TWI376826B - Electrolyte transistor and method of fabricating the same - Google Patents

Description

1376826 P51960079TWCI 24972-ltwf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於-種電晶體及其製造方法，且特 有關於一種電解質電晶體及其製造方法。 【先前技術】 電晶體是半導體製程中最基本的電子元件。典型的電 晶體為一種金氧半場效電晶體。金氧半場效電晶^是由金 屬\氧化，\半導魏序疊在—起所形細似電容的結構。 ^於金氧半場效電晶體是形成在硬式矽基板上，其成本較 高且在應用上受到較大的限制。 目前已有研究使用半導體聚合物來製作有機場效電晶 體。有機場效電晶體是以半導體聚合物來做為通道，其工 作原理主要是透過外加電場來使半導體聚合物中帶電載子 特性產生改變。有機場效電晶體的優點是在低溫過程 (<100°c)有較好的機械性質，且元件整體重量比傳統電晶 體輕很多。再者’其製程成本較低，也可以節省時間。此 外’其可以製作大面積元件，且可應用於可撓性電子元件。 另—種電晶體為電化學電晶體元件，其是利用有機材 料的電化學氧化還原反應來達成其功效。此種電化學電晶 體元件中的有機材料主要包括電解質以及導電高分子，其 可在氧化態和還原態之間轉換。換言之，有機材料至少具 有兩種狀態’其中一個為低導電度之還原態；而另一個為 導電度相對較前者高之氧化態。此種元件可利用其導電度 5 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 用的差異來應用於感應器，例如是用來感測溶液的氧化情 形。然而，通常此種元件的製作成本較高且製程較為困 難以大量製造。 ’ 【發明内容】 本發明提出一種電解質電晶體，其包括閘極結構、二 源極/汲極、電解質層與埋入式導電層。閘極結構包括閘介 電層與閘極’位於基板上^ m極，彼此分離，位 於閘極結構兩觸基板上方。電解質層，位於二源極/沒極 之間並與其接觸’並域於閘極結構與基板之間並與其接 觸。埋人式導電層，位於電解質層與基板之間。二源極/ ;及極之間的電解質層具有—通道，藉由 反應來改«導紐，㈣啟或義通道。 還原 本發明提出—種電解質電晶體的製造方法。此法包括 ==?式ί電層。然後，在基板上形成介電層， 、η 裸路出埋入式導電層。接著，於σ rfl 側的介電|±分_麵勤 ^ ==結:後，於電―= ㈣爾基板來製 為讓本發明能更明顯易懂， 所附圖式，做詳細說明如 下文特舉實施例，並配合 下 6 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 【實施方式】 圖1A至ID是依據本發明實施例所繪示之一種電解 質電晶體的製造流程剖面示意圖。 請參照圖1A，於基板1〇〇上形成埋入式導電層1〇2。 基板100可以是硬式基板或是可撓式基板。硬式基板例如 半導體基板如矽基板、半導體化合物基板如矽鍺基板、絕 緣基板如玻璃或是絕緣層上有矽(S0I)基板。可撓式基板例 如塑膠基板如聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene 攀 Terephthalate，PET)、聚萘二甲酸乙二酯（p〇ly(ethylene naphthalene-2,6-dicarboxylate) ， PEN)、聚乙稀 (Polyethylene)、聚丙烯、聚羰酸醋(p〇lycarb〇nate);紙；覆 層紙(coated paper)，其覆層如樹脂、聚乙烯或聚苯烯；瓦 愣纸板(corrugated board)或層壓紙(paper laminate)。埋入式 導電層102之材質例如是金屬、金屬合金或金屬氮化物， ，铭、金、銀、銅、鶴、錄、鋼紹合金、氮化欽、氮化組、 氮化鉬或其组合。埋入式導電層1〇2可以採用噴墨印刷技 籲術直接形成之。i里入式導電層1〇2的形成方法也可以先以 電鍍或是氣相沈積的方式先形成毯覆式埋入式導電材料 層，再經由微影與蝕刻製程以使其圖案化。氣相沈積法包 括化學氣相沈積法或是物理氣相沈積法如濺鍍、蒸鍍。 接著，請繼續參照圖1A，在基板1〇〇上形成介電層 =4。介電層104具有開口 112，裸露出埋入式導電層1〇2。 