CN101459195B - 电解质晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电解质晶体管，其包括栅极结构、两源极/漏极、电解质层与埋入式导电层。栅极结构包括栅极介电层与栅极，位在基板上方。两源极/漏极，彼此分离，位于栅极结构两侧的基板上方。电解质层，位于两源极/漏极之间并与其接触，并且位于栅极结构与基板之间并与其接触。埋入式导电层，位于电解质层与基板之间。两源极/漏极之间的电解质层具有沟道，通过电解质层氧化还原反应来改变其导电性，以开启或关闭沟道。

Description

电解质晶体管及其制造方法 

【技术领域】

本发明涉及一种晶体管及其制造方法，特别是涉及一种电解质晶体管及其制造方法。 

【背景技术】

晶体管是半导体制造中最基本的电子元件。典型的晶体管为一种金氧半场效应晶体管。金氧半场效应晶体管是由金属\氧化层\半导体依序堆叠在一起所形成类似于电容的结构。由于金氧半场效应晶体管是形成在硬式硅基板上，其成本较高且在应用上受到较大的限制。 

目前已有研究使用半导体聚合物来制作有机场效应晶体管。有机场效应晶体管是以半导体聚合物来作为信道，其工作原理主要是透过外加电场来使半导体聚合物中带电载流子特性产生改变。有机场效应晶体管的优点是在低温过程(<100℃)有较好的机械性质，且元件整体重量比传统晶体管轻很多。再者，其制造成本较低，也可以节省时间。此外，其可以制作大面积元件，且可应用于可挠性电子元件。 

另一种晶体管为电化学晶体管元件，其是利用有机材料的电化学氧化还原反应来达到其功效。此种电化学晶体管组件中的有机材料主要包括电解质以及导电高分子，其可在氧化态和还原态之间转换。换言之，有机材料至少具有两种状态，其中一种为低导电性的还原态；而另一种为导电性相对较前者高的氧化态。此种元件可利用其导电度的差异来应用于感应器，例如是用来感测溶液的氧化情形。然而，通常此种元件的制作成本较高且制造较为困难，难以大量制造。 

【发明内容】

本发明提出一种电解质晶体管，其包括栅极结构(gate structure)、两源极/漏极(source/drain)、电解质层与埋入式导电层。栅极结构包括栅极介电层(gate dielectric layer)与栅极，位于基板上方。两源极/漏极，彼此分离位于栅极结构两侧的基板上方。电解质层，位于两源极/漏极之间并与其接触，并且位于栅极结构与基板之间并与其接触。埋入式导电层，位于电解质层与基板之间。介电层，位于埋入式导电层周围，且覆盖于埋入式导电层上并且具有开口，暴露部分埋入式导电层，并隔绝埋入式导电层与两源极/漏极。该电解质层形成在介电层的开口上并与埋入式导电层电性连接，两源极/漏极之间的电解质层具有沟道，通过电解质层氧化还原反应来改变其导电性，以开启或关闭沟道。 

本发明提出一种电解质晶体管的制造方法。此法包括在基板上形成埋入式导电层。然后，在基板上形成介电层，介电层具有开口，裸露出埋入式导电层。接着，在开口两侧的介电层上分别形成源极/漏极。之后，在两源极/漏极之间形成电解质层。然后，在电解质层上形成栅极介电层与栅极，以构成栅极结构。 

