一種雙介質層有機場效應電晶體及其製作方法
2023-04-23 19:28:56
專利名稱：一種雙介質層有機場效應電晶體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及有機半導體器件技術領域，尤其涉及一種雙介質層有機場 效應電晶體及其製作方法。
背景技術：
隨著信息技術的不斷深入，電子產品已經進入人們生活工作的每個環 節。在日常生活中，人們對低成本、柔性、低重量、可攜式的電子產品的 需求越來越大。傳統的基於無機半導體材料的器件和電路很難滿足這些要 求，因此可以實現這些特性的基於有機半導體材料的有機微電子技術在這 一趨勢下得到了人們越來越多的關注。
有機場效應管是有機微電子的基本器件單元，高性能的有機場效應管 是構建能夠獲得實際應用的有機電路的基石。目前人們關注的有機場效應 管的性能主要包括三個方面遷移率，閾值電壓和開關電流比。提高遷移 率和開關電流比，降低閾值電壓是該領域一直追求的目標。
目前用於改善這些性能的方法主要有合成新的高性能的有機半導體 材料；選擇合適的介質材料，形成高質量的有源層和介質層界面；選擇高 功函數的金屬，與有機半導體材料形成良好的歐姆接觸；改進材料沉積條 件，獲得高密度、高有序的、大晶粒的半導體薄膜；在介質層和有源層之 間引入誘導層，提高有機半導體薄膜的晶態比例等。
由於能夠引進大的單位面積電容，提高界面處積累電荷密度，採用高 介電常數的介質層成為降低器件閾值電壓的主要手段。然而由於薄膜沉積 手段的限制，沉積的高介電常數材料表面粗糙度較大，並且有較高的極性， 與有機半導體材料形成的界面質量不高，導致器件漏電較大。單純採用高 介電常數的方法亟待改善。
低介電常數的有機介質材料能夠通過液相方法進行沉積，獲得高質量 的表面性能。然而介電常數較低，基於這種材料的器件閾值電壓都比較高，
不利於製備低功耗的電路。如何解決使用單層介質膜有機場效應管中存在 的問題，獲得高性能的器件，成為一個急需解決的問題。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的一個目的在於提供一種雙介質層有機場效應晶體 管，以解決使用單層介質膜有機場效應管中存在的問題，獲得高性能的器 件，推動有機電路的實用化。
本發明的另一個目的在於提供一種雙介質層有機場效應電晶體的制 作方法，以解決使用單層介質膜有機場效應管中存在的問題，獲得高性能 的器件，推動有機電路的實用化。
(二) 技術方案
為達到上述一個目的，本發明提供了一種雙介質層有機場效應晶體 管，該電晶體由下至上依次包括襯底、第一介質層、第二介質層、有源層 和源漏電極層，對於採用公共背柵電極的該電晶體，襯底同時作為公共背 柵電極，對於釆用獨立柵電極的該電晶體，在襯底與第一介質層之間還包 括一獨立柵電極，所述第一介質層為高介電常數的氧化物介質層，所述第 二介質層為低介電常數的有機物介質層，第一介質層位於柵電極與第二介 質層之間，第二介質層與有源層直接接觸。
上述方案中，所述構成第一介質層的高介電常數的氧化物包括Hf02，
Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料；所述構成第二介質層的低介電常數的有 機物包括PMMA， PI， HSQ或PVP材料。
上述方案中，所述構成有源層的材料包括並五苯、銅酞菁、P3HT 或六噻吩；所述構成源漏電極層的材料包括金屬材料金、銀、銅、鋁， 或者有機材料PEODT/PSS。
上述方案中，所述襯底採用矽片、玻璃或塑料；對於採用公共背柵電 極的該電晶體，同時作為公共背柵電極的襯底採用導電的高摻雜矽片；對 於採用獨立柵電極的該電晶體，在襯底與第一介質層之間的獨立柵電極採 用金屬材料金、銀、銅、鋁，或者有機材料PEODT/PSS。 上述方案中，所述的場效應管採用頂接觸式結構。
為達到上述另一個目的，本發明提供了一種雙介質層有機場效應晶體 管的製作方法，該方法包括
A、 在襯底上沉積第一介質層；
B、 在第一介質層上沉積第二介質層；
C、 在第二介質層沉積有源層；
D、 在有源層上製備源漏電極，完成整個器件的製作。 上述方案中，對於採用公共背柵電極的該電晶體，所述步驟A包括
在作為公共背柵電極的襯底上，採用電子束蒸發或磁控濺射方法沉積氧化 物。
