FET之當前可得R c針對包含如下各項之寬廣範圍之有機半導體係105至106Ω cm：稠五苯(Pn)及6,13-雙(三異丙基甲矽烷基乙炔基)稠五苯(TIPS-Pn)，如在D.Boudinet等人之有機電子學(Organic Electronics)(11,227(2010))中所闡述；及聚[2,5-雙(3-十四烷基噻吩-2-基)噻吩并[3,2-b]噻吩](PBTTT)，如在Y.Y.Noh等人之半導體科學與技術(Semiconductor Science and Technology)(26,034003(2011))中所闡述。所有此等有機半導體具有相對低之離子化電位(I p)：PBTTT，4.8eV；Pn及TIPS-Pn兩者，4.9eV。因此，R c甚至對於具有相對長通道長度之裝置且對於具有相對低I p之半導體(可預期其更容易地給出歐姆行為)並非充分低的。此隨著場效遷移率變得更大及/或通道長度變得更短而進一步惡化：容許R c成比例地變小。
廣泛地已知，在有機FET技術中用作電洞-載子注入電極之典型金屬(舉例而言，金、銀及銅)不具有足夠大之功函數以不能達成與具有大於大約5.0eV之I p之有機半導體之歐姆接觸。此不幸地涵蓋作為p通道材料之目前及未來技術關注之大多數材料。
減小r e及因此R e之關鍵係降低至半導體中之有效電荷注入障壁。針對p通道FET，已嘗試數個方法來達成此。
一種方法係藉由以下操作增加源極-汲極電極之功函數：修改源極-汲極電極之表面以增加其功函數。用以修改金屬電極表面以增加其功函數之一種方法係使用所謂的自組裝單分子層(SAM)。Campbell等人在物理評論(Physical Review)(B,54(2008)pp.14321)中證明硫醇SAM可在組裝於銀表面上時透過偶極機構導致大功函數改變。
其應用於FET之一項實例係由Asadi等人在材料化學期刊(Journal of Materials Chemistry)(17(2007)pp.1947)中給出，其中報告1H,1H,2H,2H-全氟癸硫醇及十六烷硫醇SAM分別將金之功函數增加至5.6eV及將金之功函數減小至4.0eV。然而，FET裝置針對作為半導體之發橙光聚對苯撐乙烯展示R c自1MΩ cm至分別4及7MΩ cm之增加，且針對作為半導體之立體規則性聚(3-己基噻吩)展示自80kΩ cm至100kΩ cm之增加。
另一實例係由Noh等人在半導體科學技術(Semiconductor Science Technology)(26(2011)pp.034003)中給出，其中報告1H,1H,2H,2H-全氟癸硫醇SAM將Au之功函數自大約4.4eV增加至5.0eV。發現R c針對作為半導體之PBTTT自150kΩ cm稍微減小至90kΩ cm。
在某些情形中，SAM似乎促進支持載子注入之有機半導體之邊界層之更合意組織及/或定向。Kawasaki等人在日本應用物理學期刊(Japanese Journal of Applied Physics)(47(2008)pp.6247)中闡述使用疏水性硫醇封端之SAM來改良蒸發Pn半導體之定向及形態。
因此，儘管顯然某些SAM能夠增加金屬表面之功函數，但其可能由於所引入之額外穿隧障壁而一般不顯著減小R c。此外，氟化SAM形成半導體覆蓋層之潤濕及溶液沈積之新挑戰。最終，硫醇SAM特定而言在金屬表面上具有有限的熱及化學穩定性。
用以修改金屬電極表面以增加其功函數之第二方法係使用具有高功函數之經p摻雜導電聚合物。一項實例係由Hong等人在有機電子學(Organic Electronics)(9(2008)pp.864)中給出，其中厚的經p摻雜導電聚合物電洞注入層(聚(3,4,-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺)酸(PEDT：PSSH))自旋鑄造在金源極-汲極電極陣列上方。此利用疏水性通道區域上方之溶液之自發除濕來圖案化導電聚合物膜。他們發現R c針對作為半導體之Pn自3MΩ cm減小至140kΩ cm。
此方法非常依賴於基板之電極及通道區域上方之厚導電聚合物膜之差動潤濕-除濕。在具有小通道長度之裝置上實施係非常具有挑戰性的，除非引入數個額外微影步驟。此外，其可僅為具有小於導電聚合物層之功函數之I p之半導體僅提供良好孔接觸，此限制此方法之應用，即使可發現良好微影程序用以圖案化對準至源極-汲極電極陣列之導電聚合物膜。
用以修改金屬電極表面以增加其功函數之第三方法係在其表面上方形成適合氧化物層。一項實例係由Kim等人在應用物理期刊(Journal of Applied Physics)(84(1998)pp.6859)中給出，其報告ITO之功函數自4.5eV增加至4.75eV O2電漿。
用以修改金屬電極表面以增加其功函數之第四方法係使用具有高功函數之半導體無機氧化物。一項實例係由Kumaki等人在應用物理快報(Applied Physics Letters)(92(2008)pp.013301)中給出，其中MoOx層後續接著金覆蓋層在SiO2/Si基板上之經光阻劑圖案化井中蒸發，後續接著沈積Pn有機半導體以給出底部閘極底部通道FET。報告R c在使用MoOx層時自13MΩ cm減小至240kΩ cm。
另一實例係由Gui等人在有機電子學(Organic Electronics)(15(2014)pp.3349)中給出，其中TiO2或經Mn摻雜TiO2層透過金屬遮罩後續接著金源極-汲極陣列熱蒸發至Pn有機半導體層(通道)上。報告FET之R c在使用TiO2及經Mn摻雜TiO2時自2MΩ cm分別減小至40kΩ cm及30kΩ cm。
此方法需要順序蒸發運行以透過陰影或微影/光阻劑遮罩界定源極-汲極電極。若電極將藉由電鍍或列印技術來沈積，則此方法將需要額外微影步驟以用於對準。
第二方法係引入中間半導體層以減小用於注入至有機半導體中之整體障壁。亦稱作分級注入方法之此方法係由Ho等人在自然 (Nature)(404(2000)pp.481)中闡述。至有機FET之應用係由Park等人在應用物理快報(Applied Physics Letters)(88(2006)pp.113503)中給出，其中星爆型胺4,4’,4”」-參(N-3-甲苯基-N-苯胺基)-三苯胺(m-MTDATA)之薄膜插入在頂部接觸裝置中之Pn半導體與金電極之間以形成金費米能階與Pn之HOMO邊緣之間的中間能階。此將R c自8MΩ cm減小至1MΩ cm。
