製備垂直有機場效應電晶體的方法及垂直有機場效應電晶體與流程

2023-09-23 01:05:35 2

本發明涉及製備垂直有機場效應電晶體的方法，以及垂直有機場效應電晶體。
背景技術：
：垂直有機場效應電晶體具有三個電晶體電極，也就是漏電極、源電極和柵電極。通常，源電極和漏電極彼此通過有機半導體連接。柵電極通過絕緣體與源電極和漏電極電絕緣。垂直有機場效應電晶體的元件可在襯底上被製備為堆疊體。文獻wo2010/113163a1公開了垂直有機場效應電晶體及其製備方法。電晶體包含封閉在介電層和有源元件間的圖案化的電極結構。在文獻wo2014/173738a1中也公開了一種製備有機場效應電晶體的方法。技術實現要素：本發明的目的是指定一種製備垂直有機場效應電晶體的方法以及垂直有機場效應電晶體，其簡化了垂直有機場效應電晶體的有機半導體層的構建。這個目的是通過提供根據權利要求1的製備垂直有機場效應電晶體的方法以及根據獨立權利要求9的垂直有機場效應電晶體來實現的。可替代的設計是從屬附屬權利要求的主題。根據一個方面，提供了一種製備垂直有機場效應電晶體的方法。在這個方法中，具有層配置的垂直有機場效應電晶體是在襯底上製備的，所述層配置包含電晶體電極、電絕緣層和有機半導體層，電晶體電極也就是第一電極、第二電極和第三電極。作為該方法的一部分，提供襯底以在其上沉積選擇性粘附層。製備垂直有機場效應電晶體的部分層結構，其中包含至少一個電晶體電極和至少一個電絕緣層，電晶體電極和電絕緣層在各自的直接接觸區域中粘附到選擇性粘附層。通過將至少一種有機半導體材料粘附性地沉積在部分層結構上，並且選擇性粘附層阻止至少一種有機半導體材料在部分層結構外的粘附性沉積來製備有機半導體層。最後，製備垂直有機場效應電晶體的剩餘部分層結構。根據另一個方面，提供了一種垂直有機場效應電晶體，其包含在襯底上的具有電晶體電極、電絕緣層和有機半導體層的層配置，電晶體電極也就是第一電極、第二電極和第三電極，有機半導體層由至少一種有機半導體材料形成，其中襯底上的層配置被設置在選擇性粘附層上，粘附層為電晶體電極和至少一個電絕緣層提供了粘附基極層(baselayer)，並為半導體層提供抗粘附基極層。與層關聯的表達「選擇性粘附」意思是在其出現的描述中，該層為至少一個電晶體電極和至少一個電絕緣層的材料提供了粘附基極層，這樣在沉積期間這些材料就粘附至選擇性粘附層，而為沉積形成有機半導體層的至少一種有機半導體材料提供抗粘附基極層，這樣在製備期間當在層上沉積有機半導體材料時有機半導體材料就不會粘附至其上。這樣，首先製備的垂直有機場效應電晶體的部分層結構外的表面區域不會留下將要被沉積形成有機半導體層的有機半導體材料。這使得有機半導體層以簡單方式被結構化。第一電極可被設計作為漏電極或源電極。相應的，第二電極可被設計作為源電極或漏電極。第三電極作為柵電極。部分層結構可製備有第一電極。有機半導體層可粘附性地沉積在第一電極、第二電極以及至少一個電絕緣層上。在製備部分層結構的過程中，至少一個電晶體電極和至少一個電絕緣層可被結構化。所實施的結構化為等離子體輔助蝕刻工藝。在這種情況下，等離子體應用也會覆蓋部分層結構外的抗粘附層表面。在這個實施方式中，即使在等離子體應用後，選擇性粘附層對有機半導體材料的抗粘附特性仍然被保留。在製備半導體層期間沒有被粘附沉積在所述部分層結構之外的、源自至少一種有機半導體材料的一個層可包含與選擇性粘附層的表面大於21±2°的接觸角。源自至少一種有機半導體材料的層可被形成為非封閉(non-closed)層。該非封閉層不會粘附在選擇性抗粘附層上。選擇性粘附層可由電絕緣材料製備。例如，可使用材料cytop(cytop809m，asahi玻璃公司，商業名聚氟呋喃(polyfluorofuran))。可例如使用「旋塗」執行有機半導體材料的沉積。壓印也可用作製備該層的技術。可以通過測量對應半導體溶液的大約2-4μl的液滴體積來確定接觸角。接觸角可通過在對應襯底上的兩個以上位置上對多個不同液滴進行測量，例如三至五個不同液滴。測量可由對具體半導體溶液的單獨測量進行平均(算術均數)。測量可在22℃、1010hpa以及35％相對溼度的空氣中進行。附圖說明下面，參照附圖的圖描述進一步的具體實施方式。這些示出：圖1與根據現有技術的垂直有機場效應電晶體中的有機半導體層結構化有關的示意圖。圖2襯底上垂直有機場效應電晶體的部分層結構的示意圖。圖3圖2的部分層結構的示意圖，其中在其上沉積了有機層。圖4在圖3的部分層結構上已經製備了剩餘層結構後的垂直有機場效應電晶體的示意圖。