专利名称：场效应晶体管及使用该晶体管的显示器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用包含有机物质半导体层的场效应晶体管，和使用该晶体管的显示器件。
背景技术：
近年来，有机半导体作为可替代无机半导体的半导体得到了积极开发。有机半导体材料的代表性实例包括并五苯和聚噻吩。尤其是，已有报道称，当并五苯作为场效应晶体管中的半导体时，场效应晶体管所达到的晶体管特性之一的载流子迁移率可超过1cm2/Vs。在使用无定型硅的情况下，达到的迁移率为约1cm2/Vs。因此，有机半导体可望替代无定型硅。然而，事实上这一替代工作几乎没有进展。阻碍替代进展的一个主要因素是有机半导体的寿命。许多有机半导体易受水和氧气的影响。因此，半导体有可能被环境气体中存在的氧掺杂，从而使OFF电流增大、ON/OFF比下降，并导致半导体特性降低。因此，有必要要求有机半导体材料对氧气和水稳定，从而在生产过程中和使用环境下避免或减少氧化引起的掺杂。然而，开发这类有机半导体材料需要大量的成本和时间。
在传统报道的有机晶体管中，有机半导体上采用氧化膜或绝缘树脂来防止氧气等进入。虽然氧化膜能高度阻止氧气和水，但一直存在的问题是，在半导体上形成氧化膜时要求有较高的成膜温度，而这可能会损坏半导体，从而降低其特性。另一方面，绝缘树脂对氧气和水的阻隔性不如氧化膜的高。因此，使用绝缘树脂很难充分改善晶体管的寿命。
此外，晶体管的结构也会产生问题。例如，在底栅型(bottom-gate)晶体管中，半导体暴露在空气中，因此半导体与氧气的接触面积大。在顶栅型(top-gate)晶体管中，虽然半导体与氧气的接触面积比底栅型晶体管的小，但半导体易受到从与厚度方向垂直的方向进入的氧气的影响。另外，在侧栅型(side-gate)晶体管中，半导体层、源极和漏极在垂直方向相互层叠，而栅极(gate electrode)通过绝缘层在叠层的侧面形成，与顶栅型晶体管中情况一样，半导体易受到从与厚度方向垂直的方向进入的氧气的影响(参见专利文献1和2)。因此，通过使晶体管具有不易让氧气或水从任何方向进入的结构，有可能改善晶体管的寿命，从而保护有机半导体。
专利文献1特开2003-110110专利文献2特开2003-209122发明内容本发明的目的是解决上述常规问题并提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管具有高度的耐空气和耐水性，即使使用诸如并五苯或聚噻吩有机半导体，也具有较长的寿命。
本发明的场效应晶体管包括包含有机物质的半导体层、第一电极、第二电极和第三电极。第一电极配置在所述半导体层的上面，第二电极配置在所述半导体层的下面，第三电极则配置在所述半导体层的侧面。半导体层与选自第一电极、第二电极和第三电极的两个电极电连接，第一电极位于半导体层的上方以延伸超出半导体层的外围。
此外，本发明的显示器件包括图像显示部分和采用上述场效应晶体管的像素电极。
附图简述[
图1]图1A为本发明实施例1的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。图1B为本发明另一个底栅型场效应晶体管的示意性断面图。图1C为本发明又另一个底栅型场效应晶体管的示意性断面图。图1D为本发明再另一个底栅型场效应晶体管的示意性断面图。图1E为显示本发明底栅型场效应晶体管的主要部分的断面图。
图2A为本发明实施例2或3的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。图2B为显示实施例2的底栅型场效应晶体管的主要部分的断面图。图2C为显示实施例3的底栅型场效应晶体管的主要部分的断面图。
图3为本发明实施例4的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。
图4A为本发明实施例5的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。图4B为显示该场效应晶体管主要部分的断面图。
图5A为本发明实施例6或7的顶栅型场效应晶体管的示意性断面图。图5B为本发明实施例6的顶栅型场效应晶体管的示意性断面图。图5C为本发明实施例7的顶栅型场效应晶体管的示意性断面图。
图6A为本发明实施例8的侧栅型场效应晶体管的示意性断面图。图6B为显示该场效应晶体管主要部分的断面图。
图7A为本发明实施例9或10的侧栅型场效应晶体管的示意性断面图。图7B为显示该场效应晶体管主要部分的断面图。
图8A为本发明实施例11的侧栅型场效应晶体管的示意性断面图。图8B为显示该场效应晶体管主要部分的断面图。
图9为使用本发明实施例12的底栅型场效应晶体管的液晶元件的断面图。
图10表示半导体层开口率与本发明实施例3的场效应晶体管寿命之间的相互关系。
图11表示半导体层开口率与本发明实施例7的场效应晶体管寿命之间的相互关系。
图12表示半导体层开口率与根据本发明实施例10的场效应晶体管寿命之间的相互关系。
图13为对比例1的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。
图14为对比例2的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。
图15为对比例3的底栅型场效应晶体管的示意性断面图。
