CN102986049B - 使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法 - Google Patents

使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102986049B
CN102986049B CN201180026261.5A CN201180026261A CN102986049B CN 102986049 B CN102986049 B CN 102986049B CN 201180026261 A CN201180026261 A CN 201180026261A CN 102986049 B CN102986049 B CN 102986049B
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor layer
transistor
active material
light active
passage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201180026261.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102986049A (zh
Inventor
方汉铿
M·何
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Corning Inc
Original Assignee
Corning Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corning Inc filed Critical Corning Inc
Publication of CN102986049A publication Critical patent/CN102986049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102986049B publication Critical patent/CN102986049B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/30—Doping active layers, e.g. electron transporting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/484—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions
    • H10K10/488—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions the channel region comprising a layer of composite material having interpenetrating or embedded materials, e.g. a mixture of donor and acceptor moieties, that form a bulk heterojunction
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/151—Copolymers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

提供了用于形成晶体管的方法和设备，该晶体管包括：半导体层（102），其包含从光活性有机材料（122）扩散到其中的分子、质子、和/或离子等；设置在半导体层上或者半导体中的通道；设置在半导体层上或者半导体层中的源极（106）；设置在半导体层上或者半导体层中的漏极（108）；以及与半导体层电连接的栅极（104）。

Description

使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2010年5月28日提交的美国申请系列第12/790,113号的优先权。
背景技术
本发明涉及半导体器件，例如晶体管、半导体实现的电阻、二极管等的制备。所述晶体管包括薄膜晶体管（TFT），其用于许多技术领域，例如电子应用，包括OLED、液晶显示器（LCD）、光伏器件、集成电路等。
可以根据所用基材技术的类型、制备方法的复杂性以及晶体管所需的功能和特性，使用各种构造来制备所述晶体管，例如场效应晶体管（FET）。在平板显示器工业中，TFT具有以下几种用途，包括：用作对液晶显示器（LCD）的每一个像素进行开关分立式晶体管，或者对有机发光二极管（OLED）显示器的各个像素进行驱动的分立式晶体管。当然，在显示器技术中TFT还有许多其他用途，包括：涉及离散像素电路的电路，例如阵列控制电路，驱动电路以及测试电路，其中许多可以设置在像素显示区域的***。
可以用无机材料和/或有机材料来制备FET。传统的有机晶体管通常水平地形成在坚固或者挠性的基材上。晶体管结构包括，栅电极、漏电极和源电极，以及有机半导体层和电绝缘层（栅介电层）。有机半导体层起了空穴、电子或者双极电荷传输通道的作用。通过热处理、电子束蒸发或者溅射，并且通常使用金属、金属化合物、透明导电氧化物或者导电有机材料对电极进行沉积。
希望从影响晶体管性能的以下两个重要因素提升FET的电特性：(a)半导体层的通道场效应迁移率，以及(b)从漏-源电极到通道的载体的电荷注入效率。
发明内容
在建立晶体管性能中重要的因素包括：(a)半导体层的通道场效应迁移率，以及(b)从漏-源电极到通道的载体的电荷注入效率。通过沿着电极/通道界面建立的接触电阻来测定电荷注入效率。高性能晶体管应该拥有具备小的亚阈值摆幅、接触电阻以及大开/关比的高迁移率。
显示某些方法有效地提升了晶体管的通道场效应迁移率。一个已知的方法是通过***缓冲层来降低通道和栅介电之间的界面陷阱或者缺陷。该缓冲层可以是自组建单（多）层或小分子（例如，六甲基二硅氮烷或者六甲基二硅氧烷（HMDS））或聚合物（例如含氟聚合物），它们可以与电介质反应或者使电介质的表面状态钝化以使得某些表面化学状态（例如氧化硅表面的羟基基团）的电荷俘获特性最小化。但是，该方法没有进一步提升通道的本征迁移率，而其迁移率是由通道材料的块特性所决定的。