介電層104之材質例如是聚合物如聚乙烯酚(pvp)、氧化 矽、四乙基矽氧烷(TE0S)氧化矽、無摻雜矽玻璃、磷矽玻 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 璃(PSG)、硼磷矽玻璃(BPSG)、氟掺雜矽玻璃(FSG)、旋塗 式玻璃(SOG)、氮化矽、介電常數低於4之介電層等。介 電層辦的形成方法可以與埋入式導電層1〇2相同或相 異。介電層104的形成方法例如是採用噴墨印刷的技術直 接形成具有開口 112之介電層1〇4❶介電層1〇4的形成方 法也可以採用化學氣相沈積技術或是旋塗技術先形成毯覆 式介電材料層，再經由微影、蝕刻製程圖案化，以形成具 有開口 112之介電層1〇4。 ’、 之後，請參照圖1B，於開口 112兩側的介電層1〇4 上分別形成源極/汲極1〇6。源極/汲極1〇6之材質可以與埋 入式導電層102相同或相異。源極/汲極1〇6之材質 紹、銀:金、白金、銅、銅紹合金、鎮、錄、氮化欽、氮 化組、氮化翻或其組合。源極/沒極1〇6的形成方法可以與 埋入式導電層102或介電層刚者相同或相異。源極/沒本玉 刚的形A方法可以採用喷墨印刷技魅接形成 極106的形成方法也可以先以電錢或是氣相沈積的方式先 形成毯覆式導電材料層，再經由微影與餘刻製程以使其 案化。氣相沈積法包括化學氧相沈積法或是物 ς 法如錢鍍、驗。 μ相沈積 八後哨參知、圖1C，在兩源極/汲極1〇6之問 以電性連接埋入式導電層1〇2與兩源極/沒極 曰電解質層108之材質例如是固態電解質。固態 列如是摻祕、銅、鉻或鈮之雜鍺(GeSe)、硫^ 价se、AgTeS*AgSeS。固態電解質也可以是有機材料。 8 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 有機材料可以透過電化學之方式’藉由氧化還原狀態的改 差’以改變其導電性。有機材料為一種聚合物，其至少在 一氧化狀態具有導電性。有機材料還可選擇性地再包括聚 陰離子化合物(poly anion compound)。在一實施例中，此聚 合物材料是選自於由聚嗟吩(polythiophenes)、聚π比略 (polypyrroles)、聚苯胺（p〇lyanilines)、聚異唑萘 (polyisothianaphtalenes)、聚苯撐乙烯（polyphenylene vinylenes)及其共聚合物所組成之族群。在一實施例中，聚 合物材料為3,4-二烧氧基嘆吩(3,4-dialkoxythiophene)之聚 合物或是共聚合物。3,4-烧氧基嗟吩中的兩個烧氧基可以 相同或相異，或共同構成一選擇性取代的氧-亞燒-氧橋 (oxy-alkylene-oxy bridge)。在一實施例中，3,4-二烷氧基噻 吩是選自於由聚（3,4-亞曱基二氧嘆 吩)(poly(3,4-methylenedioxythiophene))、聚(3,4-亞乙基二 氧售吩）（?〇1丫(3,4^11)^116(1丨〇义>^11丨〇卩]161^)、聚(3,4-亞丙基 二氧嗟吩)（p〇ly(3,4-propylenedioxythiophene))以及聚(3,4-亞丁基二氧垄吩）（poly(3,4-butylenedioxythiophene))所組 成之族群。聚陰離子化合物為聚（苯乙稀確酸)(p〇ly(styrene sulphonic acid))或其鹽類。 固態電解質更包括黏結劑(binder)。黏結劑具有膠體 特性。黏結劑選自於明膠(gelatine)、明膠衍生物(gelatine derivative)、聚丙婦酸(polyacrylic acid)、聚甲基丙烯酸 (polymethacrylic acid)、聚乙烯 洛院酮 (poly(vinyl-pyrrolidone)、多膽體(polysaccharides)、聚丙烯酿胺 9 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n (polyaerylamides)、聚胺基甲酸醋(p〇iyurethanes)、聚環氧丙烧 (polypropylene oxides)、聚環氧乙烷(polyethylene oxides)、聚 (苯乙稀續酸）（p〇ly(styrene sulphonic acid))以及聚乙稀醇 (poly(vinyl alcohol))及其鹽類以及其共聚物且其可選擇性地 被交聯所組成之族群。固態電解質可更包括離子鹽。此外， 固態電解質可更包括吸濕鹽(hygroscopic salt)例如是氯化 鎂，以保持其所含之水分。