专利名称：有机场效应晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用有机半导体材料的有机场效应晶体管(此后称为“有机FET”)。更具体地，本发明涉及一种使用含有有机半导体材料的薄膜的有机薄膜晶体管(此后称为“有机TFT”)。
背景技术：
在集成有半导体元件的各种半导体设备例如电视接收机、个人计算机和移动电话中，人们需要用于显示文本和/或图像的显示器来识别信息。最近，人们积极地采用平板显示器，例如使用液晶的电光特性的液晶显示器和使用有机材料的电场发射光的有机EL显示器。
众所周知，有源矩阵驱动方法作为平板显示器的一种形式，其中提供薄膜晶体管(TFT)用于每个像素，顺次写入数据信号用于视频显示。TFT可以是一种用于执行有源矩阵驱动方法所需的元件。
尤其重要的是，已经通过使用无机半导体材料例如非晶硅和晶体硅来制造大多数的场效应晶体管(FET)例如TFT。然而，当通过采用这些无机半导体材料来形成FET时，在制造半导体层的工艺中衬底加工温度将例如超过350℃。结果，就不能采用许多有用的衬底材料(例如塑料)。这是一个缺点。
当通过采用常规的无机半导体材料来制造FET时，就通过采用等离子体CVD设备和溅射设备来分别形成绝缘层、半导体层和电极。然而，这些CVD设备和溅射设备相当昂贵并需要维护时间。
另一方面，已经提出一种通过使用有机半导体材料来制造FET方法。有机化合物自身没有载流子并且基本上具有良好的绝缘特性。然而，可以通过采用称为有机半导体材料(或通常称为π共轭有机化合物)的一系列材料来通过有机化合物传导电流。
例如，与导电的高聚合物一样，将受主(电子受主)或施主(电子施主)掺杂到π共轭有机化合物，使得由于杂质则π共轭有机化合物就具有载流子。因此，可以产生导电性(参见对比文件1HidekiSHIRAKAWA等，1997年的“化学通讯(CHEMISTRY COMMUNICATION)”、第16卷、第578-580页)。通过增加掺杂的数量，载流子的数量提高到确定的范围。因此，黑导电率增加且更多数量的电流就会在其中流动。
以此方式，为了通过有机半导体材料传导电流通过掺杂杂质(例如受主和施主)提高黑导电率的方法，在电子领域中已经部分地应用。实例包括使用聚苯胺和/或多并苯的可充电二次电池和使用聚吡咯的场效应电容器。
通过应用有机半导体材料的这种方法，有机FET就可以工作。除了使用有机半导体材料作为有源层来代替无机半导体材料(此后将含有有机半导体材料的有源层称为“有机半导体膜”)之外，有机FET基本上具有与使用无机半导体材料的常规FET相同的结构。许多论文已经报道了这种有机FET。
例如，已经报道了采用一种导电的高聚合物材料的聚(2，5-聚亚乙烯基亚噻吩基(polythienylenevinylene))(此后称为“PTV”)作为有源层的有机FET。该论文在对比文件2中提出，对比文件2H.Fuchigami等，1993年的“应用物理杂志(Applied PhysicsLetters)”，第63卷，第1372-1374页。对比文件2中描述的PTV在空气中由氧掺杂为p型，其为弱受主并暴露为作为有源层适合的导电率。以此方式，通过掺杂就能容易地控制导电的高聚合物材料的导电率。因此，导电的高聚合物材料就引起注意以作为在有机FET中采用的材料。
在对比文件2中，通过应用借助掺杂杂质在有机半导体膜中产生载流子的方法，适合的电流就可以在源和漏之间流动。此后该有机FET称为“掺杂型有机FET”。
另一方面，例如，可以采用含有低聚合物有机半导体材料的微晶薄膜而不将杂质掺杂到有机半导体膜中来制造有机FET。在对比文件3中描述了这种实例，对比文件3D.J.Gandranch等1997年的“IEEE电子器件杂志(IEEE Electron Device Letters)”，第18卷，第87-89页。在对比文件3中，在高掺杂的硅晶片上形成氧化硅膜作为绝缘膜。然后，通过真空蒸发在其上叠置有机半导体材料的并五苯的微晶体。此外，在其上形成金的源电极和漏电极。结果，就获得了有机FET。
在对比文件3中，在有机半导体膜中不存在由于杂质的载流子。然而，因为采用具有较高迁移率的微晶薄膜，所以从源和漏注入的载流子就会移动。因此，结果就运行为FET，此后这种FET称为“载流子注入的有机FET”。
在较低的衬底温度下可以形成这些类型的有机FET。因此，例如可以使用塑料的柔性衬底。此外，通过常规的蒸发淀积或旋涂涂敷就容易形成除了单晶薄膜和微晶薄膜之外的有机FET。因此，可以简化制造步骤并节约能量。因为这些优点，所以有机FET引起了注意，作为替代含有无机半导体材料的FET的新型FET。
然而，上述的常规有机FET存在一些问题，即由于杂质(受主和/或施主)或有机半导体膜自身的特性的问题。
首先，如对比文件2中所述，当受主和/或施主掺杂到有机半导体材料以便在其中产生载流子(也就是说，掺杂型有机FET的情况下)时，受主和/或施主它们自身是化学上不稳定的且不容易产生。例如，可以采用碱金属和碱土金属作为施主。然而，施主自身对水、氧等非常活跃。因此，使用就困难。
此外，当杂质掺杂到有机半导体材料时，在有机半导体材料和杂质之间就产生电子互换，就是说，发生一种化学反应。因此，掺杂条件自身并不稳定。
