专利名称：一种双介质层有机场效应晶体管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及有机半导体器件技术领域，尤其涉及一种双介质层有机场 效应晶体管及其制作方法。
背景技术：
随着信息技术的不断深入，电子产品已经进入人们生活工作的每个环 节。在日常生活中，人们对低成本、柔性、低重量、便携式的电子产品的 需求越来越大。传统的基于无机半导体材料的器件和电路很难满足这些要 求，因此可以实现这些特性的基于有机半导体材料的有机微电子技术在这 一趋势下得到了人们越来越多的关注。
有机场效应管是有机微电子的基本器件单元，高性能的有机场效应管 是构建能够获得实际应用的有机电路的基石。目前人们关注的有机场效应 管的性能主要包括三个方面迁移率，阈值电压和开关电流比。提高迁移 率和开关电流比，降低阈值电压是该领域一直追求的目标。
目前用于改善这些性能的方法主要有合成新的高性能的有机半导体 材料；选择合适的介质材料，形成高质量的有源层和介质层界面；选择高 功函数的金属，与有机半导体材料形成良好的欧姆接触；改进材料沉积条 件，获得高密度、高有序的、大晶粒的半导体薄膜；在介质层和有源层之 间引入诱导层，提高有机半导体薄膜的晶态比例等。
由于能够引进大的单位面积电容，提高界面处积累电荷密度，采用高 介电常数的介质层成为降低器件阈值电压的主要手段。然而由于薄膜沉积 手段的限制，沉积的高介电常数材料表面粗糙度较大，并且有较高的极性， 与有机半导体材料形成的界面质量不高，导致器件漏电较大。单纯采用高 介电常数的方法亟待改善。
低介电常数的有机介质材料能够通过液相方法进行沉积，获得高质量 的表面性能。然而介电常数较低，基于这种材料的器件阈值电压都比较高，
不利于制备低功耗的电路。如何解决使用单层介质膜有机场效应管中存在 的问题，获得高性能的器件，成为一个急需解决的问题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种双介质层有机场效应晶体 管，以解决使用单层介质膜有机场效应管中存在的问题，获得高性能的器 件，推动有机电路的实用化。
本发明的另一个目的在于提供一种双介质层有机场效应晶体管的制 作方法，以解决使用单层介质膜有机场效应管中存在的问题，获得高性能 的器件，推动有机电路的实用化。
(二) 技术方案
为达到上述一个目的，本发明提供了一种双介质层有机场效应晶体 管，该晶体管由下至上依次包括衬底、第一介质层、第二介质层、有源层 和源漏电极层，对于采用公共背栅电极的该晶体管，衬底同时作为公共背 栅电极，对于釆用独立栅电极的该晶体管，在衬底与第一介质层之间还包 括一独立栅电极，所述第一介质层为高介电常数的氧化物介质层，所述第 二介质层为低介电常数的有机物介质层，第一介质层位于栅电极与第二介 质层之间，第二介质层与有源层直接接触。
上述方案中，所述构成第一介质层的高介电常数的氧化物包括Hf02，
Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料；所述构成第二介质层的低介电常数的有 机物包括PMMA， PI， HSQ或PVP材料。
上述方案中，所述构成有源层的材料包括并五苯、铜酞菁、P3HT 或六噻吩；所述构成源漏电极层的材料包括金属材料金、银、铜、铝， 或者有机材料PEODT/PSS。
上述方案中，所述衬底采用硅片、玻璃或塑料；对于采用公共背栅电 极的该晶体管，同时作为公共背栅电极的衬底采用导电的高掺杂硅片；对 于采用独立栅电极的该晶体管，在衬底与第一介质层之间的独立栅电极采 用金属材料金、银、铜、铝，或者有机材料PEODT/PSS。 上述方案中，所述的场效应管采用顶接触式结构。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种双介质层有机场效应晶体 管的制作方法，该方法包括
A、 在衬底上沉积第一介质层；
B、 在第一介质层上沉积第二介质层；
C、 在第二介质层沉积有源层；
D、 在有源层上制备源漏电极，完成整个器件的制作。 上述方案中，对于采用公共背栅电极的该晶体管，所述步骤A包括
在作为公共背栅电极的衬底上，采用电子束蒸发或磁控溅射方法沉积氧化 物。