图16为本发明实施例14的有源矩阵有机EL显示器件的断面图。
具体实施例方式
本发明的场效应晶体管的构造如下第一电极配置在半导体层的上表面，第二电极配置在半导体层的下表面，半导体的侧面部分则被第三电极包围，第一电极位于半导体层的上方以便延伸超出半导体层的外围。这样的构造使得空气到半导体层的距离增大，因此氧气或水必须经历较长的距离才能到达半导体层。这样可使晶体管寿命延长。
本发明中使用的三种电极为栅极、源极和漏极。源极和漏极之间流动的电流由加在栅极上的电压控制。源极和漏极之间电流流经的区域称为沟道。
在本发明中，优选满足L≥10d，其中L为第一电极延伸超出半导体层外围的长度，d为在第一电极和第三电极之间插入的绝缘层的厚度。当上述关系能得到满足时，空气至半导体层的距离还可以更长，这样氧气或水必须经历更长的距离才能到达半导体层。这可使晶体管寿命更长。更优地，L和d满足L≥50d。
表示半导体层外部侧面不被第三电极包围的部分与其整个外部侧面之比的开口率优选地为不低于0％且不高于40％。
进一步，优选第一电极为漏极/源极且与半导体层电连接，第二电极为栅极，第三电极为源极/漏极且与半导体层电连接。
在此注意，术语“源极/漏极”在本文中指源电极或漏电极，术语“漏极/源极”在本文中指漏电极或源电极。相应地，在源极/漏极为源极的情况下，则所述漏极/源极为漏电极。反之，在源极/漏极为漏电极的情况下，则漏极/源极为源电极。
本发明的底栅型场效应晶体管可以具有图1A-1E所示的各种结构。在图1A所示的底栅型场效应晶体管的结构中，基底11上形成有作为第二电极的栅极12，栅极12上部形成有栅极绝缘层13，栅极绝缘层13上形成有作为第三电极的源极14和半导体层15，半导体层15上形成有作为第一电极的漏极16和绝缘层17，以完全覆盖半导体层15的上表面。在此注意，漏极16直接地或通过绝缘层17完全覆盖半导体层15的上表面。同时注意，栅极绝缘层13上形成的源极14及半导体层15的俯视图应该如图1E所示半导体层15的整个侧面部分被源极14所包围。
在图1B所示的结构中，漏极16直接地或通过绝缘层17完全覆盖半导体层15的上表面，而绝缘层17的上表面部分被漏极16所覆盖。
在图1C所示的结构中，半导体层15的一部分悬在源极14的上面，而漏极16则有一部分嵌入在半导体层15中。
在图1D所示的结构中，半导体层15覆盖了源极14的大部分，而漏极16则直接地或通过绝缘层17完全覆盖半导体层15的上表面和侧面。
当然，本发明的底栅型场效应晶体管可以具有图1A-1D所示结构以外的结构。而且勿须多言，下面将描述的顶栅型场效应晶体管和侧栅型场效应晶体管也可以具有本说明书附图所示结构以外的结构。
进一步，优选满足L≥10d，其中如图1A所示，L为半导体层15的外围任一点上延伸出的垂直线与第一电极相交的点至第一电极外围的最短距离，d为第一电极与半导体层沿垂直线的距离。
更进一步，场效应晶体管可以这样构造第一电极为栅极，第二电极为漏极/源极，且与半导体层电连接，第三电极为源极/漏极，且与半导体层电连接。
更进一步，场效应晶体管可以是如下构造的侧栅型场效应晶体管第一电极为源极和漏极中的一个，而第二电极为另一个，第一电极和第二电极与半导体层电连接，而第三电极为栅极。
对用于制备本发明场效应晶体管的基底而言，应当使用无机材料制造的基底，例如玻璃、石英或氧化铝烧结体，或使用树脂制造的绝缘基底，例如聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜等。
对栅极的材料而言，应当使用无机材料，例如金、铂、银、铜、铝、铬、钼、镍、这些金属的合金、多晶硅、无定型硅和ITO。通过蒸发、溅射等方法将这种导电材料形成厚度为50nm-500nm的薄膜，并通过常规的光刻和蚀刻方法将其加工成需要的形状。
栅极绝缘层材料的实例包括无机绝缘材料，如SiO2和Al2O3，以及有机绝缘材料，如聚丙烯腈、聚氯丁二烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚碳酸酯和聚酰亚胺等。通过CVD、旋涂、浇铸、蒸发等方法形成电绝缘层，以使其厚度为50nm-1000nm。
对于源极/漏极材料而言，适合的材料应根据有机半导体层的材料而选自例如金、铂、银、铜、铝、铬以及氧化铟锡合金(ITO)等。尤其为了达到与半导体层的欧姆接触，通常使用金和铂等材料。通过蒸发、溅射或电子束蒸发等方法使这种导电材料形成厚度为50nm-500nm的薄膜，并通过常规的光刻和蚀刻法成形为需要的形状。
半导体材料的实例包括有机半导体材料，如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、多并苯(包括并四苯和并五苯)、对聚苯、聚苯硫醚和这些材料的衍生物等，以及导电聚合，如这些材料的共聚物。除了上述材料，碳纳米管与上述有机半导体材料的复合材料也可用作半导体材料。对于形成薄膜的方法而言，可使用旋涂、浇铸、电解聚合、气相聚合和真空蒸发等。
实施例以下将通过实施例对本发明作更详细的描述。然而，应注意本发明并不限于以下所给出的实施例。