另一實例係由Chen等人在應用物理快報(Applied Physics Letters)(90(2007)pp.073504)中給出，其中銅酞青素(CuPc)層插入在頂部接觸裝置中之Pn與經蒸發金電極之間以形成金費米能階與Pn之HOMO之間的中間能階。此將R c自470kΩ cm減小至155kΩ cm。
因此，顯然儘管可使用分級注入方法顯著改良R c，但最終R c甚至針對具有相對低I p之有機半導體仍可係相對大的。此殘餘R c可歸因於注入障壁之不完整消除(歸因於步驟之不完美分級)。
第三方法係在有機半導體與金屬電極之接面處引入有機半導體之故意經p摻雜中間層，因此經p摻雜中間層提供至有機半導體之歐姆接觸。達成此之一種方法係透過使用與有機半導體共同蒸發或順序地蒸發之高電子親和力材料(舉例而言MoOx及其他氧化劑)而在電極區域處摻雜有機半導體。
此方法之一項實例係由Li等人在超晶格與微結構(Superlattices and Microstructures)(50(2011)pp.191)中給出，其中Pn-MoOx混合之中間層透過金屬遮罩後續接著金電極蒸發至Pn有機半導體層上。MoOx在經混合中間層中p摻雜Pn。發現OFET之R c在中間層經最佳化時自60kΩ cm減小至7kΩ cm。
另一實例係由Lin等人在ECS固態快報(ECS Solid State Letters)(3(2014)pp.P81-P83)中給出，其中2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰二甲基苯醌(F4-TCNQ)之薄層藉由蒸發透過頂部接觸FET中之陰影遮罩插入在Pn 與金之間。F4-TCNQ摻雜Pn之接觸區域。發現R c自44kΩ cm減小至30kΩ cm。
第三實例係由Vanoni等人在應用物理快報(Applied Physics Letters)(90,193119(2007))中給出，其中F4-TCNQ與Pn共同蒸發以給出底部閘極底部接觸FET中之經摻雜Pn層。發現R c自110kΩ cm減小至5kΩ cm。
第四實例係由Minari等人在應用物理快報(Applied Physics Letters)(100(2012)pp.093303)中給出，其中在頂部接觸FET中之Au源極-汲極電極之蒸發之前FeCl3透過陰影遮罩蒸發以摻雜二辛基苯并噻吩并苯并噻吩膜之接觸區域。發現此將R c自200kΩ cm減小至9kΩ cm。
因此，顯然接觸區域之摻雜可顯著減小R c。然而，對於在此等先前技術中之方法存在數個關鍵挑戰。一般而言，此等方法需要通過陰影或微影遮罩之多步驟真空處理。此極大地增加複雜度及成本，且限制可擴縮性。其亦經不起溶液處理。其次，在具有小分子或無機複合摻雜劑之彼等情形中，摻雜劑分子或複合物可在有機半導體內側隨著時間遷移。此最終使接觸件處之摻雜輪廓及因此其R e降級。因此期望開發可克服此等缺點之摻雜接觸區域之替代方法。
用以在電極區域處摻雜有機半導體之第二方法係使用反應中間層。Klauk等人在美國專利US6,806,124中闡述使用反應中間層以在源極-汲極電極附近摻雜有機半導體層區域。導電聚合物層(例如，經p摻雜聚苯胺)與可擴散摻雜劑(例如，樟腦磺酸)一起經闡述。摻雜劑擴散至半導體中且在接觸件附近摻雜其。此方法中不存在限制摻雜劑至界面之擴散之可能性。當摻雜劑擴散至通道區域時，其導致高背景電導率及不良開關比。
Klauk等人亦闡述使用具有結合至金屬表面之一個基團及充當用 以將孔轉移至有機半導體之氧化劑借此對其進行p摻雜之第二基團之雙功能摻雜劑層。引用硫醇作為可能實例。然而，硫醇一般不與摻雜具有大於大約5.0eV之I p之有機半導體所需要之氧化劑相容。
用以在電極接觸件處形成經摻雜半導體層之第三方法係沈積經摻雜半導體自身。一項實例係由Shih等人在美國專利US 7208756中且在應用物理期刊(Journal of Applied Physics)(96(2004)pp.454)中給出，該應用物理期刊闡述在接觸件處使用極輕p摻雜之聚合物中間層。自通道材料(例如，聚(3-己基噻吩))與低濃度之摻雜劑(例如，處於1%以下濃度之FeCl3)之混合物沈積此中間層。此輕摻雜之中間層亦沈積在通道上方。
因此，此輕摻雜之中間層之電阻率需要經選擇使得其電阻比藉由通道之接通狀態提供之電阻高得多，但還是足夠低以減小R e。結果係條件係要求很高的且在大多數情形中無法滿足。舉例而言，若在相對高遷移率材料(例如，具有μFET=0.1cm2 V-1 s-1之經輕摻雜聚(3-己基噻吩))中期望大於1,000之開關比，則不可能在不犧牲開關比之情況下將R c自180MΩ cm減小至低於600kΩ cm。
此方法之另一關鍵挑戰係缺乏提供經摻雜中間層至電極之自對準(避免在通道區域上方沈積導電層)。亦不存在在後續溶劑處理、熱處理期間、在儲存時且在操作期間抑制摻雜劑擴散出中間層及裝置效能之合成降級之可能性。
第四方法係由Schaur等人在有機電子學(Organic Electronics)(13(2012)pp.1296)中給出，其闡述使用習用電化學以在頂部接觸底部閘極FET中之電極與結晶有機半導體薄膜Pn之間的接面處形成淺經p摻雜區域。發現R c自390kΩ cm減小至140kΩ cm。此方法需要使用電化學且不能夠在電極之整個埋入接觸件上方產生連續經p摻雜層。
依據上文之總結，顯然仍需要提供針對具有大於5.0eV之I p(例 如，5.0至5.8eV)之有機半導體可可靠地給出小於30kΩ cm之R e的經改良裝置結構。進一步需要提供可提供此歐姆接觸之層。進一步需要提供用以沈積此層之方法。
本發明揭示藉由在電極陣列與半導體之間的接面處插入鍵合陰離子之分子薄層而在源極-汲極電極陣列上方提供半導體之超薄層之經控制p摻雜的電晶體裝置結構。在裝置之製作期間首先用氧化劑物質配製此分子薄層。在不因此受理論限制之情況下，氧化劑產生半導體界面之p摻雜。半導體層可已經存在或隨後經沈積。自界面移除氧化劑副產品，且鍵合陰離子接著充當至經p摻雜界面之抗衡陰離子。此鍵合陰離子層可取決於裝置組態而使用各種方法自對準至電極陣列。有限氧化劑連同鍵合陰離子層一起僅確保在電極上方局域摻雜半導體之超薄層。本發明進一步提供在製作期間採用之含氧化劑層以達成半導體之此經控制p摻雜。本發明進一步提供基於溶液處理之自對準方法以產生此層。此產生針對具有大於5.0eV之Ip之半導體展示歐姆注入及高效能之場效電晶體，此在先前係不可能的。