在另一个已知方法中，可以通过使用强酸对通道进行化学掺杂对场效应迁移率施加外部影响。该掺杂可有目的地导致导电性的增加，但是也造成栅调制的显著下降并降低开/关比。因此，还有待用已知方法来实现具有提升的迁移率并且无需损害开/关比的外部掺杂通道的建立。
由于材料的不匹配，在电极（漏电极、源电极）和有机（或无机）半导体层之间的接触电阻约为K-Ohm或者更高，并且预期会明显限制具有缩短的通道长度（漏电极和源电极之间的距离）的器件中的电荷注入。为了改善从漏-源电极到通道的电荷注入，文献中已知有数种方法。使用自组建单层（SAM）对电介质表面或接触面进行改性，从而改善晶体管的性能。所述单层仅可以在某些电介质或导电表面上组建，并会引起溶液加工的有机材料的去湿问题。此外，可以在漏-源电极和通道中***强氧化/还原小分子掺杂剂，（例如F4TCNQ）从而降低接触电阻。但是，SAM沉积通常是自限性过程，其可以用于具有某些表面化学官能基团的金属或金属氧化物表面上。因此，SAM沉积适用于具有底接触几何形状的晶体管，其中在SAM沉积之前对漏-源电极进行预沉积和预图案化。但是，SAM沉积并不适用于具有顶接触几何形状的晶体管，因为在有机通道表面上的分子组装不是无关紧要的。除了金属漏-源电极，导电聚合物也可能与通道形成低接触电阻界面，但是对导电聚合物进行图案化作为顶电极需要特定系列的光致抗蚀剂和加工/显影溶剂。激光干涉图案化是对导电聚合物进行图案化的一个选择，用以在有机晶体管上实现小通道长度。
除了降低漏电极和源电极的接触电阻之外，对于有机通道顶部的高导电性电极进行图案化也有巨大的需求。例如，希望制造亚微米通道顶接触有机晶体管。将碳纳米管分散到溶于水中的聚（丙烯酸）或者聚（4-苯乙烯磺酸）可以提供高导电性电极，其也可光图案化。阴影掩模法可以实现最小约为5微米的通道长度，但是该方法无法用于制备更小通道的器件。已知传统的光致抗蚀体系包含腐蚀性有机溶剂和强碱显影剂，并且由于化学损害与有机通道顶部的图案顶接触不相容。
目前为止，缺少一种常用方法，该方法可以通过平版印刷控制（加工）将通道从半导体状态直接转化为导电状态而形成高导电性和高分辨率图案化的电极。
本文所揭示的示例性实施方式克服了制造基于晶体管的器件相关领域中的上述技术缺陷。本文所述和揭示的方法和设备提供了有机晶体管中的高迁移率有机通道和/或高导电性电有机欧姆触点，以及通过光致酸生成剂在选择性或图案化区域上提供了对应的电器件。
在一个示例性实施方式中，晶体管器件包含：基材、栅电极、漏电极、源电极、介电层以及有机半导体通道层。这些层能够以不同的次序进行堆叠，以形成横向或垂直构造的晶体管器件。有机半导体通道层可包含小分子低聚物或聚合物，其可以包含噻吩或其他半导体单元。该有机技术的特性选择性地允许：a)对有机半导体通道的场效应迁移率进行工程改造，以及b)使用光致酸生成剂（PAG）产生具有通道的可图案化欧姆接触。
在增加场效应迁移率的情况下，将PAG沉积到有机半导体通道中或者通道的表面上。在产生有机欧姆接触的情况下，将PAG单独地沉积到触点漏/源极区域，或者将PAG与其他载体，例如抗蚀剂的混合物沉积到接触漏/源极。可以通过平版印刷方法用光子或电子对所述PAG进行活化，从而限定通道的加工区域。可以选择性地对器件施加热能，例如激光辐射或热辐射，以调节PAG的活化或失活过程并对PAG的扩散进行控制。可以设置碱化合物例如HMDS，调节或者终止PAG的活化。
根据本文公开的一个或多个实施方式，提供了用于形成晶体管的方法和设备，该晶体管包括：半导体层，其包含从光活性有机材料扩散到其中的质子；设置在半导体层上或者半导体中的通道；设置在半导体层上或者半导体层中的源极；设置在半导体层上或者半导体层中的漏极；以及与半导体层电连接的栅极。
根据本文所揭示的一个或多个其他实施方式，提供了用于形成晶体管的方法和设备，该晶体管包括：半导体层；设置在半导体层上或者半导体层中的通道；设置在半导体层上或者半导体层中的源极；设置在半导体层上或者半导体层中的漏极；以及与半导体层电连接的栅极，其中用光致酸生成材料对源极、漏极和栅极中的一个或多个进行掺杂。
根据本文所揭示的一个或多个其他实施方式，提供了用于形成晶体管的方法和设备，该晶体管包括：半导体层；设置在半导体层上或者半导体层中的通道；与半导体层电连接的源极；与半导体层电连接的漏极；与半导体层电连接的栅极；以及光致酸生成材料层，其设置在(i)源极和通道之间，以及(ii)漏极和通道之间的至少一个中。
根据本文所揭示的一个或多个其他实施方式，用于形成晶体管的方法包括：在半导体层上或者半导体层中形成通道；将光活性有机材料设置成与半导体层接触；并使得光活性有机材料与光接触，从而使得质子从光活性有机材料扩散进入到通道中。
本领域技术人员在结合附图阅读对本文所述的实施方式的描述之后，将清楚地了解本发明的其他方面、特征、优点等。
附图说明
为说明本文所述的实施方式的各方面的目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本发明所揭示的实施方式不限于所示的精确配置和手段。
图1所示是采用半导体层的FET晶体管的侧向示意图，所述半导体层含有扩散自光活性材料的质子；
图2A-2B显示了多种适用于制造图1所示FET的光活性材料；
图3A、3B、3C和3D所示是四种分别采用半导体层的FET晶体管（分别是底栅顶接触晶体管、底栅底接触晶体管、顶栅底接触晶体管以及顶栅顶接触晶体管）的侧向示意图，所述半导体层中含有扩散自光活性材料的质子；
图4A、4B、4C和4D分别是为了制造图3A、3B、3C和3D所示的四种FET晶体管的示例性中间结构和工艺流程的侧向示意图；
图5A、5B、5C和5D分别是为了制造四种FET晶体管（分别是底栅顶接触晶体管、底栅底接触晶体管、顶栅底接触晶体管以及顶栅顶接触晶体管）的示例性中间结构和工艺流程的侧向示意图，所述四种FET晶体管分别在漏电极、源电极和/或栅电极中掺杂了光活性材料（例如，光致酸掺杂）。
图6A、6B、6C和6D分别是为了制造四种FET晶体管（分别是底栅顶接触晶体管、底栅底接触晶体管、顶栅底接触晶体管以及顶栅顶接触晶体管）的示例性中间结构和工艺流程的侧向示意图，所述四种FET晶体管分别采用了光致酸材料层，该光致酸材料层设置在(i)源极和通道之间，(ii)漏极和通道之间的至少一个中；以及
