CN101924183B - 有机场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机场效应晶体管，包括：源(6)和漏(8)电极；半导体层(10)，由有机半导体材料制成且至少设置在所述源(6)和漏(8)电极之间；栅电极(22)，适于产生增加半导体层(10)中的移动电荷载流子密度的电场，从而当施加电压VG于栅电极(22)时在源(6)和漏(8)电极之间的半导体层(10)中产生导电沟道；以及电绝缘层(20)，插设在栅电极(22)和半导体层(10)之间，其特征在于：进一步包括设置在导电沟道附近且在源(6)和漏(8)电极旁边的压电层(23)，且该压电层(23)在源(6)和漏(8)电极之间的半导体层(10)中或电绝缘体(20)和半导体层(10)的与栅电极(22)相对的一侧，所述压电层与所述源(6)和漏(8)电极以及半导体层(10)电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机场效应晶体管。
背景技术
当前已知的有机场效应晶体管包括：
-源电极和漏电极；
-由有机半导体材料制成的、至少设置在所述源电极和漏电极之间的半导体层；
-栅电极；以及
-插设在栅电极和半导体层之间的电绝缘层。
当施加电压于栅电极时，存在于半导体层中的电荷载流子集中在半导体层和绝缘层之间的界面，同时仅保留在半导体层中。于是，电荷载流子的这种集中形成晶体管导通状态的导电沟道特征。
采用有机半导体材料制造的有机场效应晶体管也已知为首字母缩略词OFET(有机场效应晶体管)。
有机半导体是晶体形式或聚合物形式的有机化合物，其显示出与无机半导体相似的性质。这些性质是通过电子和空穴的导电及存在带隙。这些材料催生了有机电子学。
特别地，1970年具有导电特性的聚合物的发现激发了巨大的微电子学领域中的活跃度，为在低成本塑性衬底上制造元件提供新的前景。在最近几年中，在这一新的通常称为“塑性电子学”的研究领域取得了显著进步。集成到数字照相机、车载无线电或甚至电动剃须刀中的基于有机发光二极管(OLED)的显示屏已经商品化。OLED的这一巨大的发展因而激励了在有机电子学的其他应用中的研究，例如基于有机半导体或有机场效应晶体管的光伏太阳能电池面板，其将允许在弹性衬底上制造低成本集成电路。
发明内容
然而，要努力改善有机晶体管的导电性能。
为此目的，本发明提供一种有机场效应晶体管，其包括：
-源电极和漏电极；
-由有机半导体材料制成的、至少设置在所述源电极和漏电极之间的半导体层；
-栅电极，适于产生增大半导体层中的移动电荷载流子密度的电场，从而当施加电压VG于栅电极时在源电极和漏电极之间在半导体层中产生导电沟道；以及
-插设在栅电极和半导体层之间的电绝缘层，
特征在于其进一步包括靠近导电沟道且在源电极和漏电极旁边设置的压电层，该压电层在源电极和漏电极之间的半导体层中或在电绝缘层和半导体层的与栅电极相反的一侧，所述压电层与所述源电极和漏电极以及半导体层电隔离。
压电层如此构造，以当施加电压VSD于源电极和漏电极且施加电压VG于栅电极时在源和漏电极之间产生机械波。
在源和漏电极之间的半导体层中产生的机械波降低金属和半导体之间的势垒，因此使得可以改善半导体层中的电荷注入并从而增大在导电沟道中流动的电荷的数量。
根据有机晶体管的一个或更多特征，单独地或结合地看来：
-绝缘层插设在压电层与源和漏电极之间；
-所述压电层的纵轴近似平行于由源和漏电极定义的轴；
-压电层的材料具有大于30％的电机械耦合系数；
-压电层的厚度至少在电极间空间内是可变的；
-所述压电层至少延伸达到所述源和漏电极；
-所述绝缘层至少延伸达到所述源和漏电极；
-所述半导体层是p型且所述绝缘层具有小于3的介电常数；
-压电层是天然晶体形式、人造陶瓷形式或聚合物形式；以及
-有机晶体管包括用于所述压电层的外部电源件。
附图说明
其他优点和特征将在阅读本发明的描述时以及从附图中变得明显，其中：
图1是根据第1实施例的有机场效应晶体管的垂直截面示意图；
图2是工作中图1的局部放大图，其中示出了机械波传播；
图3A、3B和3C是图1的晶体管的压电层的可选实施例变形的垂直截面放大示意图；
图4是根据第2实施例的有机场效应晶体管的相似于图1的视图；
图5示出了图4的晶体管的变形实施例；
图6示出了图4的晶体管的另一变形实施例；
图7示出了图4的晶体管的第四变形实施例；以及
图8示出流经图1的晶体管的电流强度的改变作为施加于包括压电层的晶体管以及常规晶体管的栅电极的电压VG的函数的曲线图。