另一方面，在对比文件3中公开的载流子注入有机FET的情况下，有机半导体材料就不需要有载流子。因此，就不会出现由于与受主和/或施主不稳定相关的问题。然而，为了使注入的载流子在源和漏之间流动，考虑到在电流源和漏之间的距离，就需要具有比常规材料更高迁移率的有机半导体膜。因此，目前必须采用单晶或微晶。含有有机半导体材料的单晶薄膜和微晶薄膜难于制造且不现实。这是另一个缺点。
此外，当假设可以形成单晶薄膜和微晶薄膜时，基本上就难于采用高聚合物材料。因此，通过湿法涂敷形成薄膜就不容易。这是另一个缺点。因为这些缺点，所以就限制了选择用于载流子注入型有机FET的材料数量。
考虑到这些缺点，期望使用通过采用最常规的蒸发淀积膜和/或涂敷的薄膜制造的有机半导体膜来操作FET而不添加受主和施主且不采用单晶和微晶。
例如，人们已经作出了尝试，其中通过光学激发有机半导体膜并通过由于在源和漏之间载流子馈送电流来产生载流子。因此，就能操作FET。对比文件4中描述了这种尝试，对比文件4K.S.Narayan等，2001年的“应用物理杂志”，第79卷，第12期，第1891-1893页。
证实了作为FET的一种操作改进，这里，通过光辐照在有机半导体膜中产生载流子。然而，在对比文件4公开的方法中，还需要适合的光辐照步骤来用于FET操作。因此，为了只用电来操作FET，该方法就不实用且不是一种现实的解决方案。
发明内容
因此，本发明的一个目的是通过提出一种新颖的有机FET结构而提供一种具有稳定薄膜的有机FET，其可以充分地进行操作而不使用掺有杂质的有机半导体膜。
本发明的另一个目的是通过提出一种新颖的有机FET结构来提供一种具有宽范围的材料选择的有机FET，其制造容易，并能充分地进行操作而不用提供单晶和/或微晶的有机半导体膜且不使用常规气相淀积膜和/或涂敷的膜。
本发明人已经提出作为许多研究结果的解决上述问题的方法。方法是在有机半导体膜中埋入电极来作为浮置电极。这里，载流子可被注入到将被埋入的电极。此后浮置电极称为“载流子产生电极”。换句话说，设计本发明以便将载流子从载流子产生电极注入到有机半导体膜，载流子产生电极是有机半导体膜中将电压提供到栅电极的浮置电极。
在此情况下，当电压提供到栅时，只在有源层中存在载流子。因此，在源和漏之间流动的电流就可以通过栅电压进行ON/OFF控制。具有这种结构，杂质就不必掺杂到有机半导体膜以便在其中产生载流子。此外，因为使用从载流子产生电极即浮置电极注入的载流子，所以就不必采用高迁移率的单晶或微晶。因此，有机FET就可以容易地被使用。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种有机场效应晶体管，该有机场效应晶体管包括在具有绝缘表面的衬底上，至少栅电极、与栅电极接触而形成的栅绝缘膜，与栅绝缘膜接触而形成的有机半导体膜，和与有机半导体膜接触而形成的至少一对源-漏电极。在此情况下，在有机半导体膜中插入载流子产生电极。
载流子产生电极通常发射彼此相反方向的电子和空穴。因此，优选图1A-2B中所示的结构。
换句话说，如图1A中所示，根据本发明的另一个方案的一种有机场效应晶体管，包括在衬底101上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极102，与第一栅电极102接触而形成的第一栅绝缘膜103，与第一栅绝缘膜103接触而形成的第一源电极104a和第一漏电极104b，与第一源电极104a、第一漏电极104b和第一栅绝缘膜103接触而形成的有机半导体膜105，在有机半导体膜105之中的载流子产生电极106，与有机半导体膜105接触而形成的第二源电极107b和第二漏电极107a，与有机半导体膜105接触而形成的第二栅绝缘膜108，和与第二栅绝缘膜108接触而形成的第二栅电极109。
如图1B所示，有机半导体膜可包括第一有机半导体膜105a和第二有机半导体膜105b，且其间设置载流子产生电极106。因此，如图1B所示，根据本发明的另一个方案提供一种有机场效应晶体管，该有机场效应晶体管包括在衬底101上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极102，与第一栅电极102接触而形成的第一栅绝缘膜103，与第一栅绝缘膜103接触而形成的第一源电极104a和第一漏电极104b，与第一源电极104a、第一漏电极104b和第一栅绝缘膜103接触而形成的第一有机半导体膜105a，与第一有机半导体膜105a接触而形成的载流子产生电极106，与载流子产生电极106接触而形成的第二有机半导体膜105b，与第二有机半导体膜105b接触而形成的第二源电极107b和第二漏电极107a，与第二有机半导体膜105b接触而形成的第二栅绝缘膜108，和与第二栅绝缘膜108接触而形成的第二栅电极109。
在此情况下，优选第一有机半导体膜105a是可输运空穴有机半导体，第二有机半导体膜105b是可输运电子有机半导体。相反，第一有机半导体膜105a可以是可输运电子有机半导体，第二有机半导体膜105b可以是可输运空穴有机半导体。
在图1A和1B所示的有机场效应晶体管中，优选载流子产生电极106包括至少一注入电子的电极和一注入空穴的电极。
根据本发明的这些方案的有机场效应晶体管中，可以连接第一源电极104a和第二源电极107b。或者，可以连接第一漏电极104b和第二漏电极107a。