(实施例1)以下参考图1A来描述本实施例中制备的场效应晶体管1号。图1A中所示为底栅型场效应晶体管的结构，其中，在基底11上形成栅极12，在栅极12上方形成栅极绝缘层13，在栅极绝缘层13上形成源极14及半导体层15，在半导体层15上形成漏极16和绝缘层17以完全覆盖半导体层15的上表面。在此注意，栅极绝缘层13上形成的源极14及半导体层15的俯视图应当如图1E中所示半导体层15沟道区域的整个侧面部分被源极14所包围。
在场效应晶体管1号的生产中，用0.7mm厚的玻璃基底作为基底11，用0.1μm厚的氧化铟锡合金(ITO)层作为栅极12，在存在栅极的部分用0.6μm厚的聚乙烯基苯酚(PVP)层、在不存在栅极的部分用0.7μm厚的PVP层作为栅极绝缘层13，用0.1μm厚的金层作为源极/漏极14，在绝缘层17的上面部分用0.1μm厚的金层作为源极/漏极16，用50nm厚的光敏聚酰亚胺层作为绝缘层17，用100nm厚的并五苯层作为半导体层15。
首先，用带ITO膜的洗涤过的玻璃基底作为玻璃基底11。在此玻璃基底11上，通过旋涂形成PVP栅极绝缘层。此后，只对将要形成半导体层的栅极绝缘层的13区域进行遮蔽，通过真空蒸发在栅极绝缘层13上沉积金。由此而形成源极14。随后，通过真空蒸发形成半导体层15。接下来，通过旋涂来涂覆光敏聚酰亚胺，并在将要形成漏极16的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。因此而形成绝缘层17。最后，通过真空蒸发沉积金形成漏极16。结果得到了如图1A所示的晶体管，其中半导体层15的沟道区域为源极和漏极以及绝缘层所覆盖。经过半导体层15的源极14和漏极16之间的距离，即绝缘层17的厚度(d)为50nm，而第一电极(漏极)16延伸超出半导体层15外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
将上述ITO薄膜用作栅极12。在每个源极14、漏极16和栅极12上面都使用银膏来布置直径为0.1mm的银线。
为了评价由此获得的晶体管的寿命，测量刚生产出来的晶体管的ON/OFF比，并与将该晶体管放置在增湿测试仪中七天后的ON/OFF比进行比较。测试仪创造的增湿条件为温度65℃、相对湿度85％。
从下表1中所给出的晶体管1号至11号一同测量的结果可清楚看出，晶体管1号刚生产出时所表现的载流子迁移率为0.06cm2/Vs，ON/OFF电流比为5×105。场效应晶体管1号在增湿测试仪中放置后的ON/OF比为9×102。在此应注意到，如果常规晶体管生产后在环境中放置七天，其将不会再表现出晶体管特性。因此，可以知道具有图1A所示结构的晶体管具有更好的耐氧和耐水性能。
(对比例1)出于比较的目的，以与实施例1相同的方式生产出场效应晶体管2号，该晶体管中漏极26的周围与如图13中所示半导体层25的周围基本相同。绝缘层27的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)26延伸超出半导体层25外围的长度(L)为0.05μm。因此，L和d的关系为L/d＝1。从下表1中所给出的晶体管1号至11号一同测量的结果可清楚看出，晶体管2号刚生产出来时所表现的载流子迁移率为0.04cm2/Vs，ON/OFF电流比为4×105。晶体管2号在增湿测试仪中放置后的ON/OF比太小，以致不能测到。考虑其中的原因为，在具有图13所示结构的晶体管中，氧气等到达半导体层所需穿过的距离比具有图1A结构的晶体管所需的更短。即，由于氧气或水更容易进入半导体层，半导体层会被氧气或水掺杂并发生化学降解，结果导致晶体管特性降低。
(实施例2)以下参考图2A和2B来描述本实施例中制备的场效应晶体管3号。图2A所示为底栅型场效应晶体管的结构，其中，在基底31上形成栅极32，在栅极32上方形成栅极绝缘层33，在栅极绝缘层33上形成源极34、漏极36和半导体层35，在半导体层35上形成漏极36和绝缘层37，以完全覆盖半导体层35的上表面。在此注意，漏极36通过绝缘层37完全覆盖半导体层35的上表面。同时也注意，如图2B的断面图中所示，在栅极绝缘层33上形成源极34、漏极36及半导体层35，以使漏极36位于半导体层35的中央部分，而半导体层35沟道区域的整个侧面部分被源极34所包围。
在场效应晶体管3号的生产中，用玻璃基底作为基底31，用ITO形成栅极32，用PVP形成栅极绝缘层33，用金形成源极34和漏极36，用光敏聚酰亚胺形成绝缘层37，用并五苯形成半导体层35。绝缘层37的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)36延伸超出半导体层35外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
首先，用带ITO膜的洗涤过的玻璃基底作为玻璃基底31。在此玻璃基底31上，通过旋涂形成PVP栅极绝缘层33。此后，只对将要形成半导体层的栅极绝缘层33的区域进行遮蔽，通过真空蒸发在栅极绝缘层33上沉积金。这样就形成了源极34及部分漏极36。随后，通过真空蒸发形成半导体层35。接下来，通过旋涂来涂覆光敏聚酰亚胺层，并在将要形成漏极36的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成绝缘层37。最后，通过真空蒸发沉积金形成漏极36。结果得到如图2A所示的晶体管，其中半导体层35的沟道区域为源极和漏极以及绝缘层所覆盖。将上述ITO薄膜用作为栅极32。在每个源极34、漏极36和栅极32上面都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从下表1中所给出的晶体管1号至11号一同测量的结果可清楚看出，场效应晶体管3号刚生产出来时所表现出的载流子迁移率为0.1cm2/Vs，ON/OFF电流比为4×105。场效应晶体管3号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为4×102。因此，可以知道场效应晶体管3号具有改进的耐氧和耐水性能。