图7所示是为了用平版印刷法制造采用了半导体层的FET晶体管的中间结构和工艺流程的侧向示意图，所述半导体层中含有扩散自光活性材料的质子。
具体实施方式
参考附图，图中相同的数字表明相同的元件，图1显示了根据一个或多个实施方式的晶体管100的侧视图。晶体管100可以是FET晶体管，例如薄膜晶体管（TFT）的形式，可用于显示器，例如LCD、OLED显示器和/或其他技术中。晶体管100包含半导体层102。栅接触区和/或栅电极（或简称为“栅极”）104设置在半导体层102上或者半导体层102中，漏接触区和/或漏电极（或简称为“漏极”）106以及源接触区和/或源电极（或简称为“源极”）108也一样。栅极106设置在绝缘层（或介电层）110上，因此所述绝缘层（或介电层）110位于栅极104和半导体层102之间。栅介电层110一些形式的绝缘层，例如，氧化物层、有机层、无机层或者其他类型的层。对于本说明而言，可以将介电层100称作栅氧化物层110。在栅氧化物110下的半导体层102的区域是晶体管100的通道103。可以使用本领域熟知的技术由透明导电氧化物、导电聚合物、化学掺杂的有机层或者金属来制造栅电极、漏电极和源电极。
本文所示和所述的实施方式具体用于半导体器件（例如，晶体管、电阻器、二极管、集成电路等），特别地用于有机半导体器件。但是应注意，任意其他类型的半导体器件，例如，无机晶体管、电阻器、二极管、集成电路等都能从使用本文所述的方法和设备中获得益处。
本文所示和所述的示例性实施方式包括如下特征：通过使用光活性材料改善晶体管100的性能。例如，发现采用光活性材料提升了通道103的场效应迁移率，并可改善与至少漏极106和源极108相联结的电接触区的导电性。如图1示意性所示，晶体管100包含光活性材料，示意性示为元件120。光活性材料可以设置在半导体层102、栅极104、漏极106和/或源极108之内或之上。光活性材料可以包含光致酸生成剂、光致碱生成剂以及光致自由基生成剂中的一种。本文所用术语“光致酸生成剂”指的是任意有机光致酸材料或者光敏酸性材料。光致酸生成剂可以包含至少一个裂解基团（不限于t-Boc基团），可以通过辐射能（例如，光子、电子束或者X射线能）选择性地去除所述裂解基团。但是，应注意，无需用任意特定波长的能量对所述光致酸发生剂进行辐射。
作为示例并参考图2A-2B，其显示了各种光活性材料，所述光致酸发生剂可以包含至少一种选自离子型（鎓盐）化合物和非离子型化合物的化合物。当光致酸发生剂包含离子型（鎓盐）化合物时，则此类化合物可以选自下组：金属材料、磺酸盐材料、磺酰亚胺材料以及磺酰甲基化物材料。当光致酸发生剂包含非离子型化合物时，则此类化合物可以选自下组：有机卤化物材料、磺酸酯材料、磺酸盐材料以及砜材料。当光致酸生成剂包含磺酸酯材料时，则所述材料可以选自下组：2-硝基苄基酯材料、芳族硫磺酸酯材料、肟磺酸酯材料、N-磺酰氧基酰亚胺材料、磺酰氧基酮材料以及DNQ4-磺酸盐/酯材料。当光致酸生成剂包含砜材料时，则所述材料可以选自下组：二砜材料、酮砜材料以及磺酰基二氮甲烷材料。
结合其他附图提供了对于在具体有机或无机晶体管实施方式中使用的光活性材料（例如，光致酸发生剂）的详细说明。为了增加半导体层102的通道的迁移率，应理解本文实施方式的宽泛方面考虑对光活性材料120具有如下设置中的一种：(i)与半导体层102相邻并接触，(ii)在半导体层102内。尽管本文所述实施方式、特征以及优势不限于任意具体的操作理论，但是相信对光活性材料120进行光子照射引起分子从光活性材料120扩散进入到半导体层102中，并在其中释放质子（和/或抗衡离子）。也可能是光活性材料120的分解部分扩散或者与半导体层102发生相互作用而达到所需结果。
在光活性材料120设置在半导体层102内的情况下，光活性材料120可以在其中均匀或者不均匀分布。可以通过，例如，使得质子（和/或其他离子，例如抗衡离子）响应光能从光活性材料源扩散进半导体层102中，实现光活性材料120在半导体层102中的分布。在光活性材料120与半导体层102相邻设置并接触的情况下，光活性材料120可作为这类质子源或者其他离子源进行操作。
参考图3A-3D，显示了多种光活性材料120设置在半导体层102内的晶体管结构（其可以是有机晶体管或者无机晶体管）。
如图3A所示，底栅顶接触晶体管100A可以包含沉积在半导体层102一侧（底部侧）上的介电层110，而栅电极104设置在介电层110上。漏电极106和源电极108沉积在半导体层102的相反侧（顶部侧）上。光活性材料120，例如光致酸生成剂（和/或从其中扩散出来的质子或抗衡离子等）设置在半导体层102中，优选地在通道内和/或与通道相邻。
如图3B所示，底栅底接触晶体管100B可以包含沉积在半导体层102的一侧（底部侧）上的漏电极106和源电极108，介电层110也沉积在一侧上。栅电极104设置在介电层110上。同样地，光活性材料120，例如光致酸生成剂（和/或从其中扩散出来的质子或抗衡离子等）设置在半导体层102中，优选地在通道内和/或与通道相邻。
如图3C所示，顶栅底接触晶体管110C可以包含基材112（例如，玻璃或玻璃陶瓷材料），所述基材112上沉积有漏电极106和源电极108。半导体层102沉积在漏极106、源极108以及基材112上。介电层110沉积在半导体层102的另一侧（顶部侧）上，栅电极104设置在介电层110上。同样地，光活性材料120，例如光致酸生成剂设置在半导体层102中，优选地在通道中和/或与通道相邻。
如图3D所示，顶栅顶接触晶体管100D可以包含基材112，半导体层102沉积在所述基材112上。漏电极106和源电极108沉积在半导体层102上，介电层110沉积在漏极106、源极108以及半导体层102上。栅电极104设置在介电层110上。同样地，光活性材料120，例如光致酸生成剂（和/或从其中扩散出来的质子或抗衡离子等）设置在半导体层102中，优选地在通道中和/或与通道相邻。
应注意，可以对晶体管结构100A、100B、100C和100D进行光子照射（例如，通过施加光能）使得光活性材料120活化，将质子以有利于通道电荷传输的方式释放到半导体层102的通道中。如下文所详述，可以在对漏电极106和/或源电极108进行沉积之前或之后，和/或在对介电层110进行沉积之前或之后进行光子照射。