因为即使具有图2A和2B中所示的结构也能实施本发明，所以本发明更为优选。换句话说，如图2A中所示，根据本发明的另一个方案提供一种有机场效应晶体管，该有机场效应晶体管包括在衬底201上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极202，与第一栅电极202接触而形成的第一栅绝缘膜203，与第一栅绝缘膜203接触而形成的第一电极204，与第一电极204和第一栅绝缘膜203接触而形成的有机半导体膜205，在有机半导体膜205之中的载流子产生电极206，与有机半导体膜205接触而形成的第二电极207，与有机半导体膜205接触而形成的第二栅绝缘膜208，和与第二栅绝缘膜208接触而形成的第二栅电极209。第一电极和第二电极分别用作源和漏。
如图2B所示，有机半导体膜可包括第一有机半导体膜205a和第二有机半导体膜205b，且其间设置载流子产生电极206。因此，根据本发明的另一个方案提供一种有机场效应晶体管，该有机场效应晶体管包括在衬底201上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极202，与第一栅电极202接触而形成的第一栅绝缘膜203，与第一栅绝缘膜203接触而形成的第一电极204，与第一电极204和第一栅绝缘膜203接触而形成的第一有机半导体膜205a，与第一有机半导体膜205a接触而形成的载流子产生电极206，与载流子产生电极206接触而形成的第二有机半导体膜205b，与第二有机半导体膜205b接触而形成的第二电极207，与第二有机半导体膜205b接触而形成的第二栅绝缘膜208，和与第二栅绝缘膜208接触而形成的第二栅电极209。第一电极和第二电极分别作为源和漏的功能。
在此情况下，优选第一有机半导体膜205a是可输运空穴有机半导体，第二有机半导体膜205b是可输运电子有机半导体。相反，第一有机半导体膜205a可以是可输运电子有机半导体，第二有机半导体膜205b可以是可输运空穴有机半导体。
在图2A和2B中的有机场效应晶体管中，载流子产生电极206优选包括至少电子注入电极和一个空穴注入电极。
因此，通过实施本发明，因为能够制造可以充分操作的有机FET而不使用掺有杂质的有机半导体膜，所以就能提供一种具有稳定薄膜的有机FET。此外，因为能够制造可以充分操作的有机FET而不应用单晶和/或微晶的有机半导体膜并使用常规气相淀积膜和/或涂敷膜，所以就能够提供一种宽范围的材料选择易于制造的有机FBT。
图1A和1B是分别示出本发明的基本结构的示图；图2A和2B是分别示出本发明的基本结构的示图；图3A和3B是分别示出具有电荷产生层的有机EL元件的示图；图4A和4B是分别示出从载流子产生电极存储电荷的原理图；图5A和5B是分别示出本发明的有机场效应晶体管的示图；图6A和6B是分别示出本发明的有机场效应晶体管的示图；以及图7A和7B是分别示出本发明的有机场效应晶体管的示图。
具体实施例方式
下面将参考操作原理和具体结构实例来详细描述本发明的实施例。
首先，本发明人注意到在有机电致发光元件(此后称为“有机EL元件”)领域中提出的电荷产生层的概念。在有机EL元件领域中，电荷产生层已经是众所周知的技术(参见对比文件5Dai 49 Kai OuyouButsuri Gakkai Kankei Rengo Kouenkai Kouen yokoushu(LectureDrafts for the 49thApplied Physics Society Related UnionLecture)，Junji KIDO et al，pgs.1308，27p-YL-3，March 2002)。
如图3A和3B中所示，描述了电荷产生层的概念。图3A和3B每个都示出了对比文件5中的有机EL元件的简图。在有机EL元件中，顺序叠置正电极、第一有机EL层、电荷产生层、第二有机EL层和负电极。必须注意，有机EL层是含有场发光型有机材料并含有有机半导体材料的层。电荷产生层并不连接到外电路并且是浮置电极。
当在有机EL元件中的正电极和负电极之间提供电压V时，就从电荷产生层分别将电子和空穴注入到第一有机EL层件和第二有机EL层。从外电路观察，电子从负电极流向正电极，而空穴从正电极流向负电极(参见图3A)。然而，因为电子和空穴从电荷产生层以相反方向流动(参见图3B)，所以就会在第一有机EL层和第二有机EL层两者之中产生载流子复合。因此，发射光。这里，当电流I在其中流过时，第一有机EL层和第二有机EL层两者都对应于电流I发射光子。因此，与仅具有一个有机EL元件的结构相比、在相同电流下就可以发射两倍的光量(其中与仅具有一个有机EL元件的结构相比需要两倍的电压)。
此处流过有机EL元件的电流是薄膜的固有电流。电流称为空间电荷限制电流(SCLC)。SCLC是在注入空间电荷并且空间电荷移动时流动的电流。电流密度由Child定律表示，即满足等式1J＝9/8*εε0μ*V2/d3等式1其中J是电流密度，ε是相对介电常数，ε0是真空介电常数，μ是载流子迁移率，V是电压并且d是施加电压V的深度。
当SCLC流动时，由等式1表示的SCLC不考虑载流子俘获。由载流子俘获限制的电流称为俘获电荷限制电流(TCLC)并与电压功率成正比。然而，这两种电流是体积比决定的电流并可以由下述类似方法控制。