本发明之电解质晶体管，其可以使用可挠性基板来制作，且制造方法简易，可大量制造。 

为让本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，做详细说明如下。 

【附图说明】

图1A至1D是依据本发明实施方案所绘示的一种电解质晶体管的制造流程剖面示意图。 

【主要附图标记说明】 

100：基板                        110：栅极介电层 

102：埋入式导电层                112：开口 

104：介电层                      114：栅极 

106：源极/漏极                   116：栅极结构 

108：电解质层                    120：沟道

【具体实施方式】

图1A至1D是依据本发明实施方案所绘示的一种电解质晶体管的制造流程剖面示意图。 

请参照图1A，在基板100上形成埋入式导电层102。基板100可以是硬式基板或是可挠式基板。硬式基板例如半导体基板如硅基板、半导体化合物基板如硅锗基板、绝缘基板如玻璃或是绝缘层上有硅(SOI)基板。可挠式基板例如塑料基板如聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、聚萘二甲酸乙二酯(Poly(ethylene naphthalene-2，6-dicarboxylate)，PEN)、聚乙烯(Polyethylene)、聚丙烯、聚碳酸酯(Polycarbonate)；纸；覆层纸(coatedpaper)，其覆层如树脂、聚乙烯或聚苯烯；瓦楞纸板(corrugated board)或层压纸(paper laminate)。埋入式导电层102的材质例如是金属、金属合金或金属氮化物，如铝、金、银、铜、钨、镍、铜铝合金、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。埋入式导电层102可以采用喷墨印刷技术直接形成。埋入式导电层102的形成方法也可以先以电镀或是气相沉积的方式先形成毯覆式埋入式导电材料层，再经由微影与蚀刻工艺以使其图案化。气相沉积法包括化学气相沉积法或是物理气相沉积法如溅镀、蒸镀。 

接着，请继续参照图1A，在基板100上形成介电层104。介电层104具有开口112，裸露出埋入式导电层102。 

介电层104的材质例如是聚合物如聚乙烯酚(PVP)、氧化硅、四乙基硅氧烷(TEOS)氧化硅、无掺杂硅玻璃、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氟掺杂硅玻璃(FSG)、旋涂式玻璃(SOG)、氮化硅、介电常数低于4的介电层等。介电层104的形成方法可以与埋入式导电层102相同或相异。介电层104的形成方法例如是采用喷墨印刷的技术直接形成具有开口112的介电层104。介电层104的形成方法也可以采用化学气相沉积技术或是旋涂技术先形成毯覆式介电材料层，再经由微影、蚀刻工艺图案化，以形成具有开口112的介电层104。 

之后，请参照图1B，在开口112两侧的介电层104上分别形成源极/漏极106。源极/漏极106的材质可以与埋入式导电层102相同或相异。源极/漏极106的材质例如是铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。源极/漏极106的形成方法可以与埋入式导电层102或介电层104者相同或相异。源极/漏极106的形成方法可以采用喷墨印刷技术直接形成。源极/漏极106的形成方法也可以先以电镀或是气相沉积的方式先形成毯覆式导电材料层，再经由微影与蚀刻工艺以使其图案化。气相沉积法包括化学气相沉积法或是物理气相沉积法如溅镀、蒸镀。 

其后，请参照图1C，在两源极/漏极106之间形成电解质层108，以电性连接埋入式导电层102与两源极/漏极106。电解质层108的材质例如是 固态电解质。固态电解质例如是掺杂银、铜、铬或铌的硒化锗(GeSe)、硫化锗(GeS)、AgTeSe、AgTeS或AgSeS。固态电解质也可以是有机材料。有机材料可以透过电化学的方式，通过氧化还原状态的改变，以改变其导电性。有机材料为一种聚合物，其至少在氧化状态具有导电性。有机材料还可选择性地还包括聚阴离子化合物(polyanion compound)。在一种实施方案中，此聚合物材料是选自聚噻吩(polythiophenes)、聚吡咯(polypyrroles)、聚苯胺(polyanilines)、聚异唑萘(polyisothianaphtalenes)、聚亚苯基亚乙烯基(polyphenylene vinylenes)及其共聚物。在一种实施方案中，聚合物材料为3，4-二烷氧基噻吩(3，4-dialkoxythiophene)的聚合物或共聚物。3，4-二烷氧基噻吩中的两个烷氧基可以相同或相异，或共同构成选择性取代的氧-亚烷基-氧桥(oxy-alkylene-oxy bridge)。在一种实施方案中，3，4-二烷氧基噻吩选自聚(3，4-亚甲基二氧噻吩)(poly(3，4-methylenedioxythiophene))、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)、聚(3，4-亚丙基二氧噻吩)(poly(3，4-propylenedioxythiophene))以及聚(3，4-亚丁基二氧噻吩)(poly(3，4-butylenedioxythiophene))。聚阴离子化合物为聚(苯乙烯磺酸)(poly(styrene sulphonic acid))或其盐类。 

