TWI440237B - 具有超薄奈米微結構化合物層的場效電晶體 - Google Patents

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Description

具有超薄奈米微結構化合物層的場效電晶體
本發明為一種有機薄膜電晶體結構，特別是一種具有超薄奈米微結構化合物的有機薄膜電晶體結構。
在一般傳統的半導體技術上，多以無機半導體的發展為主，特別多半是在傳統無機薄膜電晶體的發展應用，較少專注在有機薄膜電晶體的發展應用。
而在過往，有機薄膜電晶體僅能呈現單一載子傳輸特性，故受限於載子遷移率過低的性質，有機薄膜電晶體的發展並未能夠取代傳統無機薄膜電晶體。
不過，隨著近年來，有機薄膜電晶體已有相當多的研究投入發展，且有機薄膜電晶體的載子遷移率的大幅提升，其性能已可與氫化非晶矽薄膜電晶體相較而不相上下。
有機材料通常被視為僅具備單一載子(unipolar)的傳輸特性，而在過去有關有機薄膜電晶體的研究中，已將提升單一載子遷移率(mobility)視為首要目標，也因此帶動近年來在新材料合成與元件結構的改善。而以往欲達到雙極性傳輸特性通常需使用兩層以上不同功函數的材料作為電極，造成增加成本與增加製程的複雜。
故而，雙極性傳輸(ambipolar conduction)之發展日益受到重視。故爲因應電晶體技術之需求，尚需發展有機薄膜電晶體相關技術，藉以節省人力與時間等成本，且 能有效形成有機薄膜電晶體。
本發明係利用一超薄奈米微結構化合物，插入於有機薄膜電晶體的有機主動層與源電極/汲電極之間，以平衡雙極性載子的注入。
本發明之奈米微結構化合物可為鹼鹵族化合物；或為碳酸鹽類；或為金屬氧化物；或為極薄低功函數之金屬；或為有機絕緣體等。
本發明利用一簡易的超薄奈米微結構化合物插入在有機薄膜電晶體的半導體層與源電極/汲電極之間，由於超薄奈米微結構的不連續特性，進而使得電洞與電子雙載子皆可注入至有機主動層中，在一簡易的元件製程中可產生雙極性傳輸效果。故與傳統製作方式比較，不僅可減少製作步驟，亦可簡化製造元件的困難度。
本發明利用其因厚度超薄所造成之不連續介面，而使得雙極性載子皆可由源電極/汲電極注入至有機主動層中，進而達到雙極性傳輸的效果。
本發明僅需在電極與通道層間插入一超薄奈米微結構化合物，即可達到雙極性傳輸的效果，可增加實用性，大幅節省製程步驟，以及減少元件製造的困難度。
本發明運用一簡易的超薄奈米微結構化合物，利用其超薄不連續的特性，讓電洞與電子同時可注入通道層中，平衡且增進雙極性傳輸的特性。
本發明藉由插入一超薄奈米微結構於源極/汲極與有 機半導體之間的方式實現雙載子傳輸，遠較利用不同電極的傳統方式更為簡易。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明為一種在源極/汲極與有機主動層間具有超薄奈米微結構化合物插入層之雙極性有機薄膜電晶體。
請參考第1圖示，為本發明之雙極有機性薄膜電晶體，亦即一種場效電晶體之結構示意圖。本發明之結構包括了一基板110、一閘極120、一介電層130、一修飾層140、一半導體通道層150、一超薄奈米微結構化合物結構層160、一源極170與一汲極180等。
如第1圖中，本發明之結構型態為底部閘極型式，閘極120位於基板110上方，介電層130形成於閘極120上方；修飾層140形成於介電層130上方，半導體通道層150形成於修飾層140上方，且成為源極170以及汲極180間之一通道，源極170和汲極180形成於半導體通道層150之上，一超薄奈米微結構化合物結構層160形成在該半導體通道層150與源極170及汲極180之間，而介電層130使得閘極120對源極170和汲極180之電性絕緣。
本發明雙極性薄膜電晶體具有基板110，而該基板110之材料可為玻璃、p型(或n型)經摻雜的矽晶圓、單分子組裝薄膜或高分子塑膠，例如聚對苯二甲酸乙二醇脂 (polyethylene teraphthalate, PET)以及聚醯亞胺(polyimide))等。
接著，於基板110之上形成一閘極120，而形成該閘極120之材料可為金屬，例如鋁、鈦、鎳、銅、金以及鉻等；或是金屬氧化物，例如銦錫氧化物、以及銦鋅氧化物等；或是導電高分子，例如聚二氧乙基塞吩和聚對苯乙烯磺酸的混合物(3, 4-polyethylenedioxythiophene-polystyrenesulfonate, PEDOT: PSS)或是聚苯胺(polyaniline))或是經摻雜的矽材料。