圖5圖3的部分層結構的漏極電流根據漏極電壓變化的曲線圖。圖6圖5的垂直有機場效應電晶體的漏極-源極電流根據柵極-源極電壓變化的曲線圖，以及圖7圖5的垂直有機場效應電晶體的漏極-源極電流根據漏極-源極電壓變化的曲線圖。具體實施方式圖1顯示了現有技術中垂直有機場效應電晶體的有機半導體層結構化的示意圖。圖1中的左手邊圖顯示了結構化前的垂直有機場效應電晶體的層配置1。圖1中的右手邊圖顯示了結構化後的垂直有機場效應電晶體。有機垂直場效應電晶體的層配置1是製備在襯底2上並包含漏電極3和源電極4，漏電極3和源電極4彼此通過電絕緣層5電絕緣。在替代設計中(未示出)，通常形成第一和第二電極的漏電極和源電極2、3顛倒過來。根據圖1的左手邊圖，製備有機半導體層6，然後在有機半導體層6上沉積另外的電絕緣層7和柵電極8。有機半導體層6通過等離子體蝕刻的方式結構化。在圖1的右手邊圖中顯示了生成的垂直有機場效應電晶體。這裡留下了所謂的無效(dead)區域9a、9b，它們會產生不需要的洩漏電流。圖2顯示了垂直有機場效應電晶體在襯底21上的部分層結構20的示意圖。在襯底21上沉積選擇性粘附層22，其也任選的可形成作為調平層(levellinglayer)，通過該方式使得襯底21的表面21a平滑。垂直有機場效應電晶體的部分層結構20包含設計作為漏電極或源電極的第一電極23、設計作為源電極或漏電極的第二電極24以及設置在第一電極23和第二電極24之間並電絕緣這兩個電極的電絕緣層25。第一電極23和電絕緣層25這兩者在相關的直接接觸區域26、27處粘附至選擇性粘附層22。根據圖3，一種或多種有機半導體材料形成的有機半導體層28沉積在垂直有機場效應電晶體的部分層結構20上。由於選擇性粘附層22對一種有機半導體材料或多種有機半導體材料形成了抗粘附基極層，在部分層結構20外的區域29、30內不會發生有機半導體層28的粘附沉積。可以避免所謂的無效區域。圖4顯示了在圖3配置基礎上的垂直有機場效應電晶體的示意圖，其中具有柵電極32和另外的電絕緣層33的剩餘部分層結構31現在已沉積在有機半導體層28上。在一個示例性實施方式中，選擇性粘附層22可以作為cytop層沉積在襯底21上。第一電極23可通過蒸鍍金製備，其中可提供大約20nm的層厚度。在這種情況下，第一電極23可通過光刻結構化。電絕緣層25可由無選擇性的粘附材料形成，例如pmma或sio2。可替代的，在一個設計中，電絕緣層25可由cytop製備，其中可提供大約400nm的層厚度。在這種情況下，使用氧等離子體進行結構化來反轉cytop材料的選擇粘附效應。選擇粘附效應僅在區域29和30中保留(參看http：//dx.doi.org/10.1063/1.3058601)。第二電極24可由金製備，其中可提供大約40nm的層厚度。可通過等離子體輔助蝕刻的方法來執行結構化。這就意味著在這種情況下，選擇性粘附層22也會暴露在等離子體應用中；例如可應用氧等離子體。在根據圖4製備的部分層結構上，接著沉積有機半導體層25，其中由於選擇性粘附層22對有機材料的抗粘附效應，在部分層結構20外不會發生有機材料的粘附沉積(參看圖3)。最後，(參看圖4)沉積另外的電絕緣層26和柵電極32以便製備垂直有機場效應電晶體。圖5顯示了對於圖3所示配置的漏電流根據漏電壓變化的圖表。假設空間電荷限制(電流(i)正比於電壓(v)的平方)，在半導體材料中獲得了3x10-2cm2/vs的空穴遷移率。圖6和7顯示了圖4的垂直有機場效應電晶體帶有選擇性粘附層29的電晶體(圖6中的連續曲線)和不帶有選擇性粘附層29的電晶體(虛線)的曲線圖。圖6顯示了漏極-源極電流根據柵極-源極電壓的變化。曲線60顯示了根據圖1中所示的現有技術的垂直有機場效應電晶體的圖。曲線61和62顯示了圖4中所示的垂直有機場效應電晶體的圖。溝道寬度w是40μm。圖7顯示了根據圖4的垂直有機場效應電晶體在不同的柵極-源極電壓下漏極-源極電流根據漏極-源極電壓變化的曲線圖：曲線70-40v；曲線71-20v；曲線72-0v；曲線73--20v；曲線74--40v。與選擇性粘附層22對有機半導體材料的抗粘附效應有關，在不同的實施例中研究了選擇性粘附層22與沉積在選擇性粘附層22上的有機半導體層之間的接觸角。表1顯示了這些實施例研究的結果。表1襯底處理接觸角層結構uvocs處理的玻璃11°封閉、平滑層ito上的odpa19°封閉、平滑層玻璃上的mptms5°封閉、平滑層cytop52°無可檢測層nlof23°無可檢測層pmma12°封閉、平滑層發現如果接觸角大於21+/-1°的話，會提供抗粘附基極層。