在一項實施例中，電晶體裝置結構可包括如下各項：(i)經圖案化源極-汲極電極陣列層；(ii)鍵合陰離子之分子薄層，其自對準至源極-汲極電極陣列圖案，且夾在電極層與半導體層之間；(iii)半導體層，其具有毗鄰於鍵合陰離子層之經p摻雜界面；(iv)閘極介電層；(v)經圖案化閘極電極層。
在一項實施例中，含氧化劑層可包括如下各項：(i)與陰離子且視情況與基板結合基團附接在一起之聚合物或低聚物；(ii)氧化劑陽離子物質，其相比於標準氫電極具有大於0.5V之 標準電極電位。
在一項實施例中，製成含氧化物層之方法可包括如下各項：(i)沈積含有第一陽離子之與陰離子且視情況與基板結合基團附接在一起之聚合物或低聚物之分子薄層；(ii)交換第一陽離子與氧化劑陽離子。
此方法之關鍵益處係分離由鍵合陰離子提供之抗衡陰離子與由氧化劑物質提供之p摻雜劑之角色。因此，氧化劑可適當地經選擇以匹配半導體之I p，而鍵合陰離子層可經選擇以黏合至基板且提供經p摻雜界面之所要處理、熱、儲存及操作穩定性。
因此，本發明之第一態樣提供在源極-汲極電極陣列層與半導體層之間併入有鍵合陰離子之分子薄層之場效電晶體裝置結構，其中半導體層在其與鍵合陰離子層之界面處經p摻雜，且鍵合陰離子之分子薄層能夠結合至基板，在該基板上形成鍵合陰離子之該分子薄層。
本發明之第二態樣提供鍵合陰離子及氧化劑物質之含氧化劑分子薄層。
本發明之第三態樣提供用以製作該層之方法。
本發明之第四態樣提供用以製作該場效電晶體結構之方法。
本發明之第五態樣提供在電子電路中使用該場效電晶體結構。
圖1中針對四個可能裝置組態中之每一者展示裝置結構。半導體層在其與對準至源極-汲極電極陣列之鍵合陰離子分子薄層之接觸件處選擇性地經p摻雜。鍵合陰離子層可取決於裝置組態而使用如稍後闡述之各種方法自對準至電極陣列。此移除對個別圖案化及對齊步驟之需求。其亦確保恰好在給出歐姆注入所需之處形成經p摻雜層。
在不因此受理論限制之情況下，此裝置結構具有如下關鍵優點：由於經p摻雜半導體中之正電荷由鍵合陰離子抗衡，因此摻雜輪廓(亦即，隨半導體中之位置而變之經摻雜載子密度)變得藉由此鍵合 陰離子層之位置固定。因此，摻雜輪廓合意地限於毗鄰於鍵合陰離子層之幾奈米厚的超薄層。此外，由於鍵合陰離子無法擴散，因此摻雜輪廓亦無法塗抹且隨著時間降級。因此，經p摻雜界面對於裝置處理、烘烤至中等溫度(高達180℃)、儲存及操作係穩定的。此裝置結構因此對摻雜劑遷移及摻雜輪廓之所產生降級具有內建免疫。
鍵合陰離子抗衡最終電晶體結構中之經p摻雜聚合物界面之正電荷。然而，鍵合陰離子層在裝置處理之初始階段中連同氧化劑物質一起經沈積，在該裝置處理期間鍵合陰離子由旁觀陽離子或氧化劑陽離子抗衡。針對底部接觸裝置組態，此含氧化劑層係在(若干)電極陣列層之後但在(若干)半導體層之前經沈積。針對頂部接觸裝置組態，此含氧化劑層係在(若干)半導體層之後但在(若干)電極陣列層之前經沈積。
在不因此受理論限制之情況下，發生自半導體至鍵合陰離子層中之氧化劑物質之電子轉移。此導致半導體界面之氧化(亦即，p摻雜)以及氧化劑物質之對應還原。在此程序期間，自發地消除旁觀或氧化劑陽離子，經p摻雜聚合物之正電荷由於此而變得由鍵合陰離子抗衡。
因此，術語最終裝置結構中之「鍵合陰離子層」係指由經p摻雜聚合物抗衡之陰離子層，然而在半導體之p摻雜之前的中間處理階段中，其係指由其旁觀及/或氧化劑陽離子抗衡之陰離子層。將自其中使用該術語之內容脈絡明瞭既定含義。術語「鍵合陰離子材料」係指經沈積以給出鍵合陰離子層之材料。
鍵合陰離子之角色係最終平衡界面經p摻雜聚合物之正電荷。因此，其不應經歷與經p摻雜聚合物之化學反應。此需要陰離子應係僅弱親核的，且較佳地係非親核的。親核性係陰離子參與與係帶正電有機半導體之親電子劑之鍵合形成反應之傾向(參見舉例而言：March之進階有機化學：反應、機制及結構(Advanced Organic Chemistry：Reactions,Mechanisms and Structures)，Wiley)。適合鍵合陰離子包含磺酸根、氟烷基磺酸根、羧酸根、氟烷基羧酸根、膦酸根、磷酸根及硫酸根以及其組合，更佳地，磺酸根、氟烷基磺酸根及氟烷基羧酸根。
此等陰離子共價地附接在鍵合陰離子材料中，較佳地附接至適合聚合物或低聚物主鏈。聚合物係具有多於5kDa且通常多於鍵合在一起之十個相同或不相似單體單元之相對高分子量之巨分子。適合聚合物主鏈包含非共軛聚合物主鏈，諸如聚苯乙烯、聚丙烯酸脂、聚甲基丙烯酸鹽、聚(乙烯醇)、聚(烯丙胺)、聚乙亞胺；及更佳地共軛聚合物主鏈，諸如聚二酮吡咯[3,4-c]吡咯、聚噻吩、聚(聯噻吩-alt-噻吩并噻吩)。進一步較佳的係，選擇類似於用作裝置中之半導體之核心之共軛核心。低聚物係具有5kDa或更少且通常為鍵合在一起之至少兩個及高達十個相同或不相似單體單元之相對低分子量之巨分子。適合低聚物主鏈包含上述之低分子量變體。
陰離子基團以鍵合陰離子層之每0.2nm3至4nm3一個陰離子基團之密度附接至聚合物或低聚物。該附接可透過短烷基鏈間隔件。鍵合陰離子層因此可係均聚物、共聚物/均低聚物或共低聚物。在一項實施例中，其係聚電解質。聚電解質係具有高離子基團密度(諸如每0.2至1nm3一個陰離子基團)之聚合物。在另一實施例中，鍵合陰離子層係離子聚合物。離子聚合物係具有低離子基團密度(諸如材料之每2nm3一個或更少陰離子基團)之聚合物。
陰離子基團最初可由旁觀陽離子抗衡。旁觀陽離子係存在於鍵合陰離子層中以抗衡陽離子但不提供氧化角色之陽離子。旁觀陽離子之實例係鋰、鈉、鉀、銣、銫、銨及四級銨。旁觀陽離子經選擇使得其將適合溶劑加工性提供至鍵合陰離子層。旁觀陽離子隨後可由氧化劑陽離子替換，如下文所闡述。
申請人發現，鍵合陰離子之超薄層出人意料地可強健地組裝至金屬電極表面上以最終將所要電荷抗衡提供至經p摻雜半導體界面。鍵合陰離子層之所需要厚度係0.3nm至3nm，且更佳地係0.5nm至2nm。吾人稱此等層為「分子薄」的，此乃因其對應於分子尺寸。厚鍵合陰離子層由於其引入之額外電阻而係較不適合的。
