TWI438951B - 有機場效電晶體 - Google Patents

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Description

有機場效電晶體
本發明係關於一種有機場效電晶體。
目前習知的有機場效電晶體包含：源極與汲極電極；半導體層，由安置於至少源極與汲極電極之間的有機半導體材料製成；閘極電極；以及電絕緣層，放置於閘極電極與半導體層之間。
當電勢被應用至閘極電極時，半導體層中出現的電荷載子集中在半導體層與絕緣體之間的介面處，同時僅僅保持在半導體層中。然後這種電荷載子的聚集形成電晶體之導通態之傳導通道特性。
有機場效電晶體係使用有機半導體材料被生產，還被縮寫為有機場效電晶體(OFET；Organic Field Effect Transistor)。
有機半導體係為晶體或聚合體形式之有機化合物，展示出與無機半導體類似之特性。這些特性係透過電子與電洞被實現，並出現能隙。這些材料形成有機電子元件。
特別地，1970年發現具有傳導特性之聚合體，在巨大的微電子領域在可行性方面真正掀起了波瀾，為製造低成本塑膠基板之元件提供了新前景。最近幾年，在這個新的研究領域已經取得重大進展，通常稱為〞塑膠電子(plastic electronics)〞。基於有機發光二極體之顯示螢幕已經商業化，並被整合至數位照相機、車用無線電(car radios)或者甚至電鬍刀(electric razors)內。因此，有機發光二極體之迅猛發展激發了對有機電子元件之其他應用的研究，例如基於有機半導體或有機場效電晶體之光伏打(photovoltaic)太陽能面板，從而允許在撓性基板上製造低成本之積體電路。
然而，業界仍然需要努力改善有機電晶體之電傳導性能。
為此目的，本發明提供一種有機場效電晶體，包含：源極電極與汲極電極；半導體層，由放置於至少源極電極與汲極電極之間的有機半導體材料製成；閘極電極，適合產生用以增加在半導體層之移動電荷載子密度之電場，從而當電壓VG被應用至閘極電極時，在源極電極與汲極電極之間的此半導體層中產生傳導通道；以及電絕緣層，放置於閘極電極與半導體層之間，其特徵在於更包含壓電層，接近傳導通道被安置，位於源極與汲極電極之間的半導體層中或者關於電絕緣體之閘極電極之相對側面之上，與源極及汲極電極並排，壓電層與源極電極及汲極電極以及該半導體層電隔離。
因此，當電壓VSD被應用至源極與汲極電極以及電壓VG被應用至閘極電極時，壓電層用於在源極與汲極電極之間產生機械波。
半導體層中源極與汲極電極之間產生機械波降低金屬與半導體之間的勢壘，因此能夠提高半導體層中電荷注入，從而增加流入傳導通道之電荷數量。
依照有機電晶體之一或多個特徵，單獨或組合：絕緣層，被插入壓電層與源極及汲極電極之間；壓電層之縱軸幾乎與源極及汲極電極所定義的軸平行；壓電層的材料包含大於30%的機電耦合係數；壓電層的厚度至少在電極間空間中可變；壓電層至少延伸至源極與汲極電極；絕緣層至少延伸至源極與汲極電極；半導體層係為p型，絕緣層包含小於3的介電係數；壓電層係為天然晶體、合成陶瓷或聚合形式；以及有機電晶體包含外部電源供應裝置以用於壓電層。
以下，將結合圖式部份對本發明的較佳實施方式作詳細說明。其中在這些圖式部份中所使用的相同的參考標號代表相同或同類部件。
「第1圖」所示係為第一實施例製造的有機場效電晶體2。電晶體2包含基板4，基板4上產生源極6與汲極8電極。例如，基板4具有125微米之厚度，源極6與汲極8電極具有至少30奈米之厚度。本文中，形成電晶體2之各種電極以及層沈積在基板4上，其中沿與基板4之表面垂直的垂直方向Z測量厚度。源極6與汲極電極透過電極間空間C被分隔。
由有機半導體材料製成的半導體層10係沈積於至少源極6與汲極8電極之間，例如沈積於源極6與汲極8電極上方。有機半導體層10可以為p型或n型，並且可以為聚合體或晶體之形式。
此半導體層10與源極6及汲極8直接接地機械且電接觸，並且至少填充用於分隔源極6與汲極8電極之電極間空間C。本文中術語〞直接接觸〞意味著此接觸之發生無須穿過中間層。例如，半導體層10之最小厚度係處於50奈米與500奈米之間，例如為100奈米。
電絕緣層20或介電層被放置於閘極電極與半導體層10之間。電絕緣層20之下表面直接機械接觸半導體層10之上表面。此電絕緣層20使得閘極電極22與半導體層10電隔離。例如，電絕緣層20之厚度係處於50奈米與2微米之間，例如為800奈米。