(实施例3)以下参考图2A和2C来描述本实施例中制备的场效应晶体管21-26号。以与实施例2相同的方式生产底栅型晶体管，其中，如图2A所示，漏极36通过绝缘层37覆盖半导体层35和源极34的上表面。绝缘层37的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)36延伸超出半导体层35外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。然而，在本实施例中，在栅极绝缘层33上形成的源极34、漏极36及半导体层35应当如俯视2C所示漏极36位于半导体层35的中央部分，而半导体层35沟道区域的大部分侧面部分被源极34所包围。表2中所示为ON/OFF比如何随着开口率变化，该开口率是指半导体层沟道区域中未被源极34所包围部分的比例。在晶体管21号-26号中，开口率在0％-50％的范围内变化。在此应指出，术语“开口率”指沟道区域外侧表面的开口面积与整个外表面面积之比。也就是说，当开口率为0％时，沟道区域的整个侧面部分被源极所包围。
如表2中所示，具有0％-50％各种开口率的场效应晶体管刚生产时所表现的载流子迁移率为0.07-0.1cm2/Vs，测得的ON/OFF电流比为至少1×105。然后将这些场效应晶体管放置在增湿测试仪中，直到ON/OFF比变为小于1×102，其间测得的流逝时间即为所述场效应晶体管的寿命。
结果，如图10中所示，在开口率超过约30％之前，寿命随着开口率的增大而单调降低。然而，可以发现在开口率超过约40％后，寿命急剧下降。当开口率增大到接近约30％时，可以认为寿命减少的原因是由于半导体层上开口面积的增大，更多的氧气等物质会进入到半导体层。然而，当开口率达到40％或更大时，因为伴随电极区域减少而产生的电荷集中引起半导体层的化学降解快速发生，因此半导体寿命发生急剧下降。
从这些结果可以看出，考虑到晶体管使用时的稳定性，优选沟道区域的侧面部分被源极包围，以使开口率在不引起寿命急剧下降的范围内，即不超过40％。
(实施例4)以下参考图3来描述本实施例中制备的场效应晶体管4号。图3所示为底栅型场效应晶体管的结构，其中，在基底41上形成栅极42，在栅极42上形成栅极绝缘层43，在栅极绝缘层43上形成源极44、漏极46及半导体层45，在半导体层45上形成漏极46和绝缘层47以完全覆盖半导体层45的上表面。在此注意，漏极46通过绝缘层47完全覆盖半导体层45的上表面。同时也注意，栅极42通过栅极绝缘层43完全覆盖半导体层45的下表面。此外，在栅极绝缘层43上形成的源极44、漏极46及半导体层45的俯视图应当是漏极46位于半导体层45的中央部分，而半导体层45沟道区域的整个侧面部分被源极44所包围。绝缘层47的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)46延伸超出半导体层45外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
在场效应晶体管4号的生产中，用树脂基底作为基底41，用ITO形成栅极42，用PVP形成栅极绝缘层43，用金形成源极44和漏极46，用光敏聚酰亚胺形成绝缘层47，用并五苯形成半导体层45。
首先，用带ITO膜42的洗涤过的1mm厚聚酰亚胺树脂基底作为玻璃基底41。在此基底41上，通过旋涂形成PVP栅极绝缘层43。此后，只对将要形成半导体层的栅极绝缘层43的区域进行遮蔽，通过真空蒸发在栅极绝缘层43上沉积金。这样就形成了源极44及部分漏极46。随后，通过真空蒸发形成半导体层45。接下来，通过旋涂来涂覆光敏聚酰亚胺层，并在将要形成漏极46的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成绝缘层47。最后，通过真空蒸发沉积金形成漏极46。结果得到了晶体管4号，其中半导体层45为源极和漏极及绝缘层所覆盖。将上述ITO薄膜用作为栅极42。在每个源极44、漏极46和栅极42上面都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从下表1中所给出的晶体管1号至11号一同测量的结果可清楚看出，场效应晶体管4号刚生产出来时所表现出的载流子迁移率为0.03m2/Vs，ON/OFF电流比为2×105。场效应晶体管4号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为1×102。因此可以证实，使用树脂制成的基底时，所述场效应晶体管具有改进的耐氧和耐水性能。