上述方案中，所述作為公共背柵電極的襯底採用導電的高摻雜矽片， 所述沉積的氧化物包括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料。
上述方案中，對於採用獨立柵電極的該電晶體，所述步驟A包括在 襯底上採用光刻刻蝕、金屬剝離、掩蔽沉積Shadow Mask或印刷技術製備 獨立柵電極，然後採用電子束蒸發或磁控濺射方法在製備了獨立柵電極的 襯底上沉積氧化物。
上述方案中，所述襯底採用矽片、玻璃或塑料；所述獨立柵電極採用 金屬材料金、銀、銅、鋁，或者有機材料PEODT/PSS;所述沉積的氧化 物包括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或1102材料。
上述方案中，步驟B中所述在第一介質層上沉積第二介質層採用旋塗 spin或印刷技術實現；步驟C中所述在在第二介質層沉積有源層採用旋塗 spin、真空蒸發或印刷技術實現；步驟D中所述在有源層上製備源漏電極 採用掩蔽沉積Shadow Mask或印刷技術實現。
上述方案中，所述沉積的第二介質層包括有機物材料PMMA， PI， HSQ和PVP，所述沉積的有源層材料包括並五苯、銅酞菁、P3HT或六噻 吩；所述沉積的源漏電極層材料包括金屬材料金、銀、銅、鋁，或者有機 材料PEODT/PSS。
(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果
本發明提供的這種雙介質層有機場效應電晶體及其製作方法，由於引 入了高介電常數的氧化物介質，所以能夠大幅度降低有機場效應管的閾值 電壓和工作電壓。進一步，通過在氧化物介質層表面採用液相方法沉積有 機介質層，大大降低了氧化物介質層表面的粗糙度。這樣一方面提高了介 質層和有源層之間的界面質量，另一方面改善了有源層薄膜的生長環境， 使其能夠長成高密度、高有序、大晶粒尺寸的晶態薄膜。因此，器件的性 能得到了進一步的改善。綜合了高介電常數氧化物介質層和低介電常數有 機物介質層的優勢，雙介質層結構的有機場效應管可以獲得遠低於10V的 閾值電壓，以及較高的遷移率和開關電流比。進而，本發明解決了使用單 層介質膜有機場效應管中存在的問題，獲得了高性能的器件，推動了有機 電路的實用化。
圖1為本發明提供的採用公共背柵電極的雙介質層有機場效應管的結
構示意圖2為本發明提供的採用公共背柵電極的雙介質層有機場效應管的制 備流程圖；其中，
圖2-1為在襯底上生長第一介質層的示意圖2-2為在第一介質層上生長第二介質層的示意圖2-3為在介質層上沉積有源層的示意圖2-4為在有源層上沉積源漏電極層的示意圖3為本發明提供的採用獨立柵電極的雙介質層有機場效應管的結構 示意圖4為本發明提供的採用獨立柵電極的雙介質層有機場效應管的製備 流程圖；其中，
圖4-1為在襯底上製備獨立柵電極的示意圖4-2為在柵電極上生長第一介質層的示意圖4-3為在第一介質層上生長第二介質層的示意圖4-4為在介質層上沉積有源層的示意圖4-5為在有源層上沉積源漏電極層的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
本發明提供的這種雙介質層有機場效應電晶體可以採用兩種柵電極 結構， 一種是公共背柵電極，另一種是獨立柵電極。其中，採用公共背柵 電極時，襯底既作為柵電極，又作為襯底。
如圖1所示，圖1為本發明提供的採用公共背柵電極的雙介質層有機 場效應管的結構示意圖，該結構包括襯底(柵電極)，第一介質層，第 二介質層，有源層和源、漏電極層。第一介質層位於柵電極和第二介質層 之間；第二介質層與有源層直接接觸。所述的場效應管採用頂接觸式結構。
所述的襯底為導電材料，同時充當公共的背柵電極；常用的材料有高 摻雜的矽片。所述第一介質層為高介電常數的氧化物，包括Hf02， Zr02， Ta205， Al203或Ti02等材料。所述第二介質層為低介電常數的有機物介質 層，包括PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。所述的有源層材料包括並 五苯、銅酞菁、P3HT或六噻吩等材料。所述的源漏電極層材料包括金、 銀、銅、鋁等金屬材料，或者PEODT/PSS等有機材料。
基於圖1所述的採用背柵電極的雙介質層有機場效應管的結構示意 圖，圖2示出了本發明提供的製備採用背柵電極的雙介質層有機場效應管 製備流程圖，該方法包括以下步驟
步驟201，在襯底(即公共背柵電極)上沉積第一介質層；