参考图4A-4D，显示了多种晶体管结构，其中光活性材料120与半导体层102相邻设置并发生接触。例如，光活性材料120可以沉积在半导体层102上面和/或下面，和/或沉积在半导体层102的横向侧上或者横向侧相邻处。
如图4A所示，可以通过将光活性材料沉积在半导体层102具有漏极106和源极108的一侧来制造底栅顶接触晶体管100A。更确切地说，栅极104通过绝缘氧化物层110与半导体层102的第一侧连接。光活性材料（其可被认为是源极）122被设置成与半导体层102的第二侧（相对于半导体层102的第一侧）相邻并与之接触。可以通过已知方法，例如直接沉积、光刻图案化等方法对光活性材料122进行沉积。
如向下箭头所示，对中间结构施加辐射能（例如，光能、光子能、电子束和/或X射线能等），从而使得质子、抗衡离子等从光活性材料源122扩散并传输进入到半导体层102中（特别是其通道中）。（同样如箭头所示），可以施加热能和/或其他外部能源，从而促进分子（或质子、抗衡离子等）从光活性材料源122扩散进入到通道中，然后在光子照射时释放质子。
此外，如果光活性材料源122没有被其他层覆盖，则可以采用另外的碱化合物层对质子从光活性材料源122的释放进行控制。例如，可以设置碱化合物，例如六甲基二硅氮烷或者六甲基二硅氧烷（HMDS）以调节或终止光活性材料源122和/或扩散进半导体层102中的分子的活化。例如，可以通过旋涂之后进行热烘烤工艺对HMDS进行沉积，这是本领域所熟知的。
如图4B所示制造底栅底接触晶体管100B，其中光活性材料沉积在半导体层102的一侧上，栅极104、漏极106和源极108位于相反侧上。更确切地说，栅极104通过绝缘氧化物层110与半导体层102的第一侧连接。光活性材料源122被设置成与半导体层102的第二侧相邻并与之接触，该第二侧与半导体层102的第一侧相对。同样地，方向向下的箭头表示向中间结构施加辐射能（以及可能的热能和/或其他外部能源），从而使得分子、质子、抗衡离子等从光活性材料源122扩散并传输进入到半导体层102中（特别是其通道中）。同样地，如果光活性材料源122没有被其他层覆盖，则可以采用另外的碱化合物层对质子从光活性材料源122的释放进行控制。
如图4C所示，可以通过将光活性材料沉积在半导体层102的横向侧上来制造顶栅底接触晶体管100C。例如，栅极104通过绝缘氧化物层110与半导体层102的第一侧连接。光活性材料源122被设置成与半导体层102的第二侧相邻并与之接触，所述活性材料源122横向沿着和/或侧向设于半导体层102的第一侧。如同之前的实施方式，方向向下的箭头表示向中间结构施加辐射能（以及可能的热能和/或其他外部能源），从而使得分子、质子、抗衡离子等从光活性材料源122扩散并传输进入到半导体层102中。
如图4D所示，可以通过将光活性材料沉积在绝缘层（例如，介电层或氧化物层）110和半导体层102之间来制造顶栅顶接触晶体管100D。例如，将半导体层102沉积在基材112上。漏电极106和源电极108沉积在半导体层102的第一侧上。光活性材料源122沉积在漏极106、源极108以及半导体层102上，从而使得光活性材料源122与半导体层102相邻并接触，所述光活性材料源122在绝缘层110和半导体层102的第一侧之间。栅电极104设置在介电层110上。如同之前的实施方式，方向向下的箭头表示向中间结构施加辐射能（以及可能的热能和/或其他外部能源），从而使得分子、质子、抗衡离子等从光活性材料源122扩散并传输进入到半导体层102中。
参考图5A-5D，显示了各种晶体管结构，其中在制造时使用光活性材料形成了不含金属的栅极104A、漏极106A和或源极108A接触区（优选地为有机接触区）。例如，可以将光活性材料源122沉积在半导体层102上面、下面和/或至少部分地在半导体层102内。之后，施加辐射能，使得分子、质子、抗衡离子等从光活性材料源122中释放（掺杂）进入到半导体层102中（特别是通道区域中）并形成漏电极106A和源电极108A。
如图5A所示，可以通过将光活性材料沉积在半导体层102具有漏极106A和源极108A的第一侧来制造底栅顶接触晶体管100E。作为补充或替代，可以将光活性材料沉积到与半导体层102的第一侧相对的第二侧上以形成栅104A，在所述第一侧上设有漏极106A和源极108A。可以将氧化物层110设置在光活性材料和所述半导体层102的相对层之间。同样地，可以通过已知方法，例如直接沉积、光刻图案化等方法对光活性材料122进行沉积。
如方向向下的箭头所示，对中间结构施加辐射能（例如，光能、光子能、电子束和/或X射线能等），从而对光活性材料源122材料的导电率进行控制。通过合适（且已知）的掩模方法，可以分别形成起了漏电极和源电极作用的不同区域106A、108A。这样的电极106A、108A可以起不含金属的有机接触区，例如有机导电体的作用。可以通过以下一种或多种方法在制造时对电极106A、108A的导电率进行控制：(i)光活性材料源122的组成，以及(ii)施加辐射能时的接触时间。类似地，半导体层102的第一侧上的光活性材料源122的导电率会受到影响，从而形成栅电极104A。所述栅电极104A还可以起不含金属的有机接触区例如有机导电体的作用。
向中间结构施加辐射能还会引起分子、质子、抗衡离子等从（设置在半导体层102的第一侧上的）光活性材料源122中扩散并传输进入到半导体层102中（特别是其通道中）。这通过半导体层102中的元件120示意性地示出。
如同前述实施方式，（同样如箭头所示），可以施加热能和/或其他外部能源，从而促进分子等从光活性材料源122扩散进入到通道中，然后在光子照射时释放质子。
上述技术还可用于图5B、5C和5D的其他晶体管结构，其所示分别是：(i)底栅底接触晶体管100F，(ii)顶栅底接触晶体管100G以及(iii)顶栅顶接触晶体管100H。在所述每一个结构中，栅极104A、漏极106A、108A中的一个或多个可以起不含金属的有机接触区例如有机导电体的作用。此外，向中间结构施加辐射能还会引起分子、质子和/或离子等从（用于漏极106A和源极108A的）光活性材料源122中扩散并传输进入到半导体层102中（特别是其通道中），同样通过半导体层102中的元件120示意性地示出。