此外，鍵合陰離子分子薄層可藉由自組裝容易地形成於基板上，且較佳地藉由自組裝形成至預圖案化電極表面。以此方式可靠地形成厚層一般係不可能的。
可在初始基板表面之光學介電函數之適合模型化之後針對沈積在良適定義之模型基板(例如矽或金)上之情形使用可變角度光譜橢圓偏振技術估計所需要膜厚度(參見舉例而言：Fujiwara在光譜橢圓偏振技術：原則及應用(Spectroscopic Ellipsometry：Principles and Applications)，Wiley(Singapore)中)。亦可透過與光電發射之電子之非彈性平均自由行徑效應有關之眾所周知之電子衰減效應使用存在於鍵合陰離子層中之標記原子之核心位準之X射線光電發射光譜術估計該膜厚度(參見舉例而言：Briggs及Seah在藉由歐傑及X射線光電發射光譜術之實際表面分析(Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoemission Spectroscopy)，Wiley(Singapore)中)。
鍵合陰離子層中之陰離子密度之選擇係由半導體之界面處之較佳p摻雜密度及鍵合陰離子層之厚度來判定的。在不因此受理論限制之情況下，層之厚度(以nm為單位)與其陰離子密度(以每nm3之陰離子電荷為單位)之乘積給出總區域陰離子電荷密度及因此鍵合陰離子層可在半導體界面處支援之最大p摻雜密度(以每nm2之電洞為單位)。較佳p摻雜密度係3×1012至3×1014個電洞/cm2，或更佳地1×1013至1×1014個電洞/cm2。
此外，鍵合陰離子層可視情況含有基板結合基團。申請人出人 意料地發現，某些陰離子基團(例如，磺酸根及膦酸根)能夠非特定地以一般方式結合至金屬電極表面，例如，金、銀及銅。然而，其不結合至通常形成金屬電極之基板之疏水表面，諸如由聚(乙烯對苯二甲酸脂)、聚(乙烯石腦油)、聚醯亞胺、聚碳酸酯及HMDS處理之SiO2晶圓製成之塑膠薄片。
在不因此受理論限制之情況下，高度可極化陰離子基團連同其抗衡陽離子一起據信透過倫敦分散機制提供比有機表面強的與金屬表面之凡得瓦(van der Waals)交互作用。此達成鍵合陰離子層至電極表面上之選擇性組裝。因此，可達成此層至下伏經圖案化電極陣列層之自對準。此對於底部接觸FET裝置可係尤其有用的。
金屬電極之適合鍵合陰離子層之實例係聚苯乙烯磺酸鹽聚電解質之族。此包含聚(苯乙烯磺酸)及其與鋰、鈉、鉀、銣、銫、銨及四甲基銨所成之鹽類。
適合鍵合陰離子層之另一實例係具有由自由陽離子抗衡之整體陰離子鍵合電荷之聚電解質複合物。聚電解質複合物係包括聚陽離子及聚陰離子之材料。若聚陽離子中之陽離子電荷少於補償聚陰離子中之陰離子電荷所需要之數目，則聚電解質複合物係整體陰離子的。適合聚電解質複合物之實例係聚(3,4-乙撐二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDT：PSSH)。適合鍵合陰離子層之另一實例係具有相比於鍵合陽離子電荷之過多鍵合陰離子電荷之陰離子聚兩性電解質。
適合鍵合陰離子層之其他實例包含共軛聚電解質聚(N,N-雙(3-簧酸根丙基)-1,4-二酮吡咯[3,4-c]吡咯-3,6-二基-alt-三聯噻吩銫)及聚(3-磺酸基丁基噻吩-2,5-二基鉀)。
然而，併入有可結合至金屬電極表面之額外特定結合基團可係進一步有利的。實例包含羥胺酸及其鹽類、兒茶酚及其鹽類、噻吩、吡啶及胺。此等基團可作為鍵合陰離子材料中之側基團以低濃度(較 佳地5至20mol%(按重複單位))併入。
為了結合至頂部接觸裝置中之有機半導體膜基板，鍵合陰離子材料可較佳地具有可結合至所要有機半導體膜之基板結合基團。在不因此受理論限制之情況下，此等基團可與半導體形成供體-受體複合物。此等基團包含：可結合至富電子有機半導體之拉電子基團，諸如二硝基苯基、二氰基苯基、全氟苯基及多氯化萘以及其衍生物；及可結合至缺電子有機半導體之推電子基團，諸如二烷氧基苯基、二氫氧基苯基、二氨基苯基及其衍生物。結合基團之其他實例係給出與有機表面之非特定交互作用之彼等結合基團。此等結合基團包含全氟烷基及全氟烷氧基鏈。此等基團可作為鍵合陰離子材料中之側基團以低濃度(較佳地5至20mol%(按重複單位))併入。
含氧化劑鍵合陰離子層含有執行半導體之p摻雜之角色之一個或複數個氧化劑物質。氧化劑物質係可氧化(亦即p摻雜)既定半導體之任何適合低分子量試劑。因此，此亦稱作p摻雜劑。
適合氧化劑係亦為陽離子之單電子氧化劑。單電子氧化劑引起一個電子之轉移及因此使半導體摻雜有每氧化劑分子或離子一個電洞。此可藉由離子交換併入至鍵合陰離子材料中。此亦可藉由以下方式併入至鍵合陰離子層中：透過陽離子交換機制使該層與此等氧化劑陽離子之適合溶液接觸。較佳地，氧化劑陽離子亦係單一帶電陽離子。在此情形中，p摻雜導致氧化劑形成可有利地在處理期間自鍵合陰離子層移除之不帶電副產品。
可用作單電子氧化劑之單一帶電陽離子之實例包含(相比於標準氫電極SHE，標準電極電位E o)：參(對硝基苯基)銨(1.84V)、參(2,4-二溴苯基)銨(1.78V)、參(對氰基苯基)銨(1.72V)、硝鎓(1.51V)、噻蒽鎓(1.5V)、亞硝鎓(1.42V)、參(對溴苯基)銨(1.34V)、參(對甲苯基)銨(1.04V)、參(對丁基苯基)銨)及參(對甲氧基苯基)銨(0.80V)。 適合氧化劑物質亦可係可p摻雜半導體之任何氧化劑物質。實例包含過二硫酸鹽(2.1V)及過氧化氫(1.8V)。此等氧化劑可藉由以下方式併入至鍵合陰離子層中：使該層與此等氧化劑之適合溶液接觸。
氧化劑之選擇準則係其標準電極電位E o。E o係在其下氧化劑之單位活性與其經還原物質之單位活性相平衡之電極電位。此可藉由伏安法而容易地測量(參見舉例而言：Faulkner及Bard之電化學方法：基礎及應用(Electrochemical Methods：Fundamentals and Applications)，Wiley(Singapore))。更正性E o指示更強大氧化劑。在不因此受理論限制之情況下，以下指導可係有用的。所需要氧化劑應較佳地具有比(I p-4.56V)正大約0.3V之E o(相比於SHE)，其中I p係半導體膜之離子化電位。