在表1給出的每個實施例中，材料沉積在塗覆或未塗覆的玻璃襯底上。用旋塗機以300rpm(100rpm/s)(rpm-「轉每分」)轉速塗布1ml甲苯中的2mg的6.13-雙(三-異丙基-甲矽烷基乙炔基)並五苯(6.13-bis(tri-isopropyl-silylethynyl)pentacene)(tips-並五苯(tips-pentacene))的溶液。然後將溶液在熱板上在130℃下加熱5分鐘。另外，也進行了測量同樣的tips-並五苯-甲苯溶液在這些基極層上的接觸角。自表1的各種實施例中使用的處理玻璃襯底的過程如下：1)uvocs處理(在22mw/cm2uv-c輻照下10分鐘)。2)(銦錫氧化物塗覆的玻璃襯底)uvocs處理，然後移到50℃下的10ml異丙醇中的16mg十八烷基-磷酸溶液中處理1小時，接著用異丙醇徹底清洗並乾燥。3)uvocs處理，然後移到10ml乙醇的0.2ml巰基丙基-三甲氧基矽烷(mptms)溶液和0.5ml去離子水中5分鐘，並接著在離心分離機(旋塗機)中乾燥，然後在25℃下存留10分鐘，接著用異丙醇清洗，並接著在熱板上在110℃下烘乾，並接著冷卻至25℃。4)用旋塗機以1500rpm(500rpm/s)離心分離7mlct-solv180中的2mlcytopctl-809m(ct-solv180和cytopctl-809m均來自asahiglasschemicals)溶液60秒，接著在熱板上在120℃下烘乾30分鐘。5)通過離心分離機以1500rpm(500rpm/s)施加5ml的aznlof2020光致抗蝕劑，然後在熱板上在120℃下烘乾2分鐘，然後輻照170mj/cm2(-i-線，436nm波長)，然後在熱板上在120℃烘乾1分鐘。6)通過離心分離機以1500rpm(500rpm/s)施加3ml的pmma：pgmea(5wt.％)，然後在熱板上在80℃烘乾2分鐘，然後輻照90mj/cm2(-i-線，436nm波長？)。用硼矽酸鹽玻璃作為襯底。在烘乾步驟(120℃，5分鐘)後，以1500rpm(500rpm/s)對襯底塗覆5mlaznlof2020光致抗蝕劑，並然後在熱板上在120℃烘乾2分鐘。然後將試樣輻照170mj/cm2(-i-線，436nm)，然後在熱板上在120℃烘乾1分鐘。此外，研究了溶劑對有機半導體層28的材料的粘附的影響。為了這個目的，研究了半導體溶液的不同溶劑，其例如可以用來形成有機半導體層28。作為半導體溶液，使用1ml溶劑中的2mg6.13-雙(三-異丙基-甲矽烷基乙炔基)並五苯(tips-並五苯)的溶液。使用不同偶極矩的溶劑(如在表2中列出的)。半導體溶液利用旋塗機以300rpm(100rpm/s)旋塗在襯底上。然後在熱板上在130℃下加熱溶液5分鐘。另外，研究了不同溶劑的半導體溶液與事先沉積在襯底上的選擇性粘附層22的接觸角。表2對於用nlof2020處理的玻璃襯底，發現隨著溶劑偶極矩的增加接觸角也增加。這意味著通過使用不同偶極矩的溶劑的混合物，可選擇性地調整選擇性粘附層22上的接觸角，這反過來也會引起半導體溶液的粘附或不粘附。對於大於21±2°的接觸角，襯底上沒有獲得溶解的半導體材料的粘附。在nlof的非極性表面情況下，可因此提供偶極矩＞0.375d的半導體溶液的溶劑以抑制對nlof的粘附。用接觸角測量設備(自kiüss公司的easydrop，das1.0分析軟體)進行接觸角的測量。對應半導體溶液的液滴體積在2-4μl之間變化，並且接觸角可在對應襯底的至少2個位置上測試五種不同的液滴。測試值是對具體半導體溶液的單獨測量值的每個平均(算術平均值)。測量在22℃、1010hpa和35％相對溼度的空氣中進行。在上面的描述中，使用了下面的縮寫：pgmea：1-甲氧基-2-丙基醋酸鹽；pmma：聚甲基甲基丙烯酸鹽；cytopctl-809m：asahiglass公司的商業產品；ct-solv180：asahiglass公司的商業產品；nlof2020：az電子材料的商業產品；odpa：十八烷基-磷酸；mptms：巰基-丙基-三甲氧基矽烷；tips-並五苯：6.13-雙(三-異丙基-甲矽烷基乙炔基)並五苯；l：溝道長度；osc：有機半導體；vd：漏極-源極電壓；vgs：柵極-源極電壓。本說明書、權利要求以及附圖中公開的特徵可以單獨以及以任意組合與實施方式的實現相關。當前第1頁12