这里，为了比较，依据欧姆定律的欧姆电流流动时的电流密度表示为J＝σE＝σ*V/d等式2其中σ是导电率，E是电场强度。
因为等式2中的导电率σ由σ＝neμ表示(其中n是载流子密度，e是电荷量)，载流子密度表现为在其中流动的电流量的主要因数。因此，欧姆电流通常不在具有少量载流子的有机材料中流动，除非通过对于具有一定程度载流子迁移率的有机材料的上述掺杂来实现载流子密度的增加。
然而，如等式1中所示，确定SCLC的因数是介电常数、载流子迁移率、电压和施加电压的深度且与载流子密度无关。换句话说，通过选择对于施加电压而具有足够小的深度d且具有大载流于迁移率μ的材料，就可以注入载流子并甚至将电流馈送到没有载流子的绝缘体的有机材料。
因此，在图3A和3B中，当有机EL层的厚度d1和d2等于或小于至多100nm-200nm时，从电极或电荷产生层注入的载流子就可以在其中作为SCLC流动。换句话说，将适合的电极安装到具有大约亚微米厚度的有机半导体膜，并对其施加足够的电场(或电势差)。因此，就可以在其上注入载流子。
本发明人已经提出了一种用于操作有机FET的方法，该方法将电荷产生层作为载流子产生源(或注入源)。这里，类似的浮置电极称为“载流子产生电极”。
首先，为了存储由载流子产生电极产生的载流子，例如，可以设置图4A的简图中所示的结构。换句话说，顺序叠置第一绝缘膜、第一有机半导体膜、载流子产生电极、第二有机半导体膜和第二绝缘膜。然后，在外电极之间提供该结构。图3A和3B示出为复合载流子而设计的有机EL元件。然而，在图4A中，为了存储载流子在外电极和有机半导体膜之间提供绝缘膜。
如果有机半导体膜的厚度d1和d2为大约亚微米，当在该结构中(图4B)的外电极之间提供电势差V时，由于类似于图3A和3B中的情况的场，就会从载流子产生电极注入大量的载流子。然而，如图4B所示，在绝缘膜和有机半导体膜之间的界面处存储电子和空穴。
根据该原理，在栅绝缘膜之间设置注入载流子产生电极的有机半导体膜。因此，靠近有机半导体膜之上和之下的栅绝缘膜附近就可以存储大量的正和负的载流子。换句话说，在靠近栅绝缘膜的有机半导体膜的界面处附近就形成正和负的电荷存储沟道。因此，采用图4 A和4B所示的结构在有机半导体膜中水平地形成源和漏电极。然后，当在源和漏电极之间施加电压时，空穴电流和电子电流就利用电荷存储沟道分别流过上沟道和下沟道。换句话说，通过利用在上栅电极和下栅电极之间施加的栅电压就可以获得控制源-漏电流的FET。
FET中重要的是即使当采用不含有杂质的有机半导体膜时，对于SCLC在电荷存储沟道中流动的电流量不满足等式1。换句话说，当存在强电场时，对于中和存储在电荷存储沟道中的正或负电荷，就不存在对于空间电荷限制的要求。因此，即使由于施加到几微米或更宽沟道宽度的源-漏电压电势在几十纳米的薄沟道层中更小梯度时，存储的电荷表现为满足欧姆定律(等式2)并可以仅由电势梯度和迁移率决定的速度移动。结果，就有比SCLC决定的电流显著更大的源-漏电流流动。因此，就可以获得快速地控制大电流的实用FET。
虽然第一有机半导体膜和第二有机半导体膜可以含有相同的材料，但它们优选含有具有不同极性的材料。例如，在图4B中，下外电极比上外电极具有更高的电势。因此，电子和空穴就分别注入到第一有机半导体膜和第二有机半导体膜。因此，第一有机半导体膜和第二有机半导体膜优选分别含有可输运电子的材料和可输运空穴的材料。
接下来，将描述根据本发明的有机FET的具体结构和操作。首先，例如将参照图1B描述一种情况，其中如图1A和1B所示设置两对源-漏电极。图5A和5B示出结构的实例。在图5A和5B中相同部件给出与图1A和1B中给出的相同参考数字。
在图5A和5B中，采用可输运电子的材料作为第一有机半导体膜105a，采用可输运空穴的材料作为第二有机半导体膜105b。在此结构中，当Vg1(＞0)和Vg2(＜0)分别施加到第一栅电极102和第二栅电极109时，电子和空穴就分别从载流子产生电极106注入到第一有机半导体膜105a(可输运电子)和第二有机半导体膜105b(可输运空穴)。然后，电子和空穴分别存储在靠近第一栅绝缘膜103的表面并靠近第二栅绝缘膜108的表面附近的有机半导体膜中。结果，获得了电子和空穴的电荷存储沟道层。
此处，在第一源电极104a和第一漏电极104b之间和第二源电极107b和第二漏电极107a之间分别施加Vsd1(＞0)和Vsd2(＜0)。然后，在靠近第一栅绝缘膜103的电子电荷沟道层中的电子和靠近第二栅绝缘膜108的空穴电荷沟道层中的空穴导致电流在各源-漏电路中流动(图5B)。
可以采用包括两个栅电极和两对源-漏电极的晶体管作为用于控制两个独立的源-漏电流的一对晶体管。在此情况下，通过共同的载流子产生电极来连接这两个晶体管。因此，就不总是单独地操作Vg1和Vsd1以及Vg2和Vsd2。因此，必须检查操作特性，并必须优化操作条件。
为了避免由于电路和操作特性的复杂性，需要一种新的想法来用于提供栅电压和源-漏电压。就是说，可在上栅电极和下栅电极之间提供电势而不用设置上电势和下电势，同时可以串联连接上源-漏电极和下源-漏电极。