接著，在基板110以及閘極120上形成一介電層130，該介電層130材料可以是氧化矽(SiO2 )、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鈦(TiO3 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO2 )、聚醯亞胺(polyuimide)、聚乙烯吡咯烷酮(poly vinyl pyrrolidone)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚醯胺(polyamide)以及聚對二甲苯(parylene)。
接著，在介電層130上之特定區域，利用一層高分子材料140作為介面修飾層，該高分子介面修飾層可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)等材料。
繼續，以反應式熱蒸鍍法或溶液製程方式以沉積一有機化合物以形成半導體通道層150，該半導體通道層150可以單一p型或n型有機半導體，如並五苯(pentacene)、碳六十(C60 )、聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene)等， 或是混合p型和n型有機半導體，如聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene)與碳六十(C60 )衍生物等。
接著，在該半導體通道層150與源極170及汲極180之間，以沉積法以沉積插入一超薄奈米微結構化合物160，該超薄奈米微結構化合物材料可以是鹼鹵族化合物，例如：氟化鋰、氟化銫；或碳酸鹽類，例如：碳酸銫；或是金屬氧化物，例如：氧化鎂；或是低功函數之金屬，例如：鈣；以及有機絕緣體，例如：聚甲基丙烯酸甲酯等。而該超薄奈米微結構化合物層使用超薄厚度所造成之不連續介面，使得雙極性載子可由源電極/汲電極注入至有機主動層中，進而達到雙極性傳輸的效果。
而如第2圖示，另一種超薄奈米微結構化合物結構層190形成在該半導體通道層150與源極170及汲極180之間，係使用超薄的奈米微結構化合物材料與源/汲極材料以共鍍或共混的方式所製成。而源極及汲極的材料為金屬，例如鋁、鈦、鎳、銅、金或鉻；或是金屬氧化物，例如是銦錫氧化物、銦鋅氧化物；或是導電高分子，例如是聚二氧乙基塞吩和聚對苯乙烯磺酸的混合物(3, 4-polyethylenedioxythiophene-polystyrenesulfona te, PEDOT: PSS)或聚苯胺(polyaniline))，或經摻雜的矽材料。
由於本發明之半導體層與電極係使用有機化合物與金屬等材料，因此可應用於各種幾何結構型態之有機薄膜電晶體，故本發明之有機薄膜電晶體並不限於上述型式。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
110‧‧‧半導體基板
120‧‧‧閘極
130‧‧‧介電層
140‧‧‧修飾層
150‧‧‧半導體通道層
160‧‧‧超薄奈米微結構化合物結構層
170‧‧‧源極
180‧‧‧汲極
190‧‧‧超薄奈米微結構化合物結構層
第1圖所示為本發明之較佳實施例圖。
第2圖所示為本發明之較佳實施例圖。
110‧‧‧半導體基板
120‧‧‧閘極
130‧‧‧介電層
140‧‧‧修飾層
150‧‧‧半導體通道層
160‧‧‧超薄奈米微結構化合物結構層
170‧‧‧源極
180‧‧‧汲極

Claims (4)

  1. 一種具有鹼鹵族奈米微結構化合物層之有機場效電晶體裝置，至少包含：一基板，其中該基板係由玻璃、p型經摻雜的矽晶圓、n型經摻雜的矽晶圓以及高分子塑膠群組中所選出；一閘極形成於該基板上方，其中該閘極之一材料係由金屬、金屬氧化物、導電高分子以及經摻雜的矽材料群組中所選出；一介電層形成於該閘極上方，其中該介電層之一材料係由氧化鉿(HfO2 )、聚乙烯吡咯烷酮(poly vinyl