(实施例5)以下参考图4A和4B来描述本实施例中制备的场效应晶体管5号。图4A所示为底栅型场效应晶体管的结构，其中，在基底51上形成栅极52，在栅极52上方形成栅极绝缘层53，在栅极绝缘层53上形成源极54、漏极56及半导体层55，在半导体层55上形成漏极56和绝缘层57以完全覆盖半导体层55的上表面。在此注意，漏极56通过绝缘层57完全覆盖半导体层55的上表面。此外，在栅极绝缘层53上形成的源极54、漏极56及半导体层55的俯视图应当如图4B中所示漏极56位于半导体层55的中央部分，半导体层55沟道区域的整个侧面部分被源极54所包围。绝缘层57的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)56延伸超出半导体层45外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
在场效应晶体管5号的生产中，用玻璃基底作为基底51，用ITO形成栅极52，用PVP形成栅极绝缘层53，用金形成源极54和漏极56，用光敏聚酰亚胺形成绝缘层57，用并五苯形成半导体层55。
首先，用洗涤过的带ITO膜的玻璃基底作为玻璃基底51。在此基底51上，通过旋涂形成PVP栅极绝缘层53。此后，只对将要形成半导体层的栅极绝缘层53的区域进行遮蔽，通过真空蒸发在栅极绝缘层53上沉积金。这样就形成了源极54及部分漏极56。随后，通过真空蒸发形成半导体层55。接下来，通过旋涂来涂覆光敏聚酰亚胺层，并在将要形成漏极56的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成绝缘层57。最后，通过真空蒸发沉积金形成漏极56。结果得到晶体管5号，其中半导体层55为源极和漏极以及绝缘层所覆盖。源极54与漏极56之间通过半导体层55的最短距离为50nm。将上述ITO薄膜用作为栅极52。在每个源极54、漏极56和栅极52上都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从下表1中所给出的晶体管1号至11号一同测量的结果可清楚看出，晶体管5号刚生产出来时所表现出的载流子迁移率为0.01cm2/Vs，ON/OFF电流比为6×104。场效应晶体管5号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为1×102。从这些结果可以理解，不管源极、漏极和绝缘层的形状如何，所述场效应晶体管都具有改进的耐氧和耐水性能。
(实施例6)以下参考图5A和5C来描述本实施例中制备的场效应晶体管6号。图5A所示为顶栅型场效应晶体管的结构，其中，漏极66和绝缘层67在基底61上形成，源极64和半导体层65在绝缘层67上形成，在其上面进一步依次形成栅极绝缘层63和栅极62。在此注意，栅极62完全覆盖半导体层65的上表面。同时也注意，如图5C所示，漏极66位于半导体层65的中央部分，半导体层65沟道区域的整个侧面部分被源极64所包围。绝缘层63的厚度(d)为500nm，第一电极(栅极)62延伸超出半导体层65外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝100。
在场效应晶体管6号的生产中，用玻璃基底作为基底61，用金形成源极64、漏极66和栅极62，用PVP形成栅极绝缘层63，用光敏聚酰亚胺形成绝缘层67，用并五苯形成半导体层65。
首先，用洗涤过的玻璃基底作为基底61。通过旋涂将光敏聚酰亚胺涂覆到基底61上，并在将要形成漏极66的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成绝缘层67。接下来，通过真空蒸发沉积金形成源极64和漏极66，继而通过蒸发形成半导体层65。接下来，通过旋涂形成PVP栅极绝缘层63。最后，通过真空蒸发形成栅极62。在每个源极64、漏极66和栅极66上都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从下表1中所给出的晶体管1号至11号一同测量的结果可清楚看出，场效应晶体管6号刚生产出来时所表现的载流子迁移率为0.1cm2/Vs，ON/OFF电流比为7×105。场效应晶体管6号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为8×102。因此，可以理解顶栅型场效应晶体管同样具有改进的耐氧和耐水性能。
(对比例2)出于比较的目的，以与实施例7相同的方式并在相同的条件下生产场效应晶体管7号，以使该场效应晶体管7号具有与实施例7的场效应晶体管相同的构造，除了如图14中所示，栅极62的大小与源极64的外面部分相同。如表1所示，晶体管7号刚生产出来时所表现出的载流子迁移率为0.09cm2/Vs，ON/OFF电流比为6×105。晶体管7号在增湿测试仪中放置后的ON/OF比太小，以致不能测到。考虑其中的原因为，在具有图14中所示结构的晶体管中，氧气等到达半导体层所需穿过的距离比具有图5A结构的晶体管所需的更短。即，由于氧气或水更容易进入半导体层，半导体层会被氧气或水掺杂并发生化学降解，结果导致晶体管特性降低。