图6A和6B示出该实例，其中连接第一源电极104a和第二源电极107b，第二漏电极107a接地。Vg(＞0)提供到第一栅电极102，第二栅电极109接地。如图6A所示，栅电压应用导致了靠近第一栅绝缘膜103的界面处存储电子，靠近第二栅绝缘膜108处存储空穴。此处，当Vsd(＞0)提供到第一漏电极104b时的电流流动被作为源-漏电流(图6B)。
借助这些连接，即使具有两个栅电极和两对源-漏电极的FET可以基本上与具有一个栅电极和一对源-漏电极的FET相同的方式来进行操作。
在图5A-6B中，采用可输运电子的材料作为第一有机半导体膜105a，而采用可输运空穴的材料作为第二有机半导体膜105b。然而，相反地，可以采用可输运空穴的材料作为第一有机半导体膜105a，而采用可输运电子的材料作为第二有机半导体膜105b。在此情况下，在图5A和5B中Vg1＜0且Vg2＞0。在图6A和6B中Vg＜0。
即使如图1A所示当载流子产生电极位于给出的有机半导体膜之中时，操作原理也相同。在此情况下，有机半导体膜可以包含双极材料以致可以注入电子和空穴并向那里馈送源-漏电流。此外在此情况下，即使当提供到第一栅电极和第二栅电极的电压的正和负相反时，也能够通过采用最佳的载流子产生电极来进行操作。
接着，例如，将参照图2B来描述一种情况，其中如图2A和2B所示设置一对源-漏电极。图7A和7B中示出了该结构的实例。图7A和7B中相同的部件给出与图2A和2B中相同的参考数字。
在图7A和7B中，采用可输运电子的材料作为第一有机半导体膜205a，同时采用可输运空穴的材料作为第二有机半导体膜205b。除了去除第一源电极104a和第二源电极107b之外，该结构与图6A和6B中所示的结构相同。在此结构中，当Vg(＞0)提供到第一栅电极202时，电子和空穴从载流子产生电极206分别注入到第一有机半导体膜205a(可输运电子)和第二有机半导体膜205b(可输运空穴)。然后，电子和空穴存储在靠近第一栅绝缘膜203的表面和靠近第二栅绝缘膜208的表面的有机半导体膜中。因此，形成用于电子和空穴的电荷存储沟道层。虽然通过采用Vg(＞0)作为第一栅电极202的电势和地电势作为第二栅电极209的电势来形成电势差，但第二栅电极209可以具有负电势。
此处，在第一电极204和第二电极207之间施加Vsd(＞0)。然后，在靠近第一栅绝缘膜203的电子存储沟道层中的电子和靠近第二栅绝缘膜208的空穴存储沟道层中的空穴在第一电极204和第二电极207之间供给电流(图7B)。在此情况下，响应一个栅极信号就可以操作串联连接的n型晶体管和p型晶体管。
在图7A和7B中，采用可输运电子的材料作为第一有机半导体膜205a，同时采用可输运空穴的材料作为第二有机半导体膜205b。然而，相反地可以采用可输运空穴的材料作为第一有机半导体膜205a，同时采用可输运电子的材料作为第二有机半导体膜205b。在此情况下，Vg＜0。此外，第二栅电极209可以具有地电势或正电势。
如图2A中所示，当载流子产生电极位于有机半导体膜之中时，操作原理相同。在此情况下，有机半导体膜含有双极材料，以致通过将电子和空穴注入到有机半导体膜，电流可以在第一电极和第二电极之间流动。此外，在此情况下，最佳化载流子产生电极以便即使当提供到第一栅电极和第二栅电极的电压的正和负相反时也能进行操作。
必须注意，本发明的载流子产生电极可以是含有不仅一种材料而是多种材料的电极。例如，在图5A-7B中，分别向上和朝下注入电子和空穴。因此，形成容易注入电子的电极(例如含有具有低功函数的金属的薄膜)。然后，在其上叠置容易注入空穴的电极(例如含有具有高功函数的金属的薄膜)。以此方式，当采用多种材料(容易注入电子的材料和容易注入空穴的材料时，优选多种材料中的每一种都具有欧姆接触。
此外，当载流子产生电极含有多种材料时，可以配对注入电子的电极和注入正空穴的缓冲层或注入正空穴的电极和电子注入缓冲层。在此采用的注入正空穴的缓冲层和注入电子的缓冲层并不总是作为电极的功能，且仅需要促进从注入电子的电极或注入正空穴的电极注入的载流子。例如，在图5A-7B中，分别向上和向下注入电子和正空穴。因此，首先形成容易注入电子的电极(例如含有具有低功函数的金属的薄膜)。然后，在其上叠置容易注入正空穴的注入正空穴的缓冲层(例如含有受主型有机半导体材料和可输运正空穴的有机半导体材料的组合膜)。
当载流子产生电极含有单一材料时，该材料必须能够接受电子和空穴二者的注入。在此情况下，材料可以是具有分别在电子价带和导带中的空穴和电子的本征半导体、或可以氧化并还原的氧化还原聚合物。
上面已经描述了本发明的基本操作原理和结构。现在，下面将列举包含在本发明的有机薄膜晶体管中的优选材料。然而，本发明并不限制于此。
衬底材料可以包括硅晶片、玻璃、氧化铟锡、云母、石墨、硫化钼、例如铜、锌、铝、不锈钢、镁、铁、镍、金和银的金属、例如聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯和丙烯酸树酯的塑料膜。然而，本发明并不限制于此。