如圖2-l所述，在本步驟中，所述的第一介質層沉積方法包括電子 束蒸發氧化物、磁控濺射氧化物，以及用上述兩種方法沉積金屬後再進行 熱氧化處理等。常用的材料為高介電常數的氧化物，包括Hf02， Zr02， Ta205， Al203或Ti02等材料。
步驟202，在第一介質層上沉積第二介質層；
如圖2-2所示，在本步驟中，所述的第二介質層的沉積方法包括旋 塗(spin)和印刷等。常用材料為低介電常數的有機物介質層，包括PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。
步驟203，在第二介質層上沉積有源層；
如圖2-3所示，在本步驟中，所述的有源層的沉積方法包括旋塗
(spin),真空蒸發，印刷等。常用的有源層材料包括並五苯、銅酞菁、 P3HT或六噻吩等材料。
步驟204，在有源層上製備源漏電極，完成整個器件的製作。
如圖2-4所示，在本步驟中，所述的源漏電極的製備方法包括Shadow
Mask掩蔽沉積和印刷等。常用的源漏電極材料包括金、銀、銅、鋁等金
屬材料，或者PEODT/PSS等有機導體。
如圖3所示，圖3為本發明提供的採用獨立柵電極的雙介質層有機場 效應管的結構示意圖，該結構包括襯底，柵電極，第一介質層，第二介 質層，有源層和源、漏電極層。第一介質層位於柵電極和第二介質層之間； 第二介質層與有源層直接接觸。所述的場效應管採用頂接觸式結構。
所述的襯底為非導電材料，常用的材料有玻璃，塑料等。所述獨立的 柵電極通常採用金、銀、銅、鋁等金屬材料或PEODT/PSS等有機材料。 所述第一介質層為高介電常數的氧化物，包括HfG2， Zr02， Ta205， A1203 或Ti02等材料。所述第二介質層為低介電常數的有機物介質層，包括 PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。所述的有源層材料包括並五苯、銅 酞菁、P3HT或六噻吩等材料。所述的源漏電極層材料包括金、銀、銅、 鋁等金屬材料，或者PEODT/PSS等有機材料。
基於圖3所述的採用獨立柵電極的雙介質層有機場效應管的結構示意 圖，圖4示出了本發明提供的製備採用獨立柵電極雙介質層有機場效應管 製備流程圖，該方法包括以下步驟
步驟401，在襯底上製備柵電極；
如圖4-l所示，在本步驟中，獨立柵電極的製備方法包括光刻刻蝕、 金屬剝離、Shadow Mask掩蔽沉積和印刷等技術，常用材料包括金、銀、 銅、鋁等金屬材料或PEODT/PSS等有機導體。
步驟402，在柵電極上沉積第一介質層；
如圖4-2所示，在本步驟中，所述的第一介質層沉積方法包括電子 束蒸發氧化物、磁控濺射氧化物，以及用上述兩種方法沉積金屬後再進行 熱氧化處理等。常用的材料為高介電常數的氧化物，包括Hf02， Zr02， Ta205，八1203或1102等材料。
步驟403，在第一介質層上沉積第二介質層；
如圖4-3所示，在本步驟中，所述的第二介質層的沉積方法包括旋 塗(spin)和印刷等。常用材料為低介電常數的有機物介質層，包括PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。
步驟404，在介質層上沉積有源層；
如圖4-4所示，在本步驟中，所述的有源層的沉積方法包括旋塗 (spin),真空蒸發，印刷等。常用的材料包括並五苯、銅酞菁、P3HT 或六噻吩等材料。
步驟405，在有源層上製備源漏電極，完成整個器件的製作。
如圖4-5所示，在本步驟中，所述的源漏電極的製備方法包括Shadow Mask掩蔽沉積和印刷等。常用的材料包括金、銀、銅、鋁等金屬材料， 或者PEODT/PSS等有機導體。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 己，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種雙介質層有機場效應電晶體，該電晶體由下至上依次包括襯底、第一介質層、第二介質層、有源層和源漏電極層，對於採用公共背柵電極的該電晶體，襯底同時作為公共背柵電極，對於採用獨立柵電極的該電晶體，在襯底與第一介質層之間還包括一獨立柵電極，其特徵在於，所述第一介質層為高介電常數的氧化物介質層，所述第二介質層為低介電常數的有機物介質層，第一介質層位於柵電極與第二介質層之間，第二介質層與有源層直接接觸。