選擇僅充分強大以p摻雜半導體之氧化劑係進一步有利的。更強大氧化劑趨於在周圍環境中係較不穩定的。
半導體之離子化電位係自固體膜中之半導體之HOMO邊緣移除電子所需要之最小能量。此可藉由紫外線光電發射光譜術(UPS)自如下內容得出：光電發射之開始與自光譜中之低動能截止得出之真空位準之間的能量差。
針對底部接觸裝置，適合鍵合陰離子層藉由自組裝沈積在源極-汲極電極表面上。此可藉由以下方式達成：使用旋塗、滴塗、噴墨列印或其他溶液處理方法使基板與所要鍵合陰離子材料之適合溶劑中之稀釋溶液接觸。可藉由實驗得出所需要溶液濃度(通常為0.25至10mg/mL)。可需要室溫或稍微升高溫度下之短接觸時間(1至5min)。接著用適合溶劑移除過多材料。適合溶劑係使鍵合陰離子材料溶解之任何溶劑。中等低溫下之短烘烤可係有用的以進一步改良鍵合陰離子層至電極表面之黏合。熟習此項技術者可判定精確條件。
鍵合陰離子層選擇性地結合至源極-汲極電極陣列而非電極之間 的疏水性空間，亦即，通道區域。以此方式，達成至電極圖案之自對準。
氧化劑可併入至鍵合陰離子材料中或可隨後引入至所沈積鍵合陰離子層中。為進行後一操作，使適合溶劑中之氧化劑之溶液(通常10至50mM)與鍵合陰離子層接觸短時間週期(通常1至30s)且然後藉由在溶劑浴器中自旋或浸洗而移除溶液。然後藉由適合溶劑移除過多氧化劑。適合溶劑係使氧化劑材料而非鍵合陰離子層溶解之溶劑。
然後藉由適合溶劑沈積半導體覆蓋層。此產生與充當抗衡陰離子之鍵合陰離子之經p摻雜界面。可藉由用於沈積半導體之溶劑同時移除經還原氧化劑副產品。在某些情形中，可需要溫和烘烤步驟以激活p摻雜(通常為100至120℃，1分鐘)。
若期望，則可藉由對氧化劑物質在超薄膜中之存在敏感之任何方法驗證氧化劑物質在鍵合陰離子層中之存在。此包含X射線光電發射光譜術。在其中氧化劑物質展現共振增強拉曼散射剖面之情形中，亦可使用拉曼光譜法。
針對頂部接觸裝置，適合鍵合陰離子層藉由自組裝沈積在現在充當基板之半導體表面上。此可藉由使基板與適合溶劑中之稀釋溶液接觸以及如上文所闡述之處理而達成。可併入有氧化劑，如上文所闡述。選擇不允許氧化劑物質滲透超過鍵合陰離子層之氧化劑物質及溶劑係有利的。此意味對於下伏半導體，氧化劑物質應較佳地較大，且溶劑應較佳地係不良溶劑。可驗證鍵合陰離子層之存在，如上文所論述。
在此程序中，將半導體底層與充當抗衡陰離子之鍵合陰離子同時p摻雜。然後可透過陰影遮罩藉由蒸發沈積源極-汲極電極陣列層。然後可透過現在充當遮罩之源極-汲極電極陣列藉由與適合還原劑(例如，胼蒸汽或短氧電漿)之短暫接觸而將通道區域中之p摻雜撤銷激 活。此因此產生自對準至電極陣列之經p摻雜界面。
因此針對頂部閘極底部接觸裝置，首先沈積經圖案化源極-汲極電極陣列層，後續接著併入有氧化劑物質之鍵合陰離子層之自對準沈積，後續接著半導體層、閘極介電層及經圖案化閘極電極層。
針對底部閘極底部接觸裝置，首先沈積經圖案化閘極電極層，然後閘極介電層、經圖案化源極-汲極電極陣列層，後續接著併入有氧化劑物質之鍵合陰離子層之自對準沈積，後續接著半導體層。圖2中圖解說明實施例。
針對底部閘極頂部接觸裝置，首先沈積經圖案化閘極電極層，然後閘極介電層、半導體層、併入有氧化劑物質之鍵合陰離子層，後續接著經圖案化源極-汲極電極層，及然後通道區域中之p摻雜之選用撤銷激活。
針對頂部閘極頂部接觸裝置，首先沈積半導體層，後續接著併入有氧化劑物質之鍵合陰離子層，後續接著經圖案化源極-汲極電極陣列層，及然後通道區域中之p摻雜之選用撤銷激活，後續接著閘極介電層及經圖案化閘極電極層之沈積。
為估計R c，申請人已開發了一種自洽傳輸線方法(TLM)，該方法可自隨源極-汲極電流及通道載子密度而變之所量測電晶體電流-電壓特性可靠地提取此量。簡言之，場效電晶體之轉移曲線針對閘極洩漏經收集及校正。源極-汲極電流(I ds)然後針對不同源極-汲極電壓(V ds)在選定閘極電壓(V gs)下經提取以給出Ids-V ds-V gs表面，且正規化至通道寬度。此表面與多項式函數擬合以在不同I ds及V gs下內插V ds。然後藉由R tot=-V ds/I ds獲得R tot。針對不同通道長度重複此程序以給出R tot與L關係曲線圖，可自該曲線圖作為截距而獲得R c。將R c估計為V gs之函數。然後可藉由自空間電荷限制之電流之模型化減去R c貢獻而獲得R e。針對歐姆接觸，裝置展示R e對I ds及V gs之極小相依性。然後可藉由 與自電流之傳輸線模型自洽地獲得之有效電極區域之正規化而自R c獲得r e。
圖9中展示來自使用中間鍵合陰離子層PSSTPA.之經改良效能FET裝置之接觸電阻提取結果之實例。
針對模型高遷移率電洞類型聚合物有機半導體(聚(N,N-雙(2-辛基十二烷基)-1,4-二酮吡咯[3,4-c]吡咯-3,6-二基-alt-三聯噻吩)(DPPT-T2))量測之金電極之典型r e係大約20Ω cm2，其中I p為5.3eV。此產生類似於或大於R SCLC之相當大之R e。因此，具有短於50μm之通道長度之典型場效電晶體受接觸件限制。使用此處所揭示之本發明，申請人已達成低至2Ω cm2之r e，r e係足夠良好的以達到用於至半導體膜中之電荷載子注入(具有10-3cm2/Vs之體電荷載子遷移率)之理想化歐姆接觸，此在先前係不可能的。
本發明可提供至具有高達5.8eV之I p之半導體之歐姆接觸。該方法適用於在場效電晶體中進行至具有自4.5eV至5.8eV之I p之有機半導體、尤其至具有自5.0eV至5.8eV之I p之半導體的歐姆接觸，此係尤其具有挑戰性的。
本發明亦可藉由簡單擴展而應用於基於金屬氧化物、有機晶體、有機-無機混合晶體、無機奈米晶體與奈米線、富勒烯、碳與其他奈米管及石墨烯作為半導體的其他類型之場效電晶體。
實例 實例1：鍵合陰離子層之中間分子薄層之製備 實例1a：聚(苯乙烯磺酸)(PSSH)-離子交換的