上述方案中，所述作为公共背栅电极的衬底采用导电的高掺杂硅片， 所述沉积的氧化物包括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料。
上述方案中，对于采用独立栅电极的该晶体管，所述步骤A包括在 衬底上采用光刻刻蚀、金属剥离、掩蔽沉积Shadow Mask或印刷技术制备 独立栅电极，然后采用电子束蒸发或磁控溅射方法在制备了独立栅电极的 衬底上沉积氧化物。
上述方案中，所述衬底采用硅片、玻璃或塑料；所述独立栅电极采用 金属材料金、银、铜、铝，或者有机材料PEODT/PSS;所述沉积的氧化 物包括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或1102材料。
上述方案中，步骤B中所述在第一介质层上沉积第二介质层采用旋涂 spin或印刷技术实现；步骤C中所述在在第二介质层沉积有源层采用旋涂 spin、真空蒸发或印刷技术实现；步骤D中所述在有源层上制备源漏电极 采用掩蔽沉积Shadow Mask或印刷技术实现。
上述方案中，所述沉积的第二介质层包括有机物材料PMMA， PI， HSQ和PVP，所述沉积的有源层材料包括并五苯、铜酞菁、P3HT或六噻 吩；所述沉积的源漏电极层材料包括金属材料金、银、铜、铝，或者有机 材料PEODT/PSS。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
本发明提供的这种双介质层有机场效应晶体管及其制作方法，由于引 入了高介电常数的氧化物介质，所以能够大幅度降低有机场效应管的阈值 电压和工作电压。进一步，通过在氧化物介质层表面采用液相方法沉积有 机介质层，大大降低了氧化物介质层表面的粗糙度。这样一方面提高了介 质层和有源层之间的界面质量，另一方面改善了有源层薄膜的生长环境， 使其能够长成高密度、高有序、大晶粒尺寸的晶态薄膜。因此，器件的性 能得到了进一步的改善。综合了高介电常数氧化物介质层和低介电常数有 机物介质层的优势，双介质层结构的有机场效应管可以获得远低于10V的 阈值电压，以及较高的迁移率和开关电流比。进而，本发明解决了使用单 层介质膜有机场效应管中存在的问题，获得了高性能的器件，推动了有机 电路的实用化。
图1为本发明提供的采用公共背栅电极的双介质层有机场效应管的结
构示意图2为本发明提供的采用公共背栅电极的双介质层有机场效应管的制 备流程图；其中，
图2-1为在衬底上生长第一介质层的示意图2-2为在第一介质层上生长第二介质层的示意图2-3为在介质层上沉积有源层的示意图2-4为在有源层上沉积源漏电极层的示意图3为本发明提供的采用独立栅电极的双介质层有机场效应管的结构 示意图4为本发明提供的采用独立栅电极的双介质层有机场效应管的制备 流程图；其中，
图4-1为在衬底上制备独立栅电极的示意图4-2为在栅电极上生长第一介质层的示意图4-3为在第一介质层上生长第二介质层的示意图4-4为在介质层上沉积有源层的示意图4-5为在有源层上沉积源漏电极层的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种双介质层有机场效应晶体管可以采用两种栅电极 结构， 一种是公共背栅电极，另一种是独立栅电极。其中，采用公共背栅 电极时，衬底既作为栅电极，又作为衬底。
如图1所示，图1为本发明提供的采用公共背栅电极的双介质层有机 场效应管的结构示意图，该结构包括衬底(栅电极)，第一介质层，第 二介质层，有源层和源、漏电极层。第一介质层位于栅电极和第二介质层 之间；第二介质层与有源层直接接触。所述的场效应管采用顶接触式结构。
所述的衬底为导电材料，同时充当公共的背栅电极；常用的材料有高 掺杂的硅片。所述第一介质层为高介电常数的氧化物，包括Hf02， Zr02， Ta205， Al203或Ti02等材料。所述第二介质层为低介电常数的有机物介质 层，包括PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。所述的有源层材料包括并 五苯、铜酞菁、P3HT或六噻吩等材料。所述的源漏电极层材料包括金、 银、铜、铝等金属材料，或者PEODT/PSS等有机材料。
基于图1所述的采用背栅电极的双介质层有机场效应管的结构示意 图，图2示出了本发明提供的制备采用背栅电极的双介质层有机场效应管 制备流程图，该方法包括以下步骤