用于栅绝缘膜的材料可以包括例如聚(乙烯基苯酚)、聚(对亚二甲苯酯)和它的衍生物、聚酰亚胺和它的衍生物、聚丙烯腈、聚(异丁烯酸甲酯(poly(methalmethacrylate))、聚苯乙烯、多酚衍生物、聚脲、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙二烯、聚氟乙烯、乙酸纤维素和它的衍生物的聚合物薄膜，例如铝的金属氧化物薄膜、例如二氧化硅的无机氧化物薄膜，以及氮化硅薄膜。形成栅绝缘膜可以是方法通过旋涂的湿法方法，通过真空淀积用于形成聚对二甲苯基(parylene)膜的干法方法，通过电解氧化、电解聚合的薄膜形成方法，通过溅射用于形成二氧化硅和/或氧化铝的薄膜的方法。然而，材料和方法并不限制于此。
有机半导体膜的材料可以包括聚合物、特别是共轭聚合物；以及低聚物(origomer)、例如聚亚苯基亚乙烯基衍生物、聚氟烯衍生物、聚噻吩介质、聚亚苯基衍生物和它的共聚物；以及芳烃低聚物(origomer)、例如低聚亚苯(origophenylene)、低聚噻吩(origothiophene)和低聚苯乙烯(origophenilenevinylene)。在此情况下，可以采用例如旋涂、浸涂、喷墨印刷、屏幕印刷和喷溅涂敷的湿法方法。主要采用真空蒸发方法用于低聚合物材料，例如并五苯、并四苯、铜酞菁(phtalocyanine)、氟取代酞菁(fluorine substitution phtalocyanine)和二萘嵌苯衍生物。然而，可以采用电解聚合方法、电解沉淀方法等。
载流子产生电极可以是金属薄膜、金属氧化物薄膜、有机导体薄膜、有机半导体膜或它们的组合物。可以在负极侧缓冲层和正极侧缓冲层之间设置载流子产生电极。负极侧缓冲层可以是例如LiF的无机电介质薄膜和含有金属氧化物例如Li氧化物、碱金属和/或碱土金属离子的有机薄膜层。正极侧缓冲层可以包含受主型的有机半导体材料例如TCNQ和F4-TCNQ、受主型的无机半导体材料例如VOx和铜酞菁。在此作为载流子产生电极的电极可以包括这种缓冲层。
用于栅电极、源电极和漏电极(或第一电极和第二电极)的材料可以包括一种或多种金属，例如金、铜、铝、铂、铬、钯、铟、镍、镁、银和镓或它们的合金；氧化物半导体，例如氧化铟锡、多晶硅、非晶硅、氧化锡、氧化铟和氧化钛；以及化合物半导体，例如砷化镓和氮化镓。然而，材料并不限制于此。
实例实例1在本实例中，将具体说明图1B中所示的有机FET。首先，通过具有第一栅电极图案的掩模由真空蒸发在玻璃衬底上形成50nm厚的金膜。因此，形成每侧具有500μm长度的第一栅电极。
将玻璃衬底移到化学蒸发设备。在减压下加热Xylylene Dimer(亚二甲苯二聚物)(产品名称聚对二甲苯基，日本Parylene制造的parylene，插入加热到680℃的加热管用于灼热(pyrosis)。因此，产生游离基单体。将产生的游离基单体引入到保持在室温下的衬底上，形成300nm厚的聚对亚二甲苯酯膜。这是第一栅绝缘膜。
接着，为了形成第一源电极和第一漏电极，提供掩模图案以致源-漏的长度为50μm。由此，形成50nm厚的金薄膜。
通过真空蒸发在其上形成50nm厚的可输运电子的材料的三(8-羟基喹啉)化铝(Tris(8-quinolinolato)aluminum)络合物(Alq3)以便覆盖整个衬底。这是第一有机半导体膜。
通过真空蒸发在上述表面上通过掩模图案顺序形成10nm厚的镁和Alq3的组合层和10nm厚的V2O5缓冲层作为浮置电极的载流子产生电极。这作为具有缓冲层的载流子产生电极。
在其上形成50nm厚的可输运正空穴的材料的N，N′-二苯基-N，N′(双-3-甲基苯)-1，1′-二苯基-4，4′-双胺酯( N，N′-diphenyl-N，N′-(bis-3-methylphenyl)-1，1′-diphenyl-4，and 4′-diamine)(TPD)，以便覆盖整个衬底。这是第二有机半导体膜。
此外，为了形成第二源电极和第二漏电极，制造掩模图案以致源-漏的长度为50μm。然后，形成50nm厚的金薄膜。掩模图案可以与用于形成第一源电极和第一漏电极的掩模图案相同。
接着，将玻璃衬底移到化学蒸发设备。在减压下加热XylyleneDimer(亚二甲苯二聚物)(产品名称聚对二甲苯基，日本Parylene制造的parylene，插入加热到680℃的加热管用于灼热。因此，产生游离基单体。将产生的游离基单体引入到保持在室温下的衬底上，形成300nm厚的聚对亚二甲苯酯膜。这是第二栅绝缘膜。
最后，通过具有第二栅电极图案的掩模通过真空蒸发在其上形成50nm厚的金薄膜。由此，形成每侧长为500μm的第二栅电极。掩模图案可以与用于形成第一栅电极的掩模图案一样。将制造的有机FET移到测量容器。在容器抽真空之后，测量元件特性。
实例2在本实例中，将具体描述图1B中所示的有机FET。首先，通过具有第一栅电极图案的掩模由真空蒸发在玻璃衬底上形成50nm厚的金膜。因此，形成每侧具有500μm长度的第一栅电极。
将玻璃衬底移到化学蒸发设备。在减压下加热Xylylene Dimer(亚二甲苯二聚物)(产品名称聚对二甲苯基，日本Parylene制造的parylene，插入加热到680℃的加热管用于灼热。因此，产生游离基单体。将产生的游离基单体引入到保持在室温下的衬底上，形成300nm厚的聚对亚二甲苯酯膜。这是第一栅绝缘膜。
接着，为了形成第一源电极和第一漏电极，提供掩模图案以致源-漏的长度可为50μm。由此，形成50nm厚的金薄膜。