参考图6A-6D，显示了多种晶体管结构，该晶体结构中采用了金属栅极104、漏极106和/或源极108接触区，并在制造时采用了光活性材料以改善电荷注入。例如，可以将光活性材料源122沉积在半导体层102上面、下面和/或至少部分地在半导体层102内，其中所述光活性材料源122设置在以下至少一个位置：(i)在源极108和通道（或半导体层102）之间，(ii)在漏极106和通道（或半导体层102）之间。之后，施加辐射能，使得分子、质子、离子等从光活性材料源122中释放（掺杂）进入到半导体层102中（特别是通道区域中），其通过元件120示意性地示出。上述技术还可应用于图6A、6B、6C和6D的其他晶体管结构，其所示分别是：(i)底栅底接触晶体管100I，(ii)底栅底接触晶体管100J、(iii)顶栅底接触晶体管100K以及(iv)顶栅顶接触晶体管100L。
根据其他一个或多个实施方式，在制造半导体器件时使用光活性材料120和/或光活性材料源122可以与光刻法结合，从而同时进行通道图案化和掺杂。虽然可以根据所述结合方法形成本文所述的任意实施方式，但是出于讨论目的，结合附图7，其显示了用于形成具有增强的迁移率的小通道顶接触剥离晶体管100M的技术。通常，所述方法包括以下步骤：在半导体层102之上或之内形成通道；设置光活性材料124与半导体层102发生接触；使光活性材料124受到光照，从而使得分子、质子、和/或离子等从光活性材料124扩散进入到通道中。
进一步详细描述参见图7(a)，其示出将氧化物层110沉积在半导体层102的一侧上，并将栅电极104沉积在氧化物层110上。如图7(b)所示，光致抗蚀体（其包含光活性材料124）被制备并涂覆在半导体层102上（例如，在其通道上）。采用合适的掩模（作为元件150示意性地示出）使得光子照射（由箭头表示）通过并到达光致抗蚀/光活性材料124的区域上，在所述区域上设置有漏电极和源电极。参见图7(c)，相信通过光刻过程，施加光子照明引起分子从光活性材料124扩散进入到半导体层102中并在其中（以元件编号120示出）释放质子。光活性材料124的分解部分还可能扩散或者与半导体层102发生相互作用，以获得所需结果。可能还有抗衡离子会影响到作用机制，这与仅为质子的情况形成对比。图7(d)显示通过光刻过程使光致抗蚀剂/光活性材料124继续发生，导致在某些区域中材料124被蚀刻或者以任意其他方式去除，而在其余区域材料124保留。图7(e)显示对半导体层102的暴露表面进行金属化，以形成漏极106和源极108的接触区/电极。图7(f)显示通过剥离光致抗蚀剂/光活性材料124而产生图案化的半导体层102（包括通道）。
虽然本领域技术人员能理解对所示和所述结构进行了简化，但是应理解，许多分立式晶体管设计中的细微差别可用于制造此类半导体构型，但是出于简要和清楚的目的没有在本文中描述此类细节。
在一个或多个实施方式中，在上述实施方式中所述的层102的半导体材料可以是厚度约为10-200nm的基本单晶材料的形式。在描述层102时所用的术语“基本上”是考虑到半导体材料通常含有至少一些固有的或有意加入的内部缺陷或表面缺陷的事实，如晶格缺陷或少量晶界。该术语“基本上”还反映了以下事实：某些掺杂剂会扭曲或者以其它方式影响半导体材料的晶体结构。为便于讨论的目的，假定半导体层102是由硅形成的。但是应理解，所述半导体材料可以是硅基半导体或者任意其他类型的半导体，例如III-V族的半导体（即GaAs、GaP、InP等）、IV-IV族的半导体（即SiGe,SiC）、元素半导体（即Ge）或者II-VI族的半导体（即ZnO、ZnTe等）。
实施例1
使用上述某些结构、材料和方法制造两种高迁移率有机顶接触晶体管。对于每一种高迁移率有机顶接触晶体管，在绝缘基材上设置有机半导体材料层，例如噻吩共聚物的薄层。例如，将3mg/mL的溶于1,2-二氯苯中的P2TDC17FT4旋涂到n++Si<100>/SiO2（30nm厚）晶片上。将氧化物晶片在N2环境中预烘烤脱水。然后，以3000rpm旋涂（大于99%纯度的）HMDS，并在150°C的N2环境中进一步烘烤15分钟。以1krpm将3mg/mL的溶于1,2-二氯苯中的P2TDC17FT4旋涂到SiO2晶片上，以形成厚度为20-30nm的薄膜。将新型阴片色调i-线光致抗蚀剂旋涂到P2TDC17FT4层上（其导致了类似于图7(a)中的结构），所述新型负色调i-线光致抗蚀剂含有混合有大于20重量%的氟化光致酸生成剂（非离子型PAG）填充物的氟化杯芳烃。通过标准i-线步进机使得光致抗蚀剂选择性地暴露于365nm的光子照射并使用氢氟醚显影，从而产生两个开口区域，通过Au蒸发形成漏电极和源电极，其产生了类似于图7(b)、7(c)、7(d)、7(e)的结构。然后去除光致抗蚀剂并通过使用氢氟醚:HMDS=9:1的溶剂进行剥离过程形成通道，其形成了类似于图7(f)所示结构的晶体管。
一些性能特性如下表所示。
实施例2
使用上述某些结构、材料和方法，使用光致酸生成剂制造了具有有机欧姆接触区的晶体管器件。通过将有机半导体材料，例如噻吩共聚物的薄层溶液浇铸绝缘基材上来制造晶体管。例如，将3mg/mL的溶于1,2-二氯苯中的P2TDC17FT4旋涂到n++Si<100>/SiO2（200nm厚）晶片上。将氧化物晶片在N2环境中预烘烤脱水。然后，以3000rpm旋涂（大于99%纯度的）HMDS，并在150°C的N2环境中进一步烘烤15分钟。以1krpm旋涂P2TDC17FT4溶液以形成20-30nm的薄膜。通过阴影掩模将两个厚度分别约为40nm的Au顶电极真空蒸发到聚合物层上。证实通道长度为50-200μm，通道宽度为0.8-1.8mm的晶体管器件的典型的FET迁移率为0.05cm2V-1s-1，阈值电压为~-10V，开/关比>106。将溶于氢氟醚:PGMEA＝4:1重量%的共溶剂中的光致酸生成剂（非离子型PAG），（以1krpm）旋涂或者液滴浇注到晶体管器件的顶部上。为了在两个顶Au电极间形成有机欧姆接触，通过光刻法使用标准i-线步进机或阴影掩模使得晶体管通道选择性地暴露于波长为365nm的UV光。漏电极和源电极之间的电流-电压特性变得线性，表明在电极间形成了欧姆导电。此外，在从0至-90V的不同栅电压范围内没有观察到栅调制。
一些性能特性如下表所示。
虽然已经参考具体的特征和方面描述了本文的实施方式，但应当理解，这些实施方式仅仅示例性的。因此，应当理解，在不背离说明书的精神和范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以设计其他实现形式。