固态电解质还包括粘合剂(binder)。粘合剂具有胶体特性。粘合剂选自明胶(gelatine)、明胶衍生物(gelatine derivative)、聚丙烯酸(polyacrylic acid)、聚甲基丙烯酸(polymethacrylic acid)、聚乙烯吡咯烷酮(poly(vinyl-pyrrolidone)、多糖(polysaccharides)、聚丙烯酰胺(polyacrylamides)、聚氨基甲酸酯(polyurethanes)、聚环氧丙烷(polypropyleneoxides)、聚环氧乙烷(polyethylene oxides)、聚(苯乙烯磺酸)(poly(styrenesulphonic acid))以及聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol))及其盐类以及其共聚物，并且它们可选择性地被交联。固态电解质可还包括离子盐。此外，固态电解质可还包括吸湿盐(hygroscopic salt)例如是氯化镁，以保持其所含的水分。电解质层108的形成方法可以与源极/漏极106、埋入式导电层102或介电层104相同或相异。电解质层108的形成方法可以采用喷墨印刷技术直接在两源极/漏极106之间以及部分的两源极/漏极106上覆盖电解质层108。电解质层108的形成方法也可以利用物理气相沉积如溅镀、蒸镀的方式形成毯覆式电解质材料层，再经由微影与蚀刻工艺以使其图案化。 

之后，请参照图1D，在电解质层108上形成栅极结构116。栅极结构 116包括栅极介电层110与栅极114。栅极介电层110的材质例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其它高介电常数材料。栅极介电层110的形成方法可以与源极/漏极106、埋入式导电层102或介电层104者相同或相异。栅极介电层110形成的方法例如是喷墨印刷技术、旋涂技术、热氧化法或是化学气相沉积法。栅极114的材质可以与源极/漏极106、埋入式导电层102相同或相异。栅极114的材质例如是铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。栅极114的形成方法可以与栅极介电层110、源极/漏极106、埋入式导电层102或介电层104者相同或相异。栅极114的形成方法可以采用喷墨印刷技术直接形成。栅极114的形成方法也可以先以电镀或是气相沉积的方式先形成毯覆式导电材料层，再经由微影与蚀刻工艺以使其图案化。气相沉积法包括化学气相沉积法或是物理气相沉积法如溅镀、蒸镀。 

在一种实施方案中，栅极114、栅极介电层110均采用相同的喷墨印刷技术来形成。由于其工艺可完全不需进行微影与蚀刻工艺，因此，其工艺简便、快速。 

在本发明实施例中，在两源极/漏极106之间的电解质层108可作为沟道120，电解质层108通过氧化还原反应来改变其导电性，以开启或关闭沟道120。在一种实施方案中，此元件属空乏型(depletion mode)晶体管，在不施加偏压给栅极114时，电解质层108为具有高导电性的氧化态；当在此组件的栅极114施加正压时，栅极114下方的电解质层108被还原成具有低导电性的还原态。换言之，在不施加偏压给栅极114，而埋入式导电层102接地或浮置且两源极/漏极106之间有压差时，源极/漏极106之间的沟道区的电流导通。而在施加正压给栅极114，埋入式导电层102接地，源极106接地，且漏极106接正电压时，电子由接地或浮置的埋入式导电层102提供给栅极114下方的电解质层108，使其发生还原反应成具有低导电性的还原态，而导致沟道关闭。由于电子供应源在信道的正下方，因此，可有效缩短电子位移长度(electron migrate length)。另一方面，由于埋入式导电层102可与晶体管的源极106连接，使元件在操作时，栅极114和埋入式导电层102自然产生电位差，进而造成电荷在电解质内进行内部传送(internaltransfer)。因此，本发明可通过电子位移长度的缩短以及自然产生电位差来大幅提升晶体管的反应速度。