2、 根據權利要求l所述的雙介質層有機場效應電晶體，其特徵在於， 所述構成第一介質層的高介電常數的氧化物包括HfG2， Zr02， Ta205，八1203或1102材料；所述構成第二介質層的低介電常數的有機物包括PMMA， PI， HSQ 或PVP材料。
3、 根據權利要求l所述的雙介質層有機場效應電晶體，其特徵在於，所述構成有源層的材料包括並五苯、銅酞菁、P3HT或六噻吩； 所述構成源漏電極層的材料包括金屬材料金、銀、銅、鋁，或者有機材料PEODT/PSS。
4、 根據權利要求l所述的雙介質層有機場效應電晶體，其特徵在於， 所述襯底採用矽片、玻璃或塑料；對於採用公共背柵電極的該電晶體，同時作為公共背柵電極的襯底採 用導電的高摻雜矽片；對於採用獨立柵電極的該電晶體，在襯底與第一介質層之間的獨立柵 電極採用金屬材料金、銀、銅、鋁，或者有機材料PEODT/PSS。
5、 根據權利要求1所述的雙介質層有機場效應電晶體，其特徵在於， 所述的場效應管採用頂接觸式結構。
6、 一種雙介質層有機場效應電晶體的製作方法，其特徵在於，該方 法包括A、 在襯底上沉積第一介質層；B、 在第一介質層上沉積第二介質層； C、 在第二介質層沉積有源層；D、 在有源層上製備源漏電極，完成整個器件的製作。
7、 根據權利要求6所述的雙介質層有機場效應電晶體的製作方法， 其特徵在於，對於採用公共背柵電極的該電晶體，所述步驟A包括在作為公共背柵電極的襯底上，採用電子束蒸發或磁控濺射方法沉積 氧化物。
8、 根據權利要求7所述的雙介質層有機場效應電晶體的製作方法，其特徵在於，所述作為公共背柵電極的襯底採用導電的高摻雜矽片，所述沉積的氧化物包括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料。
9、 根據權利要求6所述的雙介質層有機場效應電晶體的製作方法， 其特徵在於，對於採用獨立柵電極的該電晶體，所述步驟A包括-在襯底上採用光刻刻蝕、金屬剝離、掩蔽沉積Shadow Mask或印刷技 術製備獨立柵電極，然後採用電子束蒸發或磁控濺射方法在製備了獨立柵 電極的襯底上沉積氧化物。
10、 根據權利要求9所述的雙介質層有機場效應電晶體的製作方法， 其特徵在於，所述襯底採用矽片、玻璃或塑料；所述獨立柵電極採用金屬 材料金、銀、銅、鋁，或者有機材料PEODT/PSS;所述沉積的氧化物包 括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料。
11、 根據權利要求6所述的雙介質層有機場效應電晶體的製作方法， 其特徵在於，步驟B中所述在第一介質層上沉積第二介質層採用旋塗spin或印刷技 術實現；步驟C中所述在在第二介質層沉積有源層採用旋塗spin、真空蒸發或 印刷技術實現；步驟D中所述在有源層上製備源漏電極採用掩蔽沉積Shadow Mask 或印刷技術實現。
12、 根據權利要求11所述的雙介質層有機場效應電晶體的製作方法， 其特徵在於，所述沉積的第二介質層包括有機物材料PMMA， PI， HSQ 和PVP，所述沉積的有源層材料包括並五苯、銅酞菁、P3HT或六噻吩； 所述沉積的源漏電極層材料包括金屬材料金、銀、銅、鋁，或者有機材料 PEODT/PSS 。
全文摘要
本發明涉及有機半導體器件技術領域，公開了一種雙介質層有機場效應電晶體，該電晶體由下至上依次包括襯底、第一介質層、第二介質層、有源層和源漏電極層，對於採用公共背柵電極的該電晶體，襯底同時作為公共背柵電極，對於採用獨立柵電極的該電晶體，在襯底與第一介質層之間還包括一獨立柵電極，所述第一介質層為高介電常數的氧化物介質層，所述第二介質層為低介電常數的有機物介質層，第一介質層位於柵電極與第二介質層之間，第二介質層與有源層直接接觸。本發明同時公開了一種雙介質層有機場效應電晶體的製作方法。利用本發明，解決了使用單層介質膜有機場效應管中存在的問題，獲得了高性能的器件，推動了有機電路的實用化。
文檔編號H01L51/05GK101393966SQ20071012197
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月19日 優先權日2007年9月19日
發明者明 劉, 商立偉, 塗德鈺, 王叢舜, 銳 賈, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所