Claims (19)

1.一种晶体管，其包含：
有机半导体层；
设置在所述有机半导体层上或者所述有机半导体层中的通道；
设置在所述有机半导体层上的源极；
设置在所述有机半导体层上的漏极；以及
与所述有机半导体层电连接的栅极；
设置在所述有机半导体层中的光活性材料；
其中，所述有机半导体层包括有机半导体和分开的有机光活性材料，以及设置在所述源极、漏极和栅极的一个或多个中的光活性材料；以及
其中，分子、质子和/或离子从所述光活性材料扩散进入到设置在所述有机半导体层上或所述有机半导体层中的通道中。
2.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述通道、源极、漏极和栅极被布置成如下的结构之一：
底栅顶接触晶体管结构；
底栅底接触晶体管结构；
顶栅底接触晶体管结构；以及
顶栅顶接触晶体管结构。
3.如权利要求2所述的晶体管，其特征在于：
所述通道、源极、漏极和栅极被布置成如下的结构之一：(i)底栅顶接触晶体管结构，以及(ii)底栅底接触晶体管结构；
所述栅极通过绝缘层与所述半导体层的第一侧连接；
所述光活性材料被设置成与所述半导体层的第二侧相邻并与之接触，其在所述半导体层的第一侧的对面。
4.如权利要求2所述的晶体管，其特征在于：
所述通道、源极、漏极和栅极被布置成顶栅底接触晶体管结构；
所述栅极通过绝缘层与所述半导体层的第一侧连接；
所述光活性材料被设置成与半导体层的第二侧相邻并与之接触，所述半导体层的第二侧横向沿着和/或侧向设于所述半导体层的第一侧。
5.如权利要求2所述的晶体管，其特征在于：
所述通道、源极、漏极和栅极被布置成顶栅顶接触晶体管结构；
所述栅极通过绝缘层与所述半导体层的第一侧连接；
所述光活性材料被设置成与所述半导体层的所述第一侧相邻并与之接触，其在所述绝缘层和半导体层的第一侧之间。
6.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述光活性材料包含光致酸生成剂、光致碱生成剂以及光致自由基生成剂中的一种。
7.如权利要求6中所述的晶体管，其特征在于，所述光活性材料包含含有至少一种选自以下化合物的光致酸生成剂：离子型(鎓盐)化合物以及非离子型化合物。
8.如权利要求6中所述的晶体管，其特征在于，所述光致酸发生剂包含选自下组的离子型(鎓盐)化合物：金属材料、磺酸盐材料、磺酰亚胺材料以及磺酰甲基化物材料。
9.如权利要求6中所述的晶体管，其特征在于，所述光致酸发生剂包含选自下组的非离子型化合物：有机卤化物材料、磺酸酯材料、磺酸盐材料以及砜材料。
10.如权利要求9中所述的晶体管，其特征在于，所述光致酸生成剂包含选自下组的磺酸酯材料：2-硝基苄基酯材料、芳族硫磺酸酯材料、肟磺酸酯材料、N-磺酰氧基酰亚胺材料、磺酰氧基酮材料以及DNQ4-磺酸盐/酯材料。
11.如权利要求9所述的晶体管，其特征在于，所述光致酸生成剂包含选自下组的砜材料：二砜材料、酮砜材料以及磺酰基二氮甲烷材料。
12.一种形成晶体管的方法，该方法包括：
在半导体层上或者半导体层中形成通道，其中所述半导体层包括有机半导体和分开的有机光活性材料；以及
将所述光活性材料与光接触，从而使得分子、质子和/或离子从所述光活性材料扩散通过通道；
将掺杂有光活性材料的源极、漏极和栅极的一个或多个设置在所述半导体层中；以及
使得所述源极、漏极和/或栅极与光接触，从而使得分子、质子和/或离子从所述光活性材料扩散进入到通道中。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述有机半导体包括噻吩。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述光活性材料包含光致酸生成剂、光致碱生成剂以及光致自由基生成剂中的一种。
15.如权利要求14中所述的方法，其特征在于，所述光活性材料包含含有至少一种选自以下化合物的光致酸生成剂：离子型(鎓盐)化合物以及非离子型化合物。
16.如权利要求14中所述的方法，其特征在于，所述光致酸发生剂包含选自下组的离子型(鎓盐)化合物：金属材料、磺酸盐材料、磺酰亚胺材料以及磺酰甲基化物材料。
17.如权利要求14中所述的方法，其特征在于，所述光致酸发生剂包含选自下组的非离子型化合物：有机卤化物材料、磺酸酯材料、磺酸盐材料以及砜材料。
18.如权利要求17中所述的方法，其特征在于，所述光致酸生成剂包含选自下组的磺酸酯材料：2-硝基苄基酯材料、芳族硫磺酸酯材料、肟磺酸酯材料、N-磺酰氧基酰亚胺材料、磺酰氧基酮材料以及DNQ4-磺酸盐/酯材料。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述光致酸生成剂包含选自下组的砜材料：二砜材料、酮砜材料以及磺酰基二氮甲烷材料。
CN201180026261.5A 2010-05-28 2011-05-26 使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法 Expired - Fee Related CN102986049B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/790,113 US8877546B2 (en) 2010-05-28 2010-05-28 Enhanced semiconductor devices employing photoactive organic materials and methods of manufacturing same
US12/790,113 2010-05-28
PCT/US2011/038017 WO2011150137A2 (en) 2010-05-28 2011-05-26 Enhanced transistors employing photoactive organic materials and methods of manufacturing same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102986049A CN102986049A (zh) 2013-03-20
CN102986049B true CN102986049B (zh) 2016-02-03