步骤201，在衬底(即公共背栅电极)上沉积第一介质层；
如图2-l所述，在本步骤中，所述的第一介质层沉积方法包括电子 束蒸发氧化物、磁控溅射氧化物，以及用上述两种方法沉积金属后再进行 热氧化处理等。常用的材料为高介电常数的氧化物，包括Hf02， Zr02， Ta205， Al203或Ti02等材料。
步骤202，在第一介质层上沉积第二介质层；
如图2-2所示，在本步骤中，所述的第二介质层的沉积方法包括旋 涂(spin)和印刷等。常用材料为低介电常数的有机物介质层，包括PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。
步骤203，在第二介质层上沉积有源层；
如图2-3所示，在本步骤中，所述的有源层的沉积方法包括旋涂
(spin),真空蒸发，印刷等。常用的有源层材料包括并五苯、铜酞菁、 P3HT或六噻吩等材料。
步骤204，在有源层上制备源漏电极，完成整个器件的制作。
如图2-4所示，在本步骤中，所述的源漏电极的制备方法包括Shadow
Mask掩蔽沉积和印刷等。常用的源漏电极材料包括金、银、铜、铝等金
属材料，或者PEODT/PSS等有机导体。
如图3所示，图3为本发明提供的采用独立栅电极的双介质层有机场 效应管的结构示意图，该结构包括衬底，栅电极，第一介质层，第二介 质层，有源层和源、漏电极层。第一介质层位于栅电极和第二介质层之间； 第二介质层与有源层直接接触。所述的场效应管采用顶接触式结构。
所述的衬底为非导电材料，常用的材料有玻璃，塑料等。所述独立的 栅电极通常采用金、银、铜、铝等金属材料或PEODT/PSS等有机材料。 所述第一介质层为高介电常数的氧化物，包括HfG2， Zr02， Ta205， A1203 或Ti02等材料。所述第二介质层为低介电常数的有机物介质层，包括 PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。所述的有源层材料包括并五苯、铜 酞菁、P3HT或六噻吩等材料。所述的源漏电极层材料包括金、银、铜、 铝等金属材料，或者PEODT/PSS等有机材料。
基于图3所述的采用独立栅电极的双介质层有机场效应管的结构示意 图，图4示出了本发明提供的制备采用独立栅电极双介质层有机场效应管 制备流程图，该方法包括以下步骤
步骤401，在衬底上制备栅电极；
如图4-l所示，在本步骤中，独立栅电极的制备方法包括光刻刻蚀、 金属剥离、Shadow Mask掩蔽沉积和印刷等技术，常用材料包括金、银、 铜、铝等金属材料或PEODT/PSS等有机导体。
步骤402，在栅电极上沉积第一介质层；
如图4-2所示，在本步骤中，所述的第一介质层沉积方法包括电子 束蒸发氧化物、磁控溅射氧化物，以及用上述两种方法沉积金属后再进行 热氧化处理等。常用的材料为高介电常数的氧化物，包括Hf02， Zr02， Ta205，八1203或1102等材料。
步骤403，在第一介质层上沉积第二介质层；
如图4-3所示，在本步骤中，所述的第二介质层的沉积方法包括旋 涂(spin)和印刷等。常用材料为低介电常数的有机物介质层，包括PMMA， PI， HSQ或PVP等材料。
步骤404，在介质层上沉积有源层；
如图4-4所示，在本步骤中，所述的有源层的沉积方法包括旋涂 (spin),真空蒸发，印刷等。常用的材料包括并五苯、铜酞菁、P3HT 或六噻吩等材料。
步骤405，在有源层上制备源漏电极，完成整个器件的制作。
如图4-5所示，在本步骤中，所述的源漏电极的制备方法包括Shadow Mask掩蔽沉积和印刷等。常用的材料包括金、银、铜、铝等金属材料， 或者PEODT/PSS等有机导体。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 己，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种双介质层有机场效应晶体管，该晶体管由下至上依次包括衬底、第一介质层、第二介质层、有源层和源漏电极层，对于采用公共背栅电极的该晶体管，衬底同时作为公共背栅电极，对于采用独立栅电极的该晶体管，在衬底与第一介质层之间还包括一独立栅电极，其特征在于，所述第一介质层为高介电常数的氧化物介质层，所述第二介质层为低介电常数的有机物介质层，第一介质层位于栅电极与第二介质层之间，第二介质层与有源层直接接触。