閘極電極22實質上被放置於用以分隔源極6與汲極8電極之電極間空間C上面。例如，閘極電極22之厚度係處於100奈米與1微米之間，比如為100奈米。此閘極電極22能夠產生電場，用以增加半導體層10與電絕緣層20之間介面處的電荷載子密度，從而在半導體層10中產生傳導通道。這是因為電絕緣層20係為電絕緣體，能夠移動的電荷載子僅僅位於半導體層10旁側。當電壓VSD也被應用至這些電極之間時，傳導通道使得電荷(電流ION)能夠在源極6與汲極8電極之間流動。在這種狀態下，電晶體2被認為處於導通狀態。反過來，當電壓VG未被應用至閘極電極22時，不會產生傳導通道，這樣當電壓VSD被應用至源極6與汲極8電極之間時，在源極6與汲極8電極之間僅僅可流動極少的電流Ioff。在圖式所示的情況下，被應用至閘極電極22從而使得電晶體2從關閉狀態切換至導通狀態之電壓VG為負。
電晶體2更包含壓電層23，靠近傳導通道被安裝(更準確地說，位於圖式所示例子之傳導通道之下)於源極6與汲極8電極之間的半導體層10中或者關於電絕緣層20與半導體層10位於閘極電極22之相對側面之上，與源極6及汲極8電極並排，此壓電層與此源極6及此汲極8以及半導體層10電隔離。
因此，當電壓VSD被應用至源極6與汲極8電極時，壓電層23用以在源極6與汲極8電極之間產生機械波。
半導體層10中源極6與汲極8電極之間產生的機械波降低金屬與半導體之間的勢壘(potential barrier)，因此注入半導體的電荷可被提高，從而增加流入傳導通道之電荷數目。
現在，當電壓VSD被應用至源極6與汲極8電極之間時，電場被應用至壓電層23。因此，壓電層23之終端處的電場變化產生機械波。
在「第1圖」所示之第一實施例中，壓電層23被安置於電極間空間C中源極6與汲極8電極之間。壓電層23以這種方式被沈積，從而壓電層23之縱軸I-I幾乎與源極6及汲極8電極所定義的軸平行，這樣在這些電極之間導引機械波。
因此，當電場被應用至壓電層23之終端時，後者的結晶結構在優先方向收縮或膨脹，導致壓電層23之巨觀應變(macroscopic strain)。此應變與應用至此的電壓成比例。當電晶體2作業時，應用至壓電層23終端之電場即為源極6與汲極8電極之間已經應用的電場。因此，不需要用於供應壓電層23之另一電壓源，使用源極6與汲極8電極兩端施加的電壓VSD。例如對於p型半導體層來說，電極之間的電勢差係處於+15伏特與-40伏特之間。對於陶瓷壓電層來說，隨後產生的機械應變與供應電壓成比例。
還可以提供有機電晶體2，具有與壓電層23之終端直接連接之外部電壓供應11(請參考「第4圖」)。然後，電晶體2之作業可獨立供應電晶體之壓電層23。
例如，可供應具有適合機械應變之頻率或功率之脈衝直流電壓或交流電場，可高於電晶體2所允許的頻率或功率。因此，在此不斷重複的反向場條件下壓電層受到恆定的應變，由於交流場的作用，可產生聲波或機械波。
然後，發射一束壓縮與扭轉機械波，並且在半導體層10中傳播。「第2圖」所示係為在暫態相至電晶體2之導通態期間從源極6發出的機械波24之傳播圖。透過在傳導通道上施加應力，這些應變用以改善通道之傳導。此外，在半導體層10之電荷傳輸期間，透過增加電荷速度降低陷阱之障壘，產生的波形的傳播發生作用。因此，在電晶體之狀態改變期間，機械波供應額外的能量以輔助源極6與汲極8電極之間的電流流動，從而能夠減少其響應時間。另外，汲極8處出現此波形可提高電荷捕獲。
對於p型半導體層，源極6與汲極8電極之間的電場VSD為負，這樣優先沿源極6至汲極8之方向導引機械波(請參考箭頭25)。因此，電荷透向汲極8的方向過機械波24被傳送且被加速。因此，壓電層23用作〞吸式裝置(suction device)〞，吸取電荷，且向汲極8的方向推動電荷。
至少在電極間空間C中，透過為壓電層23確定特別形狀以在源極6與汲極8電極之間強調波傳播方向，可想像壓電層23之厚度沿縱軸I-I方向變化。
「第3A圖」、「第3B圖」與「第3C圖」所示係為壓電層23之實施例。在「第3A圖」所示之實施例中，壓電層23具有一般的梯形形狀，其厚度從源極6向汲極8的方向增加。因此，可提高汲極8捕獲的電荷。在「第3B圖」所示之實施例中，壓電層23還具有一般的梯形形狀，但是其厚度從源極6向汲極8的方向減少。因此，向汲極8方向的電荷傳送被提升。另外，在「第3C圖」所示之實施例中，壓電層23具有一般的凹陷形狀，其厚度從源極6向汲極8的方向減少然後增加。因此，引導的電荷向電極方向聚集。
包含n型半導體層之電晶體之作業原理相似，偏壓VG與VSD之符號以及機械波的優先傳播方向被反向。
例如，薄壓電層23之厚度係根據材料之本質處於1奈米與1微米之間，其中材料可以為任何類型。