Family

ID=44534884

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180026261.5A Expired - Fee Related CN102986049B (zh) 2010-05-28 2011-05-26 使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8877546B2 (zh)
EP (2) EP2577764A2 (zh)
JP (1) JP6073219B2 (zh)
CN (1) CN102986049B (zh)
WO (1) WO2011150137A2 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011025453A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 Agency For Science, Technology And Research Polymeric semiconductors, devices, and related methods
CN105009319B (zh) 2013-03-04 2017-09-05 应用材料公司 用于oled薄膜封装的含氟等离子体聚合的hmdso
US20170047513A1 (en) * 2014-04-21 2017-02-16 University Of Washington Proton resistive memory devices and methods
US9502686B2 (en) 2014-07-03 2016-11-22 Applied Materials, Inc. Fluorine-containing polymerized HMDSO applications for OLED thin film encapsulation
WO2016194517A1 (ja) * 2015-05-29 2016-12-08 富士フイルム株式会社 有機薄膜トランジスタ、有機半導体層形成用組成物

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6060333A (en) * 1989-01-10 2000-05-09 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method of making a liquid crystal display including a field effect transistor
CN1943056A (zh) * 2004-02-26 2007-04-04 默克专利有限公司 交联有机半导体的方法
CN101136366A (zh) * 2006-08-15 2008-03-05 高菲欧股份有限公司 印刷掺杂层
US7691691B1 (en) * 2006-05-23 2010-04-06 Kovio, Inc. Semiconductor device and methods for making the same