2、 根据权利要求l所述的双介质层有机场效应晶体管，其特征在于， 所述构成第一介质层的高介电常数的氧化物包括HfG2， Zr02， Ta205，八1203或1102材料；所述构成第二介质层的低介电常数的有机物包括PMMA， PI， HSQ 或PVP材料。
3、 根据权利要求l所述的双介质层有机场效应晶体管，其特征在于，所述构成有源层的材料包括并五苯、铜酞菁、P3HT或六噻吩； 所述构成源漏电极层的材料包括金属材料金、银、铜、铝，或者有机材料PEODT/PSS。
4、 根据权利要求l所述的双介质层有机场效应晶体管，其特征在于， 所述衬底采用硅片、玻璃或塑料；对于采用公共背栅电极的该晶体管，同时作为公共背栅电极的衬底采 用导电的高掺杂硅片；对于采用独立栅电极的该晶体管，在衬底与第一介质层之间的独立栅 电极采用金属材料金、银、铜、铝，或者有机材料PEODT/PSS。
5、 根据权利要求1所述的双介质层有机场效应晶体管，其特征在于， 所述的场效应管采用顶接触式结构。
6、 一种双介质层有机场效应晶体管的制作方法，其特征在于，该方 法包括A、 在衬底上沉积第一介质层；B、 在第一介质层上沉积第二介质层； C、 在第二介质层沉积有源层；D、 在有源层上制备源漏电极，完成整个器件的制作。
7、 根据权利要求6所述的双介质层有机场效应晶体管的制作方法， 其特征在于，对于采用公共背栅电极的该晶体管，所述步骤A包括在作为公共背栅电极的衬底上，采用电子束蒸发或磁控溅射方法沉积 氧化物。
8、 根据权利要求7所述的双介质层有机场效应晶体管的制作方法，其特征在于，所述作为公共背栅电极的衬底采用导电的高掺杂硅片，所述沉积的氧化物包括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料。
9、 根据权利要求6所述的双介质层有机场效应晶体管的制作方法， 其特征在于，对于采用独立栅电极的该晶体管，所述步骤A包括-在衬底上采用光刻刻蚀、金属剥离、掩蔽沉积Shadow Mask或印刷技 术制备独立栅电极，然后采用电子束蒸发或磁控溅射方法在制备了独立栅 电极的衬底上沉积氧化物。
10、 根据权利要求9所述的双介质层有机场效应晶体管的制作方法， 其特征在于，所述衬底采用硅片、玻璃或塑料；所述独立栅电极采用金属 材料金、银、铜、铝，或者有机材料PEODT/PSS;所述沉积的氧化物包 括Hf02， Zr02， Ta205， A1203或Ti02材料。
11、 根据权利要求6所述的双介质层有机场效应晶体管的制作方法， 其特征在于，步骤B中所述在第一介质层上沉积第二介质层采用旋涂spin或印刷技 术实现；步骤C中所述在在第二介质层沉积有源层采用旋涂spin、真空蒸发或 印刷技术实现；步骤D中所述在有源层上制备源漏电极采用掩蔽沉积Shadow Mask 或印刷技术实现。
12、 根据权利要求11所述的双介质层有机场效应晶体管的制作方法， 其特征在于，所述沉积的第二介质层包括有机物材料PMMA， PI， HSQ 和PVP，所述沉积的有源层材料包括并五苯、铜酞菁、P3HT或六噻吩； 所述沉积的源漏电极层材料包括金属材料金、银、铜、铝，或者有机材料 PEODT/PSS 。
全文摘要
本发明涉及有机半导体器件技术领域，公开了一种双介质层有机场效应晶体管，该晶体管由下至上依次包括衬底、第一介质层、第二介质层、有源层和源漏电极层，对于采用公共背栅电极的该晶体管，衬底同时作为公共背栅电极，对于采用独立栅电极的该晶体管，在衬底与第一介质层之间还包括一独立栅电极，所述第一介质层为高介电常数的氧化物介质层，所述第二介质层为低介电常数的有机物介质层，第一介质层位于栅电极与第二介质层之间，第二介质层与有源层直接接触。本发明同时公开了一种双介质层有机场效应晶体管的制作方法。利用本发明，解决了使用单层介质膜有机场效应管中存在的问题，获得了高性能的器件，推动了有机电路的实用化。
文档编号H01L51/05GK101393966SQ20071012197
公开日2009年3月25日 申请日期2007年9月19日 优先权日2007年9月19日
发明者明 刘, 商立伟, 涂德钰, 王丛舜, 锐 贾, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所