在所有图中，相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出根据第1实施例制造的有机场效应晶体管2。晶体管2具有衬底4，在衬底4上制造源电极6和漏电极8。衬底4具有例如125μm的厚度且源电极6和漏电极8具有至少30nm的厚度。这里，在与衬底4的沉积有形成晶体管2的各种电极和层的面正交的垂直方向Z上测量厚度。源电极6和漏电极8通过电极间空间C分隔开。
至少在电极6和8之间例如在电极6和8之上沉积由有机半导体材料制成的半导体层10。有机半导体层10可以是p型或n型并且可以是聚合物形式或晶体形式。
半导体层10与电极6和8直接机械地和电学地接触并且至少填充隔开电极6和8的电极间空间C。这里，术语“直接接触”表示不经由中间层而发生接触。半导体层10的最小厚度例如在50nm到500nm之间，例如是100nm。
电绝缘层或电介质层20插设在栅电极和半导体层10之间。电绝缘层20的下面与半导体层10的上面直接机械接触。电绝缘层20能够使栅电极22与半导体层10电隔离。电绝缘层20的厚度例如是在50nm到2μm之间，如800nm。
栅电极22实质上置于隔开电极6和8的电极间空间C上方。栅电极22具有例如100nm到1μm之间，例如100nm的厚度。栅电极22能够产生增加在半导体层10和电绝缘层20之间的界面处的电荷载流子密度的电场，使得在半导体层10中产生导电沟道。这是因为，由于层20是电绝缘体，所以能够移动的电荷载流子仅位于半导体层10附近。当也施加电压VSD于源电极6和漏电极8之间时，导电沟道能够使电荷(电流ION)在源电极6和漏电极8之间流动。在这种状态下，晶体管2被称为处于导通状态。相反地，当不施加电压VG于栅电极22时，没有导电沟道产生，所以当施加电压VSD于源电极6和漏电极8之间时，仅非常小的电流Ioff会在电极6和8之间流动。如图所示情况下，为了使晶体管2从截止状态转换为导通状态而施加到电极22的电压VG是负的。
晶体管2进一步包括靠近导电沟道并在源电极6和漏电极8旁边放置(更精确地，在图示的例子中在导电沟道之下)的压电层23，且该压电层23在源电极6和漏电极8之间的半导体层10中或者在电绝缘层20和半导体层10的与栅电极22相反的一侧，所述压电层与所述源电极6和漏电极8以及半导体层10电隔离。
压电层23如此构造以当施加电压VSD于源电极6和漏电极8时在源电极6和漏电极8之间产生机械波。
在半导体层10中，在源电极6和漏电极8之间产生的机械波降低金属和半导体之间的势垒，因此使得可以改善向半导体的电荷注入并从而增大在导电沟道中流动的电荷的数量。
现在，当在电极6和8之间施加电压VSD时，电场施加于压电层23。于是，在压电层23的端部(terminals)的电场的变化产生机械波。
在图1所示的第1实施例中，压电层23置于源电极6和漏电极8之间，且位于电极间空间C中。沉积压电层23以使压电层23的纵轴I-I近似平行于由源电极6和漏电极8定义的轴，使得在所述电极之间引导机械波。
因此，当施加电场于压电层23的端部时，后者的晶体结构在优先方向上收缩或扩展，导致层23的宏观应变(macroscopic strain)。应变与所施加的电压成比例。当晶体管2工作时，施加到压电层23的端部的电场是已经施加在源电极6和漏电极8之间的电场。因此，不需要用于提供给压电层23的另一电压源：使用施加于源电极6和漏电极8之间的电压VSD。电极之间的电势差例如对于p型半导体层是在+15V和-40V之间。另外，对于陶瓷压电层，产生的机械应变与供给电压成比例。
也可以提供具有直接连接到压电层23的端部的外部电源11的有机晶体管2(参见图4的例子)。因此，晶体管的压电层23可以独立于晶体管2的运作而被供电。
例如，可以施加具有适于期望的机械应变的频率和功率(其能够比晶体管2所允许的更高)的脉冲DC电压或交变场(alternating field)。因此，可以由于交变场而使压电层因这个反复颠倒的场经受不变的应变从而产生声波或机械波。
然后，压缩和扭转机械波束被发射并在半导体层10中传播。图2示出在瞬间相(transient phase)到晶体管2的导通状态期间机械波24从源电极6开始的传播。这些应变通过施加应力于导电沟道、改善沟道的导电性而发生作用。此外，通过增大在半导体层10中的电荷输送期间的电荷速率来降低阱(trap)的势垒，所产生的波的传播得以进行。因此，在晶体管的状态改变期间，机械波提供额外的能量，帮助电流在源电极6和漏电极8之间流动，从而使得可以缩短响应时间。而且，漏电极8处波的存在改善电荷俘获。