電解質層108的形成方法可以 與源極/汲極106、埋入式導電層102或介電層1〇4相同或 相異。電解質層108的形成方法可以採用喷墨印刷技術直 接在兩源極/汲極106之間以及部分的兩源極/汲極1〇6上 復蓋電解質層108。電解質層108的形成方法也可以利用 物理氣相沈積如濺鍍、蒸鍍的方式形成毯覆式電解質材料 層，再經由微影與蝕刻製程以使其圖案化。 、 之後，請參照圖1D，在電解質層108上形成閘極結 構116。閘極結構116包括閘介電層11〇與閘極114。閘介 ，層110之材質例如是氧化石夕、氮化石夕、氮氧化石夕或其他 ^ 向介電常數材料。閘介電層HG的形成方法可以與源極/ 汲極106、埋入式導電層102或介電層1〇4者相同.或相異。 閑介電層110形成的方法例如是以喷墨印刷技術、旋塗技 術、熱氧化法或是化學氣相沈積法。閘極114之材質可以 與源極/汲極106、埋入式導電層1〇2相同或相異。閉極m ，材質例如是紹、銀、金、白金、銅、脑合金、鶴、錄、 統鈦、氮化组、氮化錮或其組合。閘極114的形成方法 可以與閘介電層1U)、源極你極1G6、埋人式導電層1〇2 1376826 24972-ltwf.doc/n P51960079TWC1 或二電層104者相同或相異。閘極H4的形成方法可以採 用噴墨印刷技術直接形成。閘極1M的形成方法也可以先 以電鍍或是氣相沈積的方式先形成毯覆式導電材料層，再 經由微影與蝕刻製程以使其圖案化。氣相沈積法包括化學 氣相沈積法或是物理氣相沈積法如賤鍍、蒸鐘。 +在一實施例中，閘極114、閘介電層11〇均採用相同 的喷墨印刷技術來形成之。由於其製程可完全不需進行微 影與蝕刻製程，因此，其製程簡便、快速。 在本發明實施例中’在二源極/沒極1 〇6之間的電解質 層108可做為通道120，電解質層108藉由氧化還原反應 來改變其導電性，以開啟或關閉通道120。在一實施例中， 此兀件屬空乏型(depletion mode)電晶體，在不施加偏壓給 閘極m時，電解質層應為具有高導電度的氧化態；當 在此元件的閘極114施加正壓時，閘極114下方之電解質 層108被還原成具有低導電度的還原態。換言之，在不施 加偏壓給閘極114,而埋入式導電層1〇2接地或浮置且兩 源極/汲極106之間有壓差時，源極/汲極1〇6之間的通道 區之電流導通。而在施加正壓給閘極114，埋入式導電層 102接地，源極1〇6接地，且汲極1〇6接正電壓時，電子 由接地或浮置的埋入式導電層1〇2提供給閘極114下方的 ，解質層1G8,使其發生還原反應成具有低導電度的還原 態，而導致通道關閉。由於電子供應源在通道的正下方， 因此，可有效縮短電子位移長度(electr〇nmigrateleng出）。 另一方面，由於埋入式導電層1〇2可與電晶體的源極1〇6 連接，使元件在操作時，閘極114和埋入式導電層1〇2自 11 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 〒生電位差，進而造成電荷在電解質内 __lt_㈣。因此’本發明可藉由 乂 = 短以及自然產生電位差來大幅提昇電晶體的反應;Ϊ的細 本發明實施例中，埋入式導電層可與電晶體的源極連 接，使兀件在操作時’閘極和埋人式導電層自然產生電位 差’因此，在進行操作時，不需要另外提供負電源給間極。

另一方面，由於本發明實施例之電解質電晶體為垂直 式結構，電荷能夠及時供應給兩源極/汲極之間的 的電解質使電解質可以迅速進行氧化還原反應，因此中 電晶體的反應速度非常快。 本發明實施例之電解質電晶體可以是一種在施加偏壓 的情況下，電解質内的氧化還原狀態才會發生改變，而在 移除偏壓之後，電解質内的移動電子以及移動離子會重新 回到最初狀態的元件，因此可應用於動態電解質電晶體 (dynamic electrolyte transistor)或雙態電解質電晶體 (bi-stable electrolyte transistor)上。

本發明實施例之電解質電晶體，其可以使用可撓性基 板來製作，且製造方法簡易，可大量製造。 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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範 圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1A至1D是依據本發明實施例所繪示之一種電解 12 .1376826 P5L960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 質電晶體的製造流程剖面示意圖。 【主要元件符號說明】 100 :基板 102 :埋入式導電層 104 :介電層 106 :源極/汲極 108 :電解質層 • 110:閘介電層 112 :開口 114 :閘極 116 :閘極結構 120 :通道 13