通过真空蒸发在其上形成50nm厚的n型半导体材料的铜1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-十六氟酞菁(Copper 1，2，3，4，8，9，10，11，15，16，17，18，22，23，24，25-Hexadecafluorophthalocyanine)(F16-CuPC)，以便覆盖整个衬底。这是第一有机半导体膜。
通过真空蒸发在上表面上通过掩模图案顺序形成10nm厚的镁和F16-CuPC的组合层和10nm厚的V2O5缓冲层作为浮置电极的载流子产生电极。这作为具有缓冲层的载流子产生电极。
此外，在其上形成50nm厚的p型有机半导体材料并五苯，以便覆盖整个衬底。这是第二有机半导体膜。
此外，为了形成第二源电极和第二漏电极，制造掩模图案以便源-漏的长度可为50μm。然后，形成50nm厚的金薄膜。掩模图案可以与用于形成第一源电极和第一漏电极的掩模图案相同。
接着，将玻璃衬底移到化学蒸发设备。在减压下加热XylyleneDimer(亚二甲苯二聚物)(产品名称聚对二甲苯基，日本Parylene制造的parylene，插入加热到680℃的加热管用于灼热。因此，产生游离基单体。将产生的游离基单体引入到保持在室温下的衬底上，形成300nm厚的聚对亚二甲苯酯膜。这是第二栅绝缘膜。
最后，通过具有第二栅电极图案的掩模通过真空蒸发在其上形成50nm厚的金薄膜。由此，形成每侧长为500μm的第二栅电极。掩模图案可以与用于形成第一栅电极的掩模图案一样。将制造的有机FET移到测量容器。在容器抽真空之后，测量元件特性。
实例3在本实例中，将具体说明图1B中所示的有机FET。首先，通过具有第一栅电极图案的掩模由真空蒸发在玻璃衬底上形成50nm厚的金膜。因此，形成每侧具有500μm长度的第一栅电极。
将玻璃衬底移到化学蒸发设备。在减压下加热并蒸发XylyleneDimer(亚二甲苯二聚物)(产品名称聚对二甲苯基，日本Parylene制造的parylene，插入加热到680℃的加热管用于灼热。因此，产生游离基单体。将产生的游离基单体引入到保持在室温下的衬底上，形成300nm厚的聚对亚二甲苯酯膜。这是第一栅绝缘膜。
接着，为了形成第一源电极和第一漏电极，提供掩模图案以致源-漏的长度可为50μm。由此，形成50nm厚的金薄膜。
通过真空蒸发在其上形成50nm厚的可输运电子的材料的三(8-羟基喹啉)化铝络合物(Alq3)以便覆盖整个衬底。这是第一有机半导体膜。
通过真空蒸发，借助具有用于是浮置电极的载流子产生电极的图案的掩模，在上表面上顺序形成5nm厚的LiF缓冲层、100nm厚的铝薄膜和5nm厚的铜酞菁缓冲层。这用作具有缓冲层的载流子产生电极。
在其上形成50nm厚的可输运正空穴材料的N，N′-二苯基-N，N′(双-3-甲基苯)-1，1′-二苯基-4，4′-双胺酯(TPD)，以便覆盖整个衬底。这是第二有机半导体膜。
此外，为了形成第二源电极和第二漏电极，制造掩模图案以使源-漏的长度可为50μm。然后，形成50nm厚的金薄膜。掩模图案可以与用于形成第一源电极和第一漏电极的掩模图案相同。
接着，将玻璃衬底移到化学蒸发设备。在减压下加热XylyleneDimer(亚二甲苯二聚物)(产品名称聚对二甲苯基，日本Parylene制造的parylene，插入加热到680℃的加热管用于灼热。因此，产生游离基单体。将产生的游离基单体引入到保持在室温下的衬底上，形成300nm厚的聚对亚二甲苯酯膜。这是第二栅绝缘膜。
最后，通过具有第二栅电极图案的掩模通过真空蒸发在其上形成50nm厚的金薄膜。由此，形成每侧长为500μm的第二栅电极。掩模图案可以与用于形成第一栅电极的掩模图案一样。将制造的有机FET移到测量容器。在容器抽真空之后，测量元件特性。
实施例4在本实施例中，将具体说明图1A中所示的有机FET。首先，通过具有第一栅电极图案的掩模由真空蒸发在玻璃衬底上形成50nm厚的金膜。因此，形成每侧具有500μm长度的第一栅电极。
此外，通过旋涂在玻璃衬底上涂敷聚乙烯苯酚的水溶液，形成第一栅绝缘膜。
接着，为了形成第一源电极和第一漏电极，提供掩模图案以使源-漏的长度可为50μm。由此，形成50nm厚的金薄膜。
通过旋涂形成源规则聚(3-辛基噻吩-2，5-二甲苄基)(regioregular poly(3-octylthiophene-2，5-diyl))(P3OT)的氯仿溶液的膜，以便覆盖衬底的整个表面。由此，形成50nm厚度的有机半导体膜。
接着，由水溶液通过旋涂形成50nm厚的聚亚乙基二氧基噻吩/磺酸聚苯乙烯酯(polyethelenedioxithiophene/polystylene-sulfonic acid)(PEDOT/PSS)薄膜作为缓冲层。通过真空蒸发在上表面上通过具有用于浮置电极的掩模形成100nm厚的金薄膜。通过旋涂在上表面上再次形成50nm厚的聚亚乙基二氧基噻吩/磺酸聚苯乙烯酯(PEDOT/PSS)薄膜作为缓冲层。此薄膜作为具有缓冲层的载流子产生电极。
通过旋涂在其上形成源规则聚(3-辛基噻吩-2，5-二甲苄基)(P3OT)的氯仿溶液的膜，以便覆盖衬底的整个表面。由此，形成50nm厚度的有机半导体膜。结果，获得了一种结构，其中在同一有机半导体膜中注入载流子产生电极。
此外，为了形成第二源电极和第二漏电极，制造掩模图案以使源-漏的长度可为50μm。然后，形成50nm厚的金薄膜。掩模图案可以与用于形成第一源电极和第一漏电极的掩模图案相同。