使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSH，科學聚合物產品公司，Mw 70k)。藉由重量分析將其濃度判定為200mg/mL。首先用47mM鹽酸處理1g陽離子交換樹脂(Amberlyst® 15氫型，Sigma-Aldrich)2h且然後用Millipore®水潤洗其。然後將1g H+離子改變之樹脂浸沒至0.437mL之PSSH溶液中2h。然後使用Millipore®水將其稀釋至2mg/mL以供進一步使用。
實例1b：聚(苯乙烯磺酸)(PSSH)-透析的
使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSH，科學聚合物產品公司，Mw 70k)。藉由重量分析將其濃度判定為200mg/mL。在0.1M HCl溶液中透析其且允許攪動2h，重複三次且最終用Millipore®水透析。然後使用Millipore®水將產品透析之PEDT：PSSH溶液稀釋至2mg/mL以供進一步使用。
實例1c：銫聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSCs)-離子交換的
使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSH，科學聚合物產品公司，Mw 70k，200mg/mL)。首先用47mM之醋酸銫溶液(Cs(OAc))處理1g陽離子交換樹脂(Amberlyst® 15氫型，Sigma-Aldrich)2h且然後用Millipore®水潤洗其。然後將此等Cs+離子交換之樹脂浸沒至0.437mL之PSSH溶液中2h。然後使用Millipore®水將產品PSSCs溶液稀釋至2mg/mL以供進一步使用。
實例1d：銫聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSCs)聚陰離子中間層-透析的
使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSH，科學聚合物產品公司，Mw 70k，200mg/mL)。在0.1M CsCl溶液中透析其且允許攪動及旋轉2h，重複三次且最終用Millipore®水透析。然後使用Millipore®水將產品透析之PSSCs溶液稀釋至2mg/mL以供進一步使用。
實例1e：鋰聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSLi)-離子交換的
使用聚(苯乙烯磺酸)(PSSH，科學聚合物產品公司，Mw 70k，200mg/mL)。首先用47mM醋酸鋰溶液(Li(OAc))處理1g陽離子交換樹脂(Amberlyst® 15氫型，Sigma-Aldrich)2h且然後用Millipore®水潤洗其。然後將此等Li+離子交換之樹脂浸沒至0.437mL之PSSH溶液中2h。然後使用Millipore®水將產品PSSLi溶液稀釋至2mg/mL以供進一步使用。
實例1f：鈉聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSNa)
使用如所購買之鈉聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSNa，Fluka)。將其溶解至Millipore®水中之2mg/mL溶液中以供使用。
實例1g：聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDT：PSSH)-透析的
使用如所購買之聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDT：PSSH，Heraeus Precious Metals GmbH & co，比率1：6)。在0.1M HCl溶液中透析其且允許攪動2h，重複三次且最終用Millipore®水透析。然後使用Millipore®水將產品透析之PEDT：PSSH溶液稀釋至2 mg/mL以供進一步使用。
實例1h：聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：銫聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDT：PSSCs)-透析的
使用如所購買之聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)(PEDT：PSSH，Heraeus Precious Metals GmbH & co，比率1：6)。在0.1M CsCl溶液中透析其且允許攪動及旋轉2h，重複三次且最終用Millipore®水透析。然後使用Millipore®水將產品透析之PEDT：PSSCs溶液稀釋至2mg/mL以供進一步使用。
實例2：氧化劑溶液之製備 實例2a：參(4-溴苯基銨)六氯銻酸(TPA+SbCl6 -)
使用如所購買之參(4-溴苯基銨)六氯銻酸(TPA+SbCl6 -，Sigma-Aldrich)。製備無水丙烯碳酸鹽中之30mM之TPAm+SbCl6 -(Sigma-Aldrich)。另一選擇係，可在無水硝基甲烷中或在無水乙腈中或在1：1無水硝基甲烷：甲苯中製備30mM TPAmSbCl6溶液。
實例2b：亞硝鎓六氟銻酸(NO+SbF6 -)
使用如所購買之亞硝鎓六氟銻酸(NO+SbF6 -，Sigma-Aldrich)。製備無水丙烯碳酸鹽中之30mM之NO+SbF6 -(Sigma Aldrich)。另一選擇係，亦可在無水硝基甲烷中或在無水乙腈中或在1：1無水硝基甲烷：甲苯中製備30mM NO+SbF6 -溶液。
實例2c：噻蒽鎓六氟銻酸(ThiA+SbF6 -)
使用如所購買之噻蒽。單獨地，製備無水三氯甲烷中之0.25M噻蒽及無水硝基甲烷中之0.5M NO+SbF6 -。然後以1.1：1.0之化學計量比率將0.19mL亞硝鎓六氟銻酸溶液添加至0.34mL噻蒽溶液中。然後使用無水乙醚沈澱ThiA+SbF6 -，後續接著無水丙烯碳酸鹽中之溶解以給出30mM ThiA+SbF6 -溶液。
實例3：經改良FET效能 實例3a：自與參(4-溴苯基銨)六氯銻酸(TPA+SbCl6 -)離子交換之銫聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSCs)製備具有氧化劑之鍵合陰離子之分子薄層