Claims (1)

1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 十、申請專利範固： 1. 一種電解質電晶體，包括： 一閘極結構，包括一閘介電層與一閘極，位於一基板 上方； 二源極/及極，彼此分離，位於該閘極結構兩側的該基 板上方； 一電解質層，位於該二源極/汲極之間並與其接觸，並 且位於該閘極結構與該基板之間；以及 一埋入式導電層，位於該電解質層與該基板之間， 其中，該二源極/汲極之間的該電解質層包括一通道， 藉由該電解質層的氧化還原反應來改變其導電性，以開啟 或關閉該通道。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電解質電晶體，其中 該電解質層之材質包括固態電解質。 3. 如申睛專利範圍第2項所述之電解質電晶體，其中 該固態電解質包括換雜銀、銅、鉻或銳之砸化錯(GeSe)、 硫化鍺(GeS)、AgTeSe、AgTeS、. AgSeS或是有機材料。 4·如申請專利範圍第3項所述之電解質鼋晶體，其中 有機材料為一種聚合物材料。 ' 5.如申請專利範圍第4項所述之電解質電晶體，其中 該聚合物材料是選自於由聚噻吩(p〇lythi〇phenes)、聚吡咯 (polypynroles)、聚苯胺（p〇lyanilines)、聚異唑萘 (polyisothianaphtalenes)、聚苯撐乙烯（p〇lyphenylene vinylenes)及其共聚合物所組成之族群。 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 6·如申請專利範圍第4項所述之電解質電晶體，其中 該♦合物材料為3,4-二烧氧基嘆吩(3,4-dialkoxythiophene) 之聚合物或是共聚合物。 7. 如申請專利範圍第6項所述之電解質電晶體，其中 該二烧氡基嗟吩(3,4-dialkoxythiophene)之聚合物或是 共聚合物是選自於由聚（3,4-亞甲基二氧噻 吩)(？〇1丫(3,4-1116|：11716116(11〇乂)^1^〇卩1^116))、聚(；3,4-亞乙基二 氧0塞吩）（卩〇以(3,4-6也)^]16(11〇又)^1^〇卩1^加）、聚(3,4-亞丙基 二氧售吩)（poly(3,4-propylenedioxythiophene))以及聚(3,4_ 亞丁基二氧塞吩）（poly(3，4-butylenedioxythiophene))所組 成之族群。 8. 如申請專利範圍第3項所述之電解質電晶體，其中 該有機材料更包括陰離子化合物(polyanion compound)。 9. 如申請專利範圍第8項所述之電解質電晶體，其中 該陰離子化合物包括聚(苯乙烯磺酸)或其鹽類。 10. 如申請專利範圍第3項所述之電解質電晶體，其 中該有機材料更包括黏結劑(binder)。 11·如申請專利範圍第10項所述之電解質電晶體， 其中該黏結劑選自於明膠(gelatine)、明膠衍生物(gelatine derivative)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、聚曱基丙烯酸 (polymethacrylic acid) 聚乙烯 °比 11各烧酮 (poly(vinyl-pyrrolidone)、多醣體(polysaccharides)、聚丙烯醯胺 (polyacrylamides)、聚胺基甲酸酯(polyurethanes)、聚環氧丙烧 (polypropylene oxides)、聚環氧乙烧(polyethylene oxides)、聚 15 .1376826 • P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n 於P㈣思 成—電解質層；以及 問極結^ 成—閉介電層與—閘極，以構成一 .止方專利範圍第19項所述之電解質電晶體的製 ^該；|電層、該二源極/沒極、該電解質層、該 〇