此外，通过旋涂在玻璃衬底上涂敷聚乙烯苯酚的水溶液，形成第一栅绝缘膜。
最后，通过具有第二栅电极图案的掩模通过真空蒸发在其上形成50nm厚的金薄膜。由此，形成每侧长为500μm的第二栅电极。掩模图案可以与用于形成第一栅电极的掩模图案一样。将制造的有机FET移到测量容器。在容器抽真空之后，测量元件特性。
权利要求
1.一种有机场效应晶体管，该有机场效应晶体管包括在具有绝缘表面的衬底之上，栅电极；与该栅电极接触而形成的栅绝缘膜；与该栅绝缘膜接触而形成的有机半导体膜；以及与该有机半导体膜接触而形成的至少一对源一漏电极，其中在该有机半导体膜之中插入载流子产生电极。
2.一种有机场效应晶体管，包括在衬底之上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极；与该第一栅电极接触而形成的第一栅绝缘膜；与该第一栅绝缘膜接触而形成的第一源电极和第一漏电极；与该第一源电极、该第一漏电极和该第一栅绝缘膜接触而形成的有机半导体膜；在该有机半导体膜内的载流子产生电极；与该有机半导体膜接触而形成的第二源电极和第二漏电极；与该有机半导体膜接触而形成的第二栅绝缘膜；以及与该第二栅绝缘膜接触而形成的第二栅电极。
3.一种有机场效应晶体管，包括在衬底之上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极；与该第一栅电极接触而形成的第一栅绝缘膜；与该第一栅绝缘膜接触而形成的第一源电极和第一漏电极；与该第一源电极、该第一漏电极和该第一栅绝缘膜接触而形成的第一有机半导体膜；与该第一有机半导体膜接触而形成的载流子产生电极；与该载流子产生电极接触而形成的第二有机半导体膜；与该第二有机半导体膜接触而形成的第二源电极和第二漏电极；与该第二有机半导体膜接触而形成的第二栅绝缘膜；以及与该第二栅绝缘膜接触而形成的第二栅电极。
4.根据权利要求3的有机场效应晶体管，其中第一有机半导体膜是可输运的空穴，第二有机半导体膜是可输运电子的。
5.根据权利要求3的有机场效应晶体管，其中第一有机半导体膜是可输运电子的，第二有机半导体膜是可输运空穴的。
6.根据权利要求1的有机场效应晶体管，其中连接第一源电极和第二源电极。
7.根据权利要求2的有机场效应晶体管，其中连接第一源电极和第二源电极。
8.根据权利要求3的有机场效应晶体管，其中连接第一源电极和第二源电极。
9.根据权利要求1的有机场效应晶体管，其中连接第一漏电极和第二漏电极。
10.根据权利要求2的有机场效应晶体管，其中连接第一漏电极和第二漏电极。
11.根据权利要求3的有机场效应晶体管，其中连接第一漏电极和第二漏电极。
12.一种有机场效应晶体管，包括在衬底之上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极；与该第一栅电极接触而形成的第一栅绝缘膜；与该第一栅绝缘膜接触而形成的第一电极；与该第一电极和该第一栅绝缘膜接触而形成的有机半导体膜；在该有机半导体膜内插入的载流子产生电极；与该有机半导体膜接触而形成的第二电极；与该有机半导体膜接触而形成的第二栅绝缘膜；以及与该第二栅绝缘膜接触而形成的第二栅电极。
13.一种有机场效应晶体管，包括在衬底之上与绝缘表面接触而形成的第一栅电极；与该第一栅电极接触而形成的第一栅绝缘膜；与该第一栅绝缘膜接触而形成的第一电极；与该第一电极和该第一栅绝缘膜接触而形成的第一有机半导体膜；与该第一有机半导体膜接触而形成的载流子产生电极；与该载流子产生电极接触而形成的第二有机半导体膜；与该第二有机半导体膜接触而形成的第二电极；与该第二有机半导体膜接触而形成的第二栅绝缘膜；以及与该第二栅绝缘膜接触而形成的第二栅电极。
14.根据权利要求13的有机场效应晶体管，其中第一有机半导体膜是可输运空穴的，第二有机半导体膜是可输运电子的。
15.根据权利要求13的有机场效应晶体管，其中第一有机半导体膜是可输运电子的，第二有机半导体膜是可输运空穴的。
16.根据权利要求1的有机场效应晶体管，其中载流子产生电极包括注入电子的电极和注入空穴的电极的至少两层。
17.根据权利要求2的有机场效应晶体管，其中载流子产生电极包括注入电子的电极和注入空穴的电极的至少两层。
18.根据权利要求3的有机场效应晶体管，其中载流子产生电极包括注入电子的电极和注入空穴的电极的至少两层。
19.根据权利要求12的有机场效应晶体管，其中载流子产生电极包括注入电子的电极和注入空穴的电极的至少两层。
20.根据权利要求13的有机场效应晶体管，其中载流子产生电极包括注入电子的电极和注入空穴的电极的至少两层。
全文摘要
在有机场效应晶体管中，该有机场效应晶体管包括在具有绝缘表面的衬底之上，至少栅电极、与该栅电极接触而形成的栅绝缘膜、与该栅绝缘膜接触而形成的有机半导体膜、以及与该有机半导体膜接触而形成的至少一对源－漏电极，在该有机半导体膜之中插入载流子产生电极，响应栅极信号载流子可被注入到该载流子产生电极。
文档编号H01L51/40GK1459877SQ03136880
公开日2003年12月3日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者筒井哲夫 申请人:株式会社半导体能源研究所