对于p型半导体层，源电极6和漏电极8之间的电场VSD是负的，使得机械波被优先导向在从源电极6至漏电极8的方向(参见箭头25)上。因此，电荷被输送并朝着漏电极8由机械波24加速。压电层23因此充当“吸取器件(suction device)”，吸收电荷并将它们移向漏电极8。
通过给予压电层23特殊的形状以强调源电极6和漏电极8之间的波传播方向，压电层23的厚度可以至少在电极间空间C中沿纵轴I-I改变。
图3A、3B和3C示出了压电层23的实施例。在图3A所示的实施例中，压电层23具有厚度从源电极6朝着漏电极8增加的常规梯形形状。因此，促进漏电极8附近的电荷俘获。在图3B所示的实施例中，压电层23也具有常规梯形形状，但厚度从源电极6朝着漏电极8减小。因此，促进了朝着漏电极8的电荷输送。此外，在图3C所示的实施例中，压电层23具有常规凹进形状，厚度从源电极6朝着漏电极8先减小后增加。因此，电荷沟道效应(channelling)朝着电极聚焦(focused)。
具有n型半导体层的晶体管的工作原理是相似的，偏压电压VG和VSD的符号以及机械波传播的优先方向相反。
取决于可以是任何类型的材料的性质，薄压电层23具有例如1纳米到1微米之间的厚度。
该层可以表现为天然晶体形式，例如石英、黄晶、电气石、块磷铝矿(AlPO4)、糖(sugar)或酒石酸钾钠(Rochelle salt)、正磷酸镓(GaPO4)；羟磷灰石或砷酸镓(GaAsO4)晶体；钙钛矿晶体结构或钨青铜型结构的陶瓷(PbTiO3、BaTiO3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3、NaxWO3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15或Pb(Zr0.5Ti0.5)O3)。这些材料具有大于30％的电机械耦合系数k，k代表获得的机械能与供给的电能的比。
可以使用由人造陶瓷如PZT陶瓷(化学式Pb(Zrx，Ti1-x)O3的锆钛酸铅)制成的压电层。人造陶瓷压电层的厚度例如是在0.5至1μm之间。
可以使用由聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)或(CH2CF2)n及其衍生物或硅酸镓镧陶瓷(langasite ceramic)(例如化合物Ba3NbFe3Si2O14)制成的压电层。压电聚合物具有易于加工因而低廉的优点。然而，它们具有低的电机械耦合系数(PVDF情况下的12至15％以及共聚物P(VDF-TrFE)情况下达到30％)。
最后，选择并且是热电的压电材料如磷碲酸铵(ammoniumphosphotellurate)可以是有利的。它在晶体管工作期间的加热可以改善其性能。
为了将压电层23与半导体层10以及源电极6和漏电极8电隔离，可以例如取决于压电层的形状而提供插在压电层23与源电极6和漏电极8之间的绝缘层26。绝缘层26防止源电极6和漏电极8与压电层23之间的短路。
在压电层23不接触源电极6和漏电极8且为n型半导体的情况下，该绝缘层不是必需的。然而，在p型半导体的情况下，为使压电层23不干扰半导体，绝缘层26变得非常有用。因此，选择具有小于3的介电常数的绝缘层是有利的。
为了改善晶体管2的性能，绝缘层26如此安置以使其在垂直方向Z上的厚度尽可能小，因此不形成对于机械波的势垒，同时仍提供不具有太高电容的良好的绝缘。绝缘层26的厚度取决于用于压电层23的材料。然而，选择薄层，例如具有在10至500纳米之间的厚度。小于150nm的厚度使机械波传播中的任何限制和衰减可以忽略。
根据图4至7所示的第2实施例，压电层23设置在晶体管2的衬底4上且在源电极6和漏电极8之下。压电层23的纵轴I-I近似平行于由源电极6和漏电极8定义的轴。
根据第一变形，压电层23设置在电极间空间C之下(图4)。此外，绝缘层26在源电极6和漏电极8之下延伸。
根据第二变形，压电层23设置在电极间空间C之下且绝缘层26延伸超过源电极6和漏电极8(参见图5)。
根据第三变形，压电层23设置在晶体管2的衬底4上且从源电极6下方的一侧延伸到漏电极8下方的另一侧(图6)。
根据第四变形，压电层23设置在衬底4上且延伸超过源电极6和漏电极8(图7)。