藉由氧電漿清洗用具有L=10、20、50、100微米及通道長度1釐米之可變通道長度之7-nm Cr/30-nm Au源極-汲極電極製作之0.2-mm厚聚乙烯對苯二甲酸脂(PET)基板(24秒，270W)。然後在60℃下將氧電漿清洗之基板浸沒於2mg/mL PSSCs溶液中10分鐘以在Au源極-汲極電極上沈積PSSCs膜之超薄層。然後以5000rpm脫水該基板且將其退火至120℃以進一步促進Au電極上之超薄層之黏合。用Millipore®水以5000rpm自旋洗滌該基板以移除通道上之任何殘餘PSSCs且在氮淨化環境中將其退火至120℃達10分鐘。PSSCs層之最終厚度係2至3nm。將PSSCs塗佈之Au電極基板放在自旋卡盤上且施配無水丙烯碳酸鹽中之30mM TPA+SbCl6 -以覆蓋基板之表面。在以6000rpm自旋脫離之前保持TPA+SbCl6 -溶液與基板接觸30秒以用於發生離子交換以移除過多摻雜劑，從而產生PSSTPA膜。然後用無水丙烯碳酸鹽以6000rpm自旋洗滌該膜一次以移除過多摻雜劑。然後沈積100-nm厚p類型高遷移率DPPT-T2有機半導體之覆蓋層。然後將500-nm厚閘極介電質聚苯乙烯(Sigma-Aldrich，MW 2M)沈積在有機半導體上面，且藉助7-nm厚Cr/30-nm厚Ag之熱蒸發完成裝置。使用經修改TLM提取之此FET之接觸電阻係18kΩ cm。
圖4展示超薄經p摻雜DPPT-T2有機半導體之紫外線光電子光譜學證據。
圖6展示由7-nm Cr/30-nm Au上之氧化劑陽離子(PSSTPA)抗衡之鍵合陰離子之分子薄層之X射線光電子光譜學證據。
圖7展示摻雜之DPPT-T2有機半導體的X射線光電子光譜學證據。
圖8展示在修改及不修改Au源極-汲極電極之情況下DPPT-T2有機半導體頂部閘極底部接觸場效電晶體之轉移(左面板)及輸出(右面板) 曲線。
實例3b：由氧化劑陽離子抗衡之鍵合陰離子之分子薄層係PSSNO
如實例3a中所闡述而製作FET，其中自用無水丙烯碳酸鹽中之NO+SbF6 -之30mM氧化劑溶液處理之0.5至2nm PSSCs膜製備鍵合陰離子之分子薄層。使用經修改TLM提取之此FET之接觸電阻係22kΩ cm。
圖8展示在修改及不修改Au源極-汲極電極之情況下DPPT-T2有機半導體頂部閘極底部接觸場效電晶體之轉移(左面板)及輸出(右面板)曲線。
實例3c：由氧化劑陽離子抗衡之鍵合陰離子之分子薄層係PSSThiA
如實例3a中所闡述而製作FET，其中鍵合陰離子之分子薄層係用在無水丙烯碳酸鹽中溶解之ThiA+SbF6 -之30mM氧化劑溶液處理之3nm PSSCs膜。
實例3d：由氧化劑陽離子抗衡之鍵合陰離子之分子薄層係PEDT：PSSTPA。
如實例3a中所闡述而製作FET，其中自用在無水丙烯碳酸鹽中溶解之TPA+SbF6 -之30mM氧化劑溶液處理之2至3nm PEDT：PSSH膜製備鍵合陰離子之分子薄層。
實例3e：由氧化劑陽離子抗衡之鍵合陰離子之分子薄層係PEDT：PSSThiA
如實例3a中所闡述而製作FET，其中自與在無水丙烯碳酸鹽中溶解之ThiA+SbF6 -之30mM氧化劑溶液離子交換之2至3nm PEDT：PSSCs製備鍵合陰離子之分子薄層。
實例3f：由氧化劑陽離子抗衡之鍵合陰離子之分子薄層係PEDT：PSSTPA
如實例3a中所闡述而製作FET，其中自與無水丙烯碳酸鹽中之TPA+SbCl6 -之30mM氧化劑溶液離子交換之2至3nm PEDT：PSSCs製備 鍵合陰離子之分子薄層。
圖3展示經p摻雜DPPT-T2有機半導體膜之拉曼光譜學證據。
實例4：較低FET效能 實例4a：鍵合陰離子之分子薄層係銫聚(苯乙烯磺酸鹽)(PSSCs)。
藉由氧電漿清洗用具有L=10、20、50、100微米及通道長度1釐米之可變通道長度之7-nm Cr/30-nm Au源極-汲極電極製作之0.2-mm厚聚乙烯對苯二甲酸脂(PET)基板(24秒，270W)。然後在60℃下將氧電漿清洗之基板浸沒於2mg/mL PSSCs溶液中10分鐘以在Au源極-汲極電極上沈積PSSCs膜之超薄層。然後以5000rpm脫水該基板且將其退火至120℃以進一步促進Au電極上之超薄層之黏合。用Millipore®水以5000rpm旋轉洗滌該基板以移除通道上之任何殘餘PSSCs且在氮淨化環境中將其退火至120℃達10分鐘。PSSCs層之最終厚度係2至3nm。然後將100-nm厚p類型高遷移率DPPT-T2有機半導體沈積在摻雜劑中間層上。然後將500-nm厚閘極介電質聚苯乙烯(Sigma-Aldrich，MW 2M)沈積在有機半導體上面，且藉助7-nm厚Cr/30-nm厚Ag之熱蒸發完成裝置。使用經修改TLM提取之此FET之接觸電阻係27kΩ cm。不具有併入有氧化劑陽離子之鍵合陰離子層之此裝置給出顯著較低效能裝置，具有較高R c。
圖5展示由7-nm Cr/30-nm Au上之旁觀陽離子(PSSCs)抗衡之鍵合陰離子分子薄層之X射線光電子光譜學證據。
圖8展示在修改及不修改Au源極-汲極電極之情況下DPPT-T2有機半導體頂部閘極底部接觸場效電晶體之轉移(左面板)及輸出(右面板)曲線。
11‧‧‧源極電極層
12‧‧‧半導體層
13‧‧‧汲極電極層
14‧‧‧閘極介電層
15‧‧‧閘極層
16‧‧‧鍵合陰離子層
17‧‧‧界面
21‧‧‧源極電極層
22‧‧‧半導體層
23‧‧‧汲極電極層
24‧‧‧閘極介電層
25‧‧‧閘極層
26‧‧‧鍵合陰離子層
27‧‧‧界面
31‧‧‧源極電極層
32‧‧‧半導體層
33‧‧‧汲極電極層
34‧‧‧閘極介電層
35‧‧‧閘極層
36‧‧‧鍵合陰離子層
37‧‧‧界面
41‧‧‧源極電極層
42‧‧‧半導體層
43‧‧‧汲極電極層
44‧‧‧閘極介電層
45‧‧‧閘極層
46‧‧‧鍵合陰離子層
47‧‧‧界面