(实施例7)以下参考图5A和5C来描述本实施例中制备的场效应晶体管31号-36号。以与实施例6相同的方式，生产其中如图5A所示栅极62完全覆盖半导体层65上表面的顶栅型场效应晶体管。绝缘层63的厚度(d)为500nm，第一电极(栅极)62延伸超出半导体层65外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝100。在栅极绝缘层63上形成的源极64、漏极66和半导体层65的俯视图应该如图5C所示漏极66位于半导体层65的中央部分，半导体层65沟道区域的大部分侧面部分被源极64所包围。表3显示ON/OFF比如何随着开口率而变化，所述开口率是指半导体层沟道区域中没有被源极64所包围部分的比例。在晶体管31号-36号中，开口率在0％-50％的范围内变化。在此应指出，术语“开口率”指沟道区域外表面的开口面积与整个外表面面积之比。也就是说，当开口率为0％时，半导体层沟道区域的整个侧面部分被源极所包围。
如表3中所示，具有各种开口率的场效应晶体管刚生产出来时所表现的载流子迁移率为0.06-0.1cm2/Vs，ON/OFF电流比为至少1×105。然后将这些场效应晶体管放置在增湿测试仪中，直到ON/OFF之比变为小于1×102，其间测得的流逝时间即为场效应晶体管的寿命。结果，如图11中所示，在开口率超过约30％之前，寿命随着开口率的增大单调降低。然而，可以发现在开口率超过约40％后，寿命急剧下降。如在述及实施例3的晶体管时所描述的，考虑其寿命下降的原因如下即，当开口率增大到接近约30％时，由于更多的氧气随着半导体层上开口面积的增大而进入到半导体层，从而发生半导体层的降解。当开口率达到40％或更大时，因为伴随电极区域减少而产生的电荷集中引起半导体化学降解快速发生，因此半导体寿命急剧下降。然而，其中原因目前还不完全清楚。
从这些结果可看出，考虑到晶体管使用时的稳定性，优选半导体层沟道区域的侧面部分被源极包围，以使开口率在不引起寿命急剧下降的范围内，即不超过40％。
(实施例8)以下参考图6A和6B来描述本实施例中制备的场效应晶体管8号。图6A所示为侧栅型场效应晶体管的结构，其中，在基底71上形成源极74和绝缘层77，在其上面形成栅极72、栅极绝缘层73和半导体层75，漏极76又进一步在其上面形成以完全覆盖半导体层75的上表面。漏极76通过另一个绝缘层77完全覆盖栅极72的内周边。此外，从俯视图上看，在绝缘层77及源极74上的栅极72、栅极绝缘层73和半导体层75应该如图6B中所示半导体层75沟道区域的整个侧面部分被栅极72通过栅极绝缘层73所包围。绝缘层77的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)76延伸超出半导体层75外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
在场效应晶体管8号的生产中，用玻璃基底作为基底71，用金形成源极74、漏极76和栅极72，用光敏聚酰亚胺形成栅极绝缘层73和绝缘层67，用并五苯形成半导体层75。
首先，用洗涤过的玻璃基底作为基底71。通过旋涂将光敏聚酰亚胺涂覆至基底71，并在将要形成源极74的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成一个绝缘层77。接下来，通过真空蒸发形成源极74和栅极72。然后，通过旋涂涂覆光敏聚酰亚胺，并在将要形成半导体层75的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成另一个绝缘层77和栅极绝缘层73。最后，通过蒸发形成半导体层75，随后通过真空蒸发形成漏极76。半导体层75的厚度设为100nm。在每个源极74、漏极76和栅极72上都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从表1可清楚看出，场效应晶体管8号刚生产出来时所表现出的载流子迁移率为0.05cm2/Vs，ON/OFF电流比为4×104。场效应晶体管8号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为1×102。因此，可以知道侧栅型场效应晶体管同样具有改进的耐氧和耐水性能。
(对比例3)出于比较的目的，在与实施例8相同的条件下生产场效应晶体管，除了如图15所示的结构，绝缘层87的厚度(d)设为100nm，第一电极(漏极)86延伸超出半导体层85外围的长度(L)设为0.1μm，这样，L和d的关系为L/d＝1。
晶体管9号刚生产出来时所表现的载流子迁移率为0.02cm2/Vs，ON/OFF电流比为2×104。晶体管9号在增湿测试仪中放置后的ON/OF比太小，以致不能测到。考虑其中的原因为，在具有图15中所示结构的晶体管中，氧气等比在具有图6A结构的晶体管经历更短的距离就可到达半导体层。即，由于氧气或水更容易进入半导体层，半导体层会被氧气或水掺杂并发生化学降解，结果导致晶体管特性降低。
(实施例9)以下参考图7A来描述本实施例中制备的场效应晶体管10号。图7A所示为侧栅型场效应晶体管的结构，其中，源极94在基底91上形成，栅极92、栅极绝缘层93和半导体层95在其上形成，且漏极96又在其上形成，以使源极94和漏极96完全覆盖半导体层95的上表面和下表面。此处注意，漏极96和源极94或直接地或通过绝缘层97完全地覆盖半导体层95的上表面和下表面。此外，从俯视图上看，在绝缘层97及源极94上的栅极92、栅极绝缘层93和半导体层95应该如图7B所示半导体层95沟道区域的大部分侧面部分通过栅极绝缘层93被栅极92所包围。绝缘层97的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)96延伸超出半导体层95的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