pyrrolidone)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚酼胺(polyamide)以及聚對二甲苯(parylene)群組中所選出；一高分子介面修飾層形成於該介電層上方，其中該高分子介面修飾層係由以及聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)群組中所選出；一半導體通道層形成於該高分子介面修飾層上方，且成為一源極以及一汲極間之一通道，其中該半導體通道層係由單一p型或n型有機半導體，以及混合p型和n型有機半導體群組中所選出，且其中該p型或n型有機半導體係由並五苯(pentacene)、碳六十(C60)、以及聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene)群組中所選出；一鹼鹵族奈米微結構化合物層以一沉積法形成在該 半導體通道層與該源極以及該汲極之間，其中該鹼鹵族奈米微結構化合物層係由氟化鋰、氟化銫群組中所選出；以及該源極以及該汲極形成於該半導體通道層之上，其中該源極及汲極的材料係一金屬氧化物。
  2. 一種具有氧化鎂奈米微結構化合物層之有機場效電晶體裝置，至少包含：一基板，其中該基板係由玻璃、p型經摻雜的矽晶圓、n型經摻雜的矽晶圓以及高分子塑膠群組中所選出；一閘極形成於該基板上方，其中該閘極之一材料係由金屬、金屬氧化物、導電高分子以及經摻雜的矽材料群組中所選出；一介電層形成於該閘極上方，其中該介電層之一材料係由氧化鉿、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酼胺以及聚對二甲苯群組中所選出；一高分子介面修飾層形成於該介電層上方，其中該高分子介面修飾層係由以及聚乙烯醇群組中所選出；一半導體通道層形成於該高分子介面修飾層上方，且成為一源極以及一汲極間之一通道，其中該半導體通道層係由單一p型或n型有機半導體，以及混合p型和n型有機半導體群組中所選出，且其中該p型或n型有機半導體係由並五苯、碳六十、以及聚3-己基噻吩群組中所選出；一氧化鎂奈米微結構化合物層以一沉積法形成在該半導體通道層與該源極以及該汲極之間；以及 該源極以及該汲極形成於該半導體通道層之上，其中該源極及汲極的材料係一金屬氧化物。
  3. 一種具有金屬鈣奈米微結構化合物層之有機場效電晶體裝置，至少包含：一基板，其中該基板係由玻璃、p型經摻雜的矽晶圓、n型經摻雜的矽晶圓以及高分子塑膠群組中所選出；一閘極形成於該基板上方，其中該閘極之一材料係由金屬、金屬氧化物、導電高分子以及經摻雜的矽材料群組中所選出；一介電層形成於該閘極上方，其中該介電層之一材料係由氧化鉿、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酼胺以及聚對二甲苯群組中所選出；一高分子介面修飾層形成於該介電層上方，其中該高分子介面修飾層係由以及聚乙烯醇群組中所選出；一半導體通道層形成於該高分子介面修飾層上方，且成為一源極以及一汲極間之一通道，其中該半導體通道層係由單一p型或n型有機半導體，以及混合p型和n型有機半導體群組中所選出，且其中該p型或n型有機半導體係由並五苯、碳六十、以及聚3-己基噻吩群組中所選出；一金屬鈣奈米微結構化合物層以一沉積法形成在該半導體通道層與該源極以及該汲極之間；以及該源極以及該汲極形成於該半導體通道層之上，其中該源極及汲極的材料係一金屬氧化物。
  4. 一種具有聚甲基丙烯酸甲酯奈米微結構化合物層之有 機場效電晶體裝置，至少包含：一基板，其中該基板係由玻璃、p型經摻雜的矽晶圓、n型經摻雜的矽晶圓以及高分子塑膠群組中所選出；一閘極形成於該基板上方，其中該閘極之一材料係由金屬、金屬氧化物、導電高分子以及經摻雜的矽材料群組中所選出；一介電層形成於該閘極上方，其中該介電層之一材料係由氧化鉿、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酼胺以及聚對二甲苯群組中所選出；一高分子介面修飾層形成於該介電層上方，其中該高分子介面修飾層係由以及聚乙烯醇群組中所選出；一半導體通道層形成於該高分子介面修飾層上方，且成為一源極以及一汲極間之一通道，其中該半導體通道層係由單一p型或n型有機半導體，以及混合p型和n型有機半導體群組中所選出，且其中該p型或n型有機半導體係由並五苯、碳六十、以及聚3-己基噻吩群組中所選出；一聚甲基丙烯酸甲酯奈米微結構化合物層以一沉積法形成在該半導體通道層與該源極以及該汲極之間；以及該源極以及該汲極形成於該半導體通道層之上，其中該源極及汲極的材料係一金屬氧化物。
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