圖1展示併入有在其與鍵合陰離子層(分別為16、26、36、46)之界面(分別為17、27、37、47)處經p摻雜之半導體層(分別為12、22、32、42)之四個可能FET裝置組態之示意性表示：(a)底部接觸底部閘極電晶體組態，(b)頂部閘極底部接觸電晶體組態，(c)底部閘極頂部接觸電晶體組態，(d)頂部閘極頂部接觸電晶體組態。「底部閘極」組態係指其中閘極層(15、25、35、45)及閘極介電層(14、24、34、 44)在半導體層(12、22、32、42)下面之彼等組態。「頂部閘極」組態係指其中閘極層及閘極介電層在半導體層上面之彼等組態。「底部接觸」組態係指其中源極電極(11、21、31、41)及汲極電極(13、23、33、43)層在半導體層下面之彼等組態。「頂部接觸」組態係指其中源極及汲極電極層在半導體層上面之彼等組態。
圖2展示在與鍵合陰離子層之界面處併入有經p摻雜半導體之BGBC組態之製作方法。
圖3展示來自Au上之原始3-nm厚DPPT-T2有機半導體膜覆蓋層(長黑虛線)與由Au上之氧化劑陽離子PEDT：PSSTPAm抗衡之鍵合陰離子層(黑色實線)之差光譜的經p摻雜DPPT-T2有機半導體膜(短黑色虛線)之拉曼光譜學證據。
圖4展示超薄經p摻雜DPPT-T2有機半導體之紫外線光電子光譜學證據。20-nm厚DPPT-T2原始膜在Au上(最左邊面板)。沈積在由Au上之旁觀陽離子(PSSCs)抗衡之鍵合陰離子層上之3-nm厚DPPT-T2膜之E F-HOMO間隙減小(中間面板)且在沈積在由Au上之氧化劑陽離子(PSSTPA)抗衡之鍵合陰離子層上時E F-HOMO間隙進一步減小(右面板)。
圖5展示由7-nm Cr/30-nm Au上之旁觀陽離子(PSSCs)抗衡之鍵合陰離子分子薄層之X射線光電子光譜學證據。(a)S 2p、Cs 4p(b)Cs 3d(c)Cl 2p
圖6展示由7-nm Cr/30-nm Au上之氧化劑陽離子(PSSTPA)抗衡之鍵合陰離子之分子薄層之X射線光電子光譜學證據(a)S2p、Cs 4p(b)Cs 3d(c)Cl 2p。
圖7展示摻雜之DPPT-T2有機半導體的X射線光電子光譜學證據。(a)7-nm Cr/30-nm Au上之20-nm厚原始DPPT-T2有機半導體膜之S2p核心位準XPS；(b)由氧化劑陽離子(PSSTPA)抗衡之鍵合陰離子之分 子薄層上之3-nm厚原始DPPT-T2有機半導體膜之S2p核心位準XPS(c)(a)與(b)之差光譜揭露朝向高結合能尾之擴展。
圖8展示在修改及不修改Au源極-汲極電極之情況下DPPT-T2有機半導體頂部閘極底部接觸場效電晶體之轉移(左面板)及輸出(右面板)曲線(a)Au(b)PSSCs/Au(c)PSSH/Au(d)PSSTPA/Au(e)PSSNO/Au。
圖9展示針對使用由氧化劑陽離子(PSSTPA)抗衡之鍵合陰離子層之經改良DPPT-T2有機半導體頂部閘極底部接觸場效電晶體使用傳輸線方法(TLM)在一定範圍的正規化電流(I)及閘極電壓(V g)值內提取之接觸電阻(R c)值之離散。
11‧‧‧源極電極
12‧‧‧半導體層
13‧‧‧汲極電極
14‧‧‧閘極介電層
15‧‧‧閘極層
16‧‧‧鍵合陰離子層
17‧‧‧界面
21‧‧‧源極電極
22‧‧‧半導體層
23‧‧‧汲極電極
24‧‧‧閘極介電層
25‧‧‧閘極層
26‧‧‧鍵合陰離子層
27‧‧‧界面
31‧‧‧源極電極
32‧‧‧半導體層
33‧‧‧汲極電極
34‧‧‧閘極介電層
35‧‧‧閘極層
36‧‧‧鍵合陰離子層
37‧‧‧界面
41‧‧‧源極電極
42‧‧‧半導體層
43‧‧‧汲極電極
44‧‧‧閘極介電層
45‧‧‧閘極層
46‧‧‧鍵合陰離子層
47‧‧‧界面

Claims (14)

  1. 一種包括經圖案化閘極電極之一個或複數個層之場效電晶體裝置，該經圖案化閘極電極之一個或複數個層毗連於閘極介電質之一個或複數個層，該閘極介電質之一個或複數個層毗連於半導體之一個或複數個層，該半導體之一個或複數個層毗連於鍵合陰離子之分子薄層，該鍵合陰離子之分子薄層毗連於經圖案化源極及汲極電極陣列之一個或複數個層，其中：該半導體在與該鍵合陰離子層之界面處經p摻雜；且該鍵合陰離子之分子薄層能夠結合至該鍵合陰離子之分子薄層於其上形成的該基板。
  2. 如請求項1之裝置，其中該等鍵合陰離子係選自由以下各項組成之群組：磺酸根、氟烷基磺酸根、羧酸根、氟烷基羧酸根、膦酸根、磷酸根、硫酸根及其組合。
  3. 如請求項1之裝置，其中該等鍵合陰離子係附接至聚合物或低聚物主鏈且在該基板上形成分子薄層。
  4. 如請求項1之裝置，其中該鍵合陰離子之分子薄層具備能夠鍵合至該等源極及汲極電極表面之基板結合基團。
  5. 如請求項1之裝置，其中該鍵合陰離子之分子薄層具備能夠鍵合至該半導體表面之基板結合基團。
  6. 一種包括鍵合陰離子及氧化劑物質之含氧化劑分子薄層，其中：該等鍵合陰離子係附接至聚合物或低聚物主鏈；且該等氧化劑物質係低分子量物質，在施加有該等低分子量物質之溶劑中，該等低分子量物質相比於標準氫電極具有大於或等於0.5V之標準電極電位；該層能夠p摻雜毗鄰半導體層以給出向半導體中進行之歐姆電 洞注入或自該半導體進行之歐姆電洞提取。
  7. 如請求項6之層，其中該等氧化劑物質係能夠藉由單電子轉移給出氧化之一個或複數個陽離子，較佳地單價陽離子。
  8. 如請求項6之層，其中該等氧化劑物質係能夠給出氧化之一個或複數個陰離子。
  9. 如請求項7之層，其中該單價陽離子係選自由以下各項組成之群組：參(對硝基苯基)銨、參(2,4-二溴苯基)銨、參(對氰基苯基)銨、參(對溴苯基)銨、參(對丁基苯基)銨)、參(對甲氧基苯基)銨、噻蒽鎓、亞硝鎓、硝鎓及其組合。
  10. 如請求項6之層，其中該等鍵合陰離子係選自由以下各項組成之群組：磺酸根、氟烷基磺酸根、羧酸根、氟烷基羧酸根、膦酸根、磷酸根、硫酸根及其組合。
  11. 如請求項6之層，其中該聚合物或低聚物具備基板結合基團。
  12. 一種製作如請求項6至請求項11中任一項之層之方法，其包括如下步驟：沈積具有鍵合陰離子及第一抗衡陽離子之聚合物或低聚物之分子薄層，後續接著以氧化劑陽離子來交換該第一抗衡陽離子。
  13. 一種製作如請求項1至請求項5中任一項之裝置之方法，其包括以適合於裝置組態之順序進行的如下步驟：沈積該等經圖案化源極-汲極電極層，沈積如請求項6之層，沈積該等半導體層，沈積該等閘極介電層，沈積該等經圖案化閘極電極層。
  14. 一種包括如請求項1至請求項5中任一項之裝置之電子電路。
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