然而，优选实施例是压电层23限制在电极间空间C中或在电极间空间C之下的实施例(图1、4和5)，因为以这种方式，寄生电容的形成或源电极6和漏电极8与压电层23之间的偏置被限制。
所有这些实施例相应于被称为“顶栅”晶体管结构的。然而，本发明同样适用于其他结构，例如被称为“底栅”或“垂直栅”结构(仅衬底改变位置)。为了说明晶体管2相比于不包括压电层的晶体管的Ion/Ioff比的改进，图8是示出在源电极6和漏电极8之间流动的电流强度IDS的改变作为施加于包括压电层23的p型晶体管2(曲线27)以及不包括压电层的p型晶体管(曲线28)的栅电极22的电压VG的函数的曲线图。
对于曲线27、28两者，当电压VG是正值时，电流强度IDS的等于电流强度Ioff。当电压VG处于0至大约10V之间时，电流强度IDS于是与电压VG成比例地增大(线性方式(linear regime))。这之后，曲线27、28两者的情况中，电流强度IDS以稳定状态方式饱和。
因此，可以看出，对于低电压VSD，压电层23的作用也是轻微的，从而其集成到晶体管2不更改截止状态时晶体管2的运作。仅同样非常低的电流Ioff会在电极6和8之间流动。
另一方面，对于高电压VSD，包括压电层23的有机晶体管2的处于线性或稳定状态方式的电流强度IDS比常规有机晶体管的电流强度IDS高几个数量级。于是，压电层23的作用变得重要并帮助增大作为栅电压VG的函数的电流的斜率，因此使得能够增大电流强度Ion。
因此，应该理解的是，包括接近导电沟道的压电层23的这种晶体管2相当大地改善导电沟道中的电荷的注入和输送。
Claims (10)
1.一种有机场效应晶体管包括：
源电极(6)和漏电极(8)；
半导体层(10)，由有机半导体材料制成且至少设置在所述源电极(6)与所述漏电极(8)之间；
栅电极(22)，适于产生增加所述半导体层(10)中的移动电荷载流子密度的电场，从而当施加电压VG于所述栅电极(22)时在所述源电极(6)与所述漏电极(8)之间的所述半导体层(10)中产生导电沟道；以及
电绝缘层(20)，插设在所述栅电极(22)和所述半导体层(10)之间，
特征在于：其进一步包括靠近所述导电沟道并且在所述源电极(6)和所述漏电极(8)旁边设置的压电层(23)，且该压电层(23)在所述源电极(6)与所述漏电极(8)之间的所述半导体层(10)中或在所述电绝缘层(20)和所述半导体层(10)的与所述栅电极(22)相对的一侧，所述压电层与所述源电极(6)和所述漏电极(8)以及与所述半导体层(10)电隔离，所述压电层(23)构造为当施加电压VSD于所述源电极(6)与所述漏电极(8)时在所述源电极(6)与所述漏电极(8)之间产生机械波。
2.根据权利要求1所述的有机场效应晶体管，特征在于：绝缘层(26)插设在所述压电层(23)与所述源电极(6)和所述漏电极(8)之间。
3.根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述压电层(23)的纵轴(I-I)近似平行于由所述源电极(6)和所述漏电极(8)定义的轴。
4.根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述压电层(23)的材料具有大于30％的电机械耦合系数。
5.根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述压电层(23)的厚度至少在电极间空间(C)内是可变的。
6.根据权利要求1或2所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述压电层(23)至少延伸达到所述源电极(6)和所述漏电极(8)。
7.根据权利要求6所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述绝缘层(26)至少延伸达到所述源电极(6)和所述漏电极(8)。
8.根据权利要求2所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述半导体层(10)是p型且所述绝缘层(26)具有小于3的介电常数。
9.根据权利要求1所述的有机场效应晶体管，特征在于：所述压电层(23)是天然晶体形式、人造陶瓷形式或聚合物形式。
10.根据权利要求1所述的有机场效应晶体管，特征在于：其包括用于所述压电层(23)的外部电源件(11)。
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