本发明实施方案中，埋入式导电层可与晶体管的源极连接，使元件在操作时，栅极和埋入式导电层自然产生电位差，因此，在进行操作时，不需要另外提供负电源给栅极。 

另一方面，由于本发明实施方案的电解质晶体管为垂直式结构，电荷能够及时供应给两源极/漏极之间的沟道区中的电解质，使电解质可以迅速进行氧化还原反应，因此，晶体管的反应速度非常快。 

本发明实施方案的电解质晶体管可以是一种在施加偏压的情况下，电解质内的氧化还原状态才会发生改变，而在移除偏压之后，电解质内的移动电子以及移动离子会重新回到最初状态的元件，因此可应用于动态电解质晶体管(dynamic electrolyte transistor)或双态电解质晶体管(bi-stableelectrolyte transistor)上。 

本发明实施方案的电解质晶体管，其可以使用可挠性基板来制作，且制造方法简易，可大量制造。 

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意的更改与润饰，因此本发明的保护范围应以所附权利要求限定的范围为准。

Claims (37)

1.一种电解质晶体管，包括：

栅极结构，其包括栅极介电层与栅极，位于基板上方；

两源极/漏极，其彼此分离，位于该栅极结构两侧的该基板上方；

电解质层，位于该两源极/漏极之间并与其接触，并且位于该栅极结构与该基板之间；

埋入式导电层，其位于该电解质层与该基板之间，以及

介电层，位于该埋入式导电层周围，且覆盖于该埋入式导电层上并且具有开口，暴露部分埋入式导电层，并隔绝该埋入式导电层与两源极/漏极；

其中，该电解质层形成在介电层的开口上并与埋入式导电层电性连接，该两源极/漏极之间的该电解质层包括沟道，通过该电解质层的氧化还原反应来改变其导电性，以开启或关闭该沟道。

2.如权利要求1所述的电解质晶体管，其中该电解质层的材质包括固态电解质。

3.如权利要求2所述的电解质晶体管，其中该固态电解质包括掺杂银、铜、铬或铌的硒化锗、硫化锗、AgTeSe、AgTeS、AgSeS或是有机材料。

4.如权利要求3所述的电解质晶体管，其中有机材料为一种聚合物材料。

5.如权利要求4所述的电解质晶体管，其中该聚合物材料选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚异唑萘、聚亚苯基亚乙烯基及其共聚物。

6.如权利要求4所述的电解质晶体管，其中该聚合物材料为3，4-二烷氧基噻吩的聚合物。

7.如权利要求4所述的电解质晶体管，其中该聚合物材料为3，4-二烷氧基噻吩的共聚物。

8.如权利要求6或7所述的电解质晶体管，其中该3，4-二烷氧基噻吩的聚合物或共聚物选自聚(3，4-亚甲基二氧噻吩)、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)、聚(3，4-亚丙基二氧噻吩)以及聚(3，4-亚丁基二氧噻吩)。

9.如权利要求3所述的电解质晶体管，其中该有机材料还包括阴离子化合物。

10.如权利要求9所述的电解质晶体管，其中该阴离子化合物包括聚(苯乙烯磺酸)或其盐类。

11.如权利要求3所述的电解质晶体管，其中该有机材料还包括粘合剂。

12.如权利要求11所述的电解质晶体管，其中该粘合剂选自明胶、明胶衍生物、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、多糖、聚丙烯酰胺、聚氨基甲酸酯、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷、聚(苯乙烯磺酸)以及聚乙烯醇及其盐类以及其共聚物。