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3779778A (en) * 1972-02-09 1973-12-18 Minnesota Mining & Mfg Photosolubilizable compositions and elements
US5198153A (en) * 1989-05-26 1993-03-30 International Business Machines Corporation Electrically conductive polymeric
US4985332A (en) * 1990-04-10 1991-01-15 E. I. Du Pont De Nemours And Company Resist material with carbazole diazonium salt acid generator and process for use
DE10153563A1 (de) * 2001-10-30 2003-05-15 Infineon Technologies Ag Verringerung des Kontaktwiderstandes in organischen Feldeffekttransistoren durch Einbettung von Nanopartikeln zur Erzeugung von Feldüberhöhungen
DE10153656A1 (de) * 2001-10-31 2003-05-22 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Verringerung des Kontaktwiderstandes in organischen Feldeffekttransistoren durch Aufbringen einer reaktiven, die organische Halbleiterschicht im Kontaktbereich regio-selektiv dotierenden Zwischenschicht
JP4042098B2 (ja) * 2002-04-22 2008-02-06 セイコーエプソン株式会社 デバイスの製造方法
US7232650B2 (en) * 2002-10-02 2007-06-19 3M Innovative Properties Company Planar inorganic device
JP2004228371A (ja) * 2003-01-23 2004-08-12 Mitsubishi Chemicals Corp 電界効果トランジスタ
JP2004260057A (ja) * 2003-02-27 2004-09-16 Konica Minolta Holdings Inc 有機薄膜トランジスタおよびその製造方法
JP2005260040A (ja) * 2004-02-12 2005-09-22 Sony Corp ドーピング方法、半導体装置の製造方法および電子応用装置の製造方法
KR101219035B1 (ko) 2005-05-03 2013-01-07 삼성디스플레이 주식회사 유기 박막 트랜지스터 표시판 및 그 제조 방법
US20060270066A1 (en) * 2005-04-25 2006-11-30 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Organic transistor, manufacturing method of semiconductor device and organic transistor
US7632703B2 (en) 2005-12-22 2009-12-15 Xerox Corporation Organic thin-film transistors
KR100918362B1 (ko) 2006-07-27 2009-09-22 주식회사 엘지화학 유기 박막 트랜지스터 및 이의 제조방법
US7767520B2 (en) * 2006-08-15 2010-08-03 Kovio, Inc. Printed dopant layers
WO2008144756A1 (en) 2007-05-21 2008-11-27 Plextronics, Inc. Organic electrodes and electronic devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6060333A (en) * 1989-01-10 2000-05-09 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method of making a liquid crystal display including a field effect transistor
CN1943056A (zh) * 2004-02-26 2007-04-04 默克专利有限公司 交联有机半导体的方法
US7691691B1 (en) * 2006-05-23 2010-04-06 Kovio, Inc. Semiconductor device and methods for making the same
CN101136366A (zh) * 2006-08-15 2008-03-05 高菲欧股份有限公司 印刷掺杂层

Also Published As

Publication number Publication date
US8877546B2 (en) 2014-11-04
US20110291077A1 (en) 2011-12-01
EP3059774A1 (en) 2016-08-24
JP2013531884A (ja) 2013-08-08
CN102986049A (zh) 2013-03-20
WO2011150137A3 (en) 2012-01-12
EP2577764A2 (en) 2013-04-10
JP6073219B2 (ja) 2017-02-01
WO2011150137A2 (en) 2011-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5487421B2 (ja) トランジスタの構造及びその製造方法
CN104752343B (zh) 双栅极氧化物半导体tft基板的制作方法及其结构
EP2132798B1 (en) Organic thin film transistors
US20070227578A1 (en) Method for patterning a photovoltaic device comprising CIGS material using an etch process
CN102986049B (zh) 使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法
CN106920801A (zh) 显示装置
CN105702623B (zh) Tft阵列基板的制作方法
US20160358951A1 (en) Tft driving backplane and method of manufacturing the same
WO2016122082A1 (ko) 금속 칼코게나이드 소자 및 그 제조 방법
WO2014166176A1 (zh) 薄膜晶体管及其制作方法、阵列基板和显示装置
CN106098784A (zh) 共平面型双栅电极氧化物薄膜晶体管及其制备方法
CN110993610A (zh) 阵列基板及其制备方法、显示面板
CN104241390A (zh) 薄膜晶体管和有源矩阵有机发光二极管组件及制造方法
US20150255620A1 (en) Vtfts including offset electrodes
Han et al. Wafer-scale organic-on-III-V monolithic heterogeneous integration for active-matrix micro-LED displays
CN110246848B (zh) 一种氧化物半导体tft阵列基板及其制作方法
CN105261636B (zh) 一种薄膜晶体管、其制备方法、阵列基板及显示装置
WO2015134092A1 (en) Vtft including overlapping electrodes
US9093470B1 (en) VTFT formation using capillary action
CN110379769B (zh) 一种tft阵列基板的制作方法及阵列基板
CN208970561U (zh) 有机薄膜晶体管及其自增益结构、显示器件
CN205069643U (zh) 一种薄膜晶体管、阵列基板及显示装置
CN114628529B (zh) 驱动背板及其制备方法、显示面板
US9142647B1 (en) VTFT formation using selective area deposition
CN201038164Y (zh) ZnO基透明场效应晶体管

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160203

Termination date: 20190526