在场效应晶体管10号的生产中，用1mm厚的聚酰亚胺树脂基底作为基底91，用金形成源极94、漏极96和栅极92，用光敏聚酰亚胺形成栅极绝缘层93和绝缘层97，用并五苯形成半导体层95。
首先，用洗涤过的树脂基底作为基底91，通过真空蒸发在基底91上形成源极94。然后，通过旋涂涂覆光敏聚酰亚胺，并在将要形成半导体层95的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成了一个绝缘层97。接着通过真空蒸发沉积金形成栅极92。随后，通过旋涂涂覆光敏聚酰亚胺，并在将要形成半导体层95的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此形成栅极绝缘层93和另一个绝缘层97。最后，通过蒸发形成半导体层95，随后通过真空蒸发形成漏极96。半导体层95的厚度设为150nm。在每个源极94、漏极96和栅极92上都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从表1可清楚看出，场效应晶体管10号刚生产出来时所表现出的载流子迁移率为0.03cm2/Vs，ON/OFF电流比为2×104。场效应晶体管10号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为9×102。因此可以知道，在使用树脂制造的基底时，场效应晶体管具有改进的耐氧和耐水性能。
(实施例10)以下参考图7A和7B来描述本实施例中制备的场效应晶体管41号-46号。图7A所示的侧栅型场效应晶体管具有与实施例9所述的相同的结构。此处注意，电绝缘层97及源极94上形成的栅极92、栅极绝缘层93和半导体层95的俯视图应当如图7B所示半导体层95沟道区域的大部分侧面部分通过栅极绝缘层93被栅极92所包围。表3显示ON/OFF比如何随着开口率而变化，所述开口率是指半导体层中不被栅极92所包围部分的比例。在晶体管41号-46号中，开口率在0％-50％的范围内变化。在此应注意，术语“开口率”指半导体层沟道区域外侧表面的开口面积与整个外表面面积之比。也就是说当开口率为0％时，半导体层沟道区域的整个侧面部分被栅极通过栅极绝缘层所包围。绝缘层97的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)96延伸超出半导体层95外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
如表4中所示，具有各种开口率的场效应晶体管刚生产出来后所表现出的载流子迁移率为0.02-0.03cm2/Vs，ON/OFF电流比至少为5×103。然后将这些场效应晶体管放置在增湿测试仪中，直到ON/OFF比变为小于1×102，其间测得的流逝时间即为场效应晶体管的寿命。结果，如图12中所示，在开口率超过约30％之前，寿命随着开口率的增大单调降低。然而，可以发现在开口率超过约40％后，寿命急剧下降。如在述及实施例3的晶体管时所描述的，当开口率增大到接近约30％时，晶体管特性下降的主要原因是由于半导体层开口面积增大，半导体层被氧等掺杂。然而，当开口率达到40％或更大时，因为伴随电极区域减少而产生的电荷集中引起半导体层的化学降解快速发生，因此发生半导体寿命急剧下降。
从这些结果可看出，考虑到晶体管使用时的稳定性，优选半导体层沟道区域的侧表面被源极包围，以使开口率在不引起寿命急剧下降的范围内，即不超过40％。
(实施例11)以下参考图8A和8B来描述本实施例中制备的场效应晶体管11号。图8A所示为侧栅型场效应晶体管的结构，其中，源极104和绝缘层107在基底101上形成，其上形成栅极102、栅极绝缘层103和半导体层105，且漏极106又在其上形成，以使源极104和漏极106完全覆盖半导体层105的上表面和下表面。从俯视图上看，在绝缘层107及源极104上形成的栅极102、栅极绝缘层103和半导体层105应该如图8B中所示半导体层105沟道区域的整个侧面部分被栅极102通过栅极绝缘层103所包围。绝缘层107的厚度(d)为50nm，第一电极(漏极)106延伸超出半导体层105外围的长度(L)为50μm。因此，L和d的关系为L/d＝1000。
在场效应晶体管的生产中，用1mm厚的聚酰亚胺树脂基底作为基底101，用金形成源极104、漏极106和栅极102，用光敏聚酰亚胺形成栅极绝缘层103和绝缘层107，用并五苯形成半导体层105。
首先，用洗涤过的树脂基底作为基底101。通过旋涂将光敏聚酰亚胺涂覆至基底101，并在将要形成源极104的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此形成一个绝缘层107。接着，通过真空蒸发形成源极104和栅极102。然后，通过旋涂涂覆光敏聚酰亚胺，并在将要形成半导体层105的部分通过光辐照除去光敏聚酰亚胺。由此而形成另一绝缘层107和栅极绝缘层103。最后，通过蒸发形成半导体层105，随后通过真空蒸发形成漏极106。半导体层105的厚度设为100nm。在每个源极104、漏极106和栅极102上都使用银膏来连接直径为0.1mm的银线。以与实施例1相同的方式对由此得到的晶体管的寿命进行评价。