、土古、土甘士吻專利觀圍第2〇項所述之電解質電晶體的製 二減德，:該介電層、該二源極/波極、該電解質層、該 甲、I，口以及。亥埋入式導電層是以喷皇印刷的技術形成 的0 22.如_睛專利範圍第19項所述之電解質電晶體的 製造方法，其^該電解質層之材質包括《電解質。 23·如申請專利範圍第22項所述之電解質電晶體的 製造方法’其巾該關電解質包括摻祕、銅、鉻或銳之 石西，鍺(G:Se)、硫化鍺(GeS)、AgTeSe、AgTeS或知㈣， 或是可以藉由電化學方式透過其氧化還原狀態的改變而具 有導.電性之有機材料。 24. 如令請專利範圍第23項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中有機材料為一種聚合物材料。 25. 如申請專利範圍第24項所述之電解質電晶體的 製造方法’其中該聚合物材料是選自於由聚噻吩 (polythiophenes)、聚 π比 „各（p〇iypyrr〇ies)、聚苯胺 (polyanilines)、聚異α坐萘(p〇iyis〇thianaphtalenes)、聚苯樓 乙晞(polyphenylene vinylenes)及其共聚合物所組成之族 17 1376826 P51960079TWC1 24972-ltwtdoc/n 群0 26·如申請專利範圍第24項所述之電解質電晶體的 製造方法’其中該聚合物材料為3,4-二烷氧基嗓吩 (3,4-dialkoxythiophene)之聚合物或是共聚合物。 27. 如申請專利範圍第26項所述之電解質電晶體的 製造方法’其中該3,4-一烧乳基雀吩(3,4-dialkoxythiophene) 之聚合物或是共聚合物是選自於由聚(3,4-•亞曱基二氧嗟 吩)(P〇ly(3,4-methylenedioxythiophene))、聚(3,4-亞乙基二 氧嚷吩）（卩〇1丫(3,4-6出)461^出〇父>^1^〇卩116116)、聚(3,4-亞丙基 二氧嗟吩)（p〇ly(3,4-propylenedioxythiophene))以及聚(3,4-亞 丁基二氧噻吩）（poly(3,4-butylenedioxythi〇phene))所組 成之族群。 28. 如申請專利範圍第23項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中該有機材料更包括陰離子化合物(polyanion compound) 〇 29. 如申請專利範圍第28項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中該障離子化合物包括聚（苯乙烯磺酸)或其 鹽類。 30. 如申請專利範圍第23項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中該有機材料更包括黏結劑(binder)。 31·如申請專利範圍第30項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中該黏結劑選自於明膠(gelatine)、明膠衍生物 (gelatine derivative)、聚丙烯酸(p〇iyacryiic acid)、聚曱基丙烯 酸（polymethacrylic acid)、聚乙烯吡咯烷酮 18 P51960079TWC1 24972-ltwf.doc/n (poly(vinyl-pyrrolidone)、多酷體(polysaccharides)、聚丙烯酿胺 (polyacrylamides)、聚胺基曱酸酯(polyurethanes)、聚環氧丙烧 (polypropylene oxides)、聚環氧乙烧(poly ethylene oxides)、聚 (苯乙烯續酸)以及聚乙稀醇（p〇ly(vinyl alcohol))及其鹽類以 及其共聚物所組成之族群。 32. 如_請專利範圍第22項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中該固態電解質更包括離子鹽。 33. 如夺請專利範圍第19項所述之電解質電晶體的 製造方法，其中該二源極/汲極之材質包括鋁、銀、金、白 金銅銅銘合金、鶴、錄、氮化鈦、氮化紐、氮化銦或 其組合。 制，生方丰如Λ!’專利範圍第19項所述之電解質電晶體的 雜之材f包括IS、銀、金、白金、銅、 5 35 錄、氮化欽、氮化组、氮化鉬或其組合。 製造方法，其解質電晶體的 或其級合。嫣錄、氮化鈦、氮化组、氮化銷