此層可採用天然晶體的形式，例如石英(quartz)、黃玉(topaz)、電氣石(tourmaline)、塊磷鋁石(berlinite；AlPO4)、糖(sugar)或若歇耳鹽、正磷酸鎵(gallium orthophosphate；GaPO4)；羥磷石灰(hydroxyapatite)或砷化鎵(gallium arsenate；GaAsO4)晶體；鈣鈦礦(perovskite)晶體結構或鎢青銅(tungsten-bronze)結構之陶瓷(PbTiO3、BaTiO3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3、NaxWO3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15或Pb(Zr0.5Ti0.5)O3)。這些材料具有大於30%之機電耦合係數k，其中k表示獲得的機械能與供應的電能的比率。
還可使用合成陶瓷製成的壓電層，例如鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷(化學式Pb(Zrx,Ti1-x)O3之鋯鈦酸鉛)。例如，合成陶瓷壓電層的厚度係處於0.5與1微米之間。
還可使用聚合體製成的壓電層，例如polyvinylidine difluoride(PVDF)或(CH2CF2)n以及其衍生物，或者蘭克賽(langasite)陶瓷(例如化合物Ba3NbFe3Si2O14)。壓電聚合體之優點在於容易處理，因此價格便宜。然而，它們的機電耦合係數較低(在VDF的情況下為12至15%，在共聚物P(VDF-TrFE)的情況下為30%)。
最後，選擇熱電例如ammonium phosphotellurate之壓電材料具有優勢。在電晶體作業期間加熱可以改善其性能。
為了電隔離壓電層23與半導體層10以及隔離源極6與汲極8電極，例如可根據壓電層的形狀提供絕緣層26，以在源極6與汲極8之間插入壓電層23。絕緣層26避免源極6及汲極8與壓電層23之間短路。
在壓電層23未接觸源極6及汲極8電極的情況下以及n型半導體的情況下，則不需要此絕緣層。然而，在p型半導體的情況下，此絕緣層26則變得對壓電層23極為有用，從而不會干擾半導體。然後，選擇介電係數(permittivity)小於3的絕緣層具有優勢。
為了改善電晶體2的性能，絕緣層26被如此放置，這樣其厚度在垂直方向Z則盡可能小，因此不會對機械波形成障壘，但是仍然提供良好的絕緣，不會包含過高的電容。絕緣層26的厚度取決於壓電層23所使用的材料。然而，例如選擇厚度處於10與500奈米之間的薄層。在機械波的傳播中小於150奈米的厚度使得任何限制或衰減均無足輕重。
依照第二實施例，如「第4圖」、「第5圖」、「第6圖」以及「第7圖」所示，壓電層23被放置於電晶體2的基板之上以及源極6與汲極8電極之下。壓電層23的縱軸I-I幾乎與源極6及汲極8所定義的軸平行。
依照第一變體，壓電層23被放置於電極間空間C之下(「第4圖」)。此外，絕緣層26在源極6與汲極8電極之下延伸。
依照第二變體，壓電層23被放置於電極間空間C之下，且絕緣層26延伸超出源極6與汲極8電極(請參考「第5圖」)。
依照第三變體，壓電層23被放置於電晶體2之基板4之上，並且從源極6下方一側向汲極8下方之另一側伸展(請參考「第6圖」)。
依照第四變體，壓電層23被放置於基板4之上，並且延伸超出源極6與汲極8電極(請參考「第7圖」)。
然而，壓電層23被局限於電極間空間中或之下係為較佳實施例(請參考「第1圖」、「第4圖」與「第5圖」)，因為這種方式限制源極6及汲極8電極與壓電層23之間的寄生電容或偏壓之形成。
全部這些實施例與稱為〞上閘極(top gate”)〞之電晶體結構對應。然而，本發明還應用至其他結構，舉個例子比如稱為〞下閘極(bottom gate)〞或〞垂直閘極(vertical gate)〞結構(僅僅基板改變位置)。與未包含壓電層之電晶體相比，為了說明電晶體2之Ion/Ioff比率之改善，「第8圖」所示係為與應用至閘極電極22之電壓VG相關之源極6與汲極8電極之間流動的電流強度IDS之變化圖形，其中曲線27表示包含壓電層23之電晶體，曲線28表示未包含壓電層之p型電晶體。
對於兩條曲線27與28，當電壓VG為正時，電流IDS的強度等於電流Ioff的強度。然後當電壓VG處於0與約10伏特之間時，電流IDS的強度隨電壓VG成比例增加(線性狀態)。超出此外，在兩條曲線27與28實例中，電流IDS的強度在穩態中飽和。