13.如权利要求2所述的电解质晶体管，其中该固态电解质还包括离子盐。

14.如权利要求2所述的电解质晶体管，其中该介电层还隔离该两源极/漏极与该基板。

15.如权利要求1所述的电解质晶体管，其中该介电层还隔离该两源极/漏极与该基板。

16.如权利要求1所述的电解质晶体管，其中该两源极/漏极的材质包括铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。

17.如权利要求1所述的电解质晶体管，其中该栅极的材质包括铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。

18.如权利要求1所述的电解质晶体管，其中该埋入式导电层的材质包括铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。

19.如权利要求1所述的电解质晶体管为空乏型晶体管。

20.一种电解质晶体管的制造方法，包括：

在基板上形成埋入式导电层；

在该基板上形成介电层，该介电层具有开口，裸露出该埋入式导电层；

在该开口两侧的该介电层上分别形成源极/漏极；

在该两源极/漏极之间形成电解质层；以及

在该电解质层上形成栅极介电层与栅极，以构成栅极结构。

21.如权利要求20所述的电解质晶体管的制造方法，其中该介电层、该两源极/漏极、该电解质层、该栅极结构以及该埋入式导电层是以相同的技术方法形成。

22.如权利要求21所述的电解质晶体管的制造方法，其中该介电层、该两源极/漏极、该电解质层、该栅极结构以及该埋入式导电层是以喷墨印刷的技术形成的。

23.如权利要求20所述的电解质晶体管的制造方法，其中该电解质层的材质包括固态电解质。

24.如权利要求23所述的电解质晶体管的制造方法，其中该固态电解质包括掺杂银、铜、铬或铌的硒化锗、硫化锗、AgTeSe、AgTeS或AgSeS，或是可以以电化学方式通过其氧化还原状态的改变而具有导电性的有机材料。

25.如权利要求24所述的电解质晶体管的制造方法，其中有机材料为一种聚合物材料。

26.如权利要求25所述的电解质晶体管的制造方法，其中该聚合物材料选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚异唑萘、聚亚苯基亚乙烯基及其共聚物。

27.如权利要求25所述的电解质晶体管的制造方法，其中该聚合物材料为3，4-二烷氧基噻吩的聚合物。

28.如权利要求25所述的电解质晶体管的制造方法，其中该聚合物材料为3，4-二烷氧基噻吩的共聚物。

29.如权利要求27或28所述的电解质晶体管的制造方法，其中该3，4-二烷氧基噻吩的聚合物或共聚物选自聚(3，4-亚甲基二氧噻吩)、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)、聚(3，4-亚丙基二氧噻吩)以及聚(3，4-亚丁基二氧噻吩)。

30.如权利要求24所述的电解质晶体管的制造方法，其中该有机材料还包括阴离子化合物。

31.如权利要求30所述的电解质晶体管的制造方法，其中该阴离子化合物包括聚(苯乙烯磺酸)或其盐类。

32.如权利要求24所述的电解质晶体管的制造方法，其中该有机材料还包括粘合剂。

33.如权利要求32所述的电解质晶体管的制造方法，其中该粘合剂选自明胶、明胶衍生物、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、多糖、聚丙烯酰胺、聚氨基甲酸酯、聚环氧丙烷、聚环氧乙烷、聚(苯乙烯磺酸)以及聚乙烯醇及其盐类以及其共聚物。

34.如权利要求23所述的电解质晶体管的制造方法，其中该固态电解质还包括离子盐。

35.如权利要求20所述的电解质晶体管的制造方法，其中该两源极/漏极的材质包括铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。

36.如权利要求20所述的电解质晶体管的制造方法，其中该栅极的材质包括铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。

37.如权利要求20所述的电解质晶体管的制造方法，其中该埋入式导电层的材质包括铝、银、金、白金、铜、铜铝合金、钨、镍、氮化钛、氮化钽、氮化钼或其组合。

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