从表1可清楚看出，场效应晶体管11号刚生产出来时所表现的载流子迁移率为0.05cm2/Vs，ON/OFF电流比为3×104。场效应晶体管11号在增湿测试仪中放置后的ON/OFF比为4×102。从这些结果可以知道，不管栅极、栅极绝缘层和半导体层的形状如何，所述场效应晶体管都具有改进的耐氧和耐水性能。
(实施例12)图9所示为本发明的有源矩阵液晶显示器件。首先，通过溅射和光刻在玻璃基底111a上形成ITO栅极112和像素电极118。接着，以实施例1所述的方式形成场效应晶体管。在此注意，使用金作为源极114和漏极116的材料。接下来，在将作为与液晶元件相对的基底、含ITO透明电极119的玻璃基底111b上涂覆定向膜120。然后，对配置有所述晶体管的基底111b和基底111a进行摩擦处理。最后，通过小珠(bead)将这对基底111a和111彼此结合上，使用真空注射器注入液晶并进行密封。这样，就得到了液晶显示器件。
进行发光试验(lighting test)来评价由此得到的液晶显示器件的显示特征。结果发现，液晶显示器件表现出的漏电压为8V，像素部分的对比率为120，因此具有优秀的显示性能。此外，为评价液晶显示器件的寿命，在增湿测试仪中将液晶显示器件放置七天后再进行发光试验。结果，液晶显示器件表现出的对比率为115，因此可作为显示器件使用。
(实施例13)在具有实施例1所描述结构的场效应晶体管中，改变第一电极(漏极)16延伸超出半导体层15外围的长度(L)，而绝缘层17的厚度(d)保持在50nm。对于具有表5中所示L/d值的晶体管，测量刚生产出来时所表现出的载流子迁移率和ON/OFF电流比。然后，在增湿测试仪中将其放置七天后测量其ON/OFF电流比。
(实施例14)图16所示为本实施例的有源矩阵有机EL显示器件。首先，在塑料基底161上用金形成源极164、漏极166、栅极162和像素电极170，用PVP形成栅极绝缘层163，用光敏聚酰亚胺形成绝缘层167，用并五苯形成半导体层165。由此而生产出顶栅型晶体管。然后，通过蒸发沉积出200nm的三苯二胺衍生物/羟基喹啉铝络合物形成有机EL层168，然后，通过蒸发沉积出50nm的氧化铟锡形成表面电极169。由此生产出EL显示器件。
进行发光试验来评价有机EL显示器件。结果发现，有机EL显示器件即使在增湿测试仪中放置七天后仍能发光。
本发明的场效应晶体管的优势在于，由于它具有高度的耐氧和耐水性能，因此虽然它使用有机半导体层，但仍具有长的寿命。相应地，本发明的场效应晶体管适合作为晶体管而应用于使用有机晶体管驱动像素的有源矩阵显示器。
权利要求
1.一种场效应晶体管，其包括包含有机物质的半导体层；第一电极；第二电极；和第三电极，其中所述第一电极配置在所述半导体层的上方，所述第二电极配置在所述半导体层的下方，所述第三电极则配置在所述半导体层的侧方，所述半导体层与选自第一电极、第二电极和第三电极的两个电极电连接，并且所述第一电极位于半导体层的上方，以便延伸超出所述半导体层的外围。
2.权利要求1的场效应晶体管，其进一步包括在所述第一电极和所述第三电极之间插入的绝缘层，其中，L为第一电极延伸超出半导体层外围的长度，d为绝缘层的厚度，且满足L≥10d。
3.权利要求2的场效应晶体管，其中L和d满足L≥50d。
4.权利要求1的场效应晶体管，其中表示所述半导体层侧面部分中未被第三电极包围的部分与整个侧面部分之比的开口率为不低于0％且不高于40％。
5.权利要求1的场效应晶体管，其中所述第一电极为漏极/源极，并与所述半导体层电连接，所述第二电极为栅极，且所述第三电极为源极/漏极，并与所述半导体层电连接。
6.权利要求1的场效应晶体管，其中所述第一电极为栅极，所述第二电极为漏极/源极，并与所述半导体层电连接，且所述第三电极为源极/漏极，并与所述半导体层电连接。
7.权利要求1的场效应晶体管，其中所述第一电极为源极和漏极中的一个，所述第二电极为另一个，第一电极和第二电极与所述半导体层电连接，且所述第三电极为栅极。
8.一种显示器件，其包括图像显示部分；和采用权利要求1至7之一的场效应晶体管的像素电极。
9.权利要求8的显示器件，其中所述图像显示部分为液晶显示器件或有机电致发光显示器件。
全文摘要
本发明提供了一种场效应晶体管，该场效应晶体管包括包含有机物质的半导体层(15)，以及至少电路上互不接触的第一电极(16)、第二电极(12)和第三电极(14)。第一电极(16)配置在半导体层(15)的上面，第二电极(12)配置在半导体层(15)的下面，第三电极(14)则配置在半导体层(15)的侧面。半导体层(15)与选自第一电极(16)、第二电极(12)和第三电极(14)的两个电极电连接，而电绝缘层(13、17)插入在电极(12、14、16)之间。第一电极(16)位于半导体层(15)的上方以便延伸超出半导体层(15)的外围。通过这样构造，有可能提供一种场效应晶体管以及使用这种场效应晶体管的显示器件，该场效应晶体管具有高度的耐氧和耐水性能，因此即使其中使用有机半导体，仍具有长的寿命。
文档编号H01L21/02GK1788355SQ200580000408
公开日2006年6月14日 申请日期2005年1月12日 优先权日2004年1月15日
发明者原田健史, 竹内孝之, 七井识成, 小森一德 申请人:松下电器产业株式会社