因此，可以看出，對於低電壓VSD來說，壓電層23的作用也很輕微，這樣它被整合至電晶體2內不會修正關閉狀態下電晶體2之作業。源極6與汲極8電極之間僅僅可流動相同的極低電流Ioff。
另一方面，對於高電壓VSD來說，在線性或穩定狀態中，包含壓電層23之有機電晶體2之電流IDS強度比習知有機電晶體之電流IDS強度高出幾十。然後，壓電層23的作用變得重要，用以增加閘極電壓VG相關之電流斜率，從而能夠增加電流Ion的強度。
因此，可以理解這種包含接近傳導通道之壓電層23之電晶體2有效地提高傳導通道中電荷之注入與傳輸。
2‧‧‧電晶體
4‧‧‧基板
6‧‧‧源極
8‧‧‧汲極
C‧‧‧電極間空間
10‧‧‧半導體層
11‧‧‧外部電壓供應
20‧‧‧電絕緣層
22‧‧‧閘極電極
23‧‧‧壓電層
24‧‧‧機械波
25‧‧‧箭頭
26‧‧‧絕緣層
第1圖所示係為第一實施例之有機場效電晶體之垂直剖面 圖；第2圖所示係為第1圖作業時的局部放大示意圖，其中顯示機械波傳播；第3A圖、第3B圖與第3C圖所示係為第1圖所示電晶體之壓電層之其他實施例變體之垂直剖面之放大示意圖；第4圖所示係為與第1圖類似之第二實施例之有機場效電晶體之示意圖；第5圖所示係為第4圖所示之電晶體之實施例變體；第6圖所示係為第4圖所示之另一電晶體之實施例變體；第7圖所示係為第4圖所示之電晶體之第四實施例變體；以及第8圖所示係為係為應用至包含壓電層之電晶體與習知電晶體之閘極電極之電壓VG相關之流經第1圖所示電晶體之電流強度之變化圖形。
2．．．電晶體
4．．．基板
6．．．源極
8．．．汲極
C．．．電極間空間
10．．．半導體層
11．．．外部電壓供應
20．．．電絕緣層
22．．．閘極電極
23．．．壓電層
26．．．絕緣層

Claims (10)

  1. 一種有機場效電晶體，包含：源極(6)與汲極(8)電極；一半導體層(10)，由一有機半導體材料製成，安置於至少該源極(6)與汲極(8)電極之間，該半導體層填充用於分隔該源極(6)與汲極(8)電極之至少一電極間空間(C)；一閘極電極(22)，適合產生一電場以用於增加該半導體層(10)中移動電荷載子之密度，從而當一電壓VG被應用至該閘極電極(22)時在該源極(6)與汲極(8)電極之間的該半導體層(10)中創建一傳導通道；以及一電絕緣層(20)，被放置於該閘極電極(22)與該半導體層(10)之間，其特徵在於更包含一壓電層(23)，接近該傳導通道被安置，位於該源極(6)與汲極(8)電極之間該電極間空間(C)中的該半導體層(10)中，與該源極(6)及汲極(8)電極並排，該壓電層與該源極(6)電極及汲極(8)電極以及該半導體層(10)電隔離。
  2. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於一絕緣層(26)被插入該壓電層與該源極(6)及汲極(8)電極之間。
  3. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該壓電層(23)之縱軸(I-I)幾乎與該源極(6)及汲極(8)電極所定義的軸平行。
  4. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該壓電層(23)之材料具有大於30%之機電耦合係數。
  5. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該壓電層(23)之厚度至少在該電極間空間(C)中可變。
  6. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該壓電層(23)至少向該源極(6)與汲極(8)電極延伸。
  7. 如請求項第6項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該絕緣層(26)至少向該源極(6)與汲極(8)電極延伸。
  8. 如請求項第2項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該半導體層(10)為p型，該絕緣層(26)包含小於3的介電係數。
  9. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於該壓電層(23)係為天然晶體、合成陶瓷或聚合形式。
  10. 如請求項第1項所述之有機場效電晶體，其特徵在於包含一外部電源供應裝置(11)以用於該壓電層(23)。
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