专利名称：有机半导体元件的接面结构及有机晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，特别涉及一种有机半导体元件及其制造方法。
背景技术：
由于有机半导体元件(organic semiconductor device)可以制作在软性塑料或薄金属基板上，因此其具有重量轻、成本低、可挠性(flexibility)等优点与特性。其中，有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor，OTFT)已受到许多先进国家的学界及工业研究上的重视。
有机薄膜晶体管制作技术中，晶体管的源极/漏极等电极的材质通常是使用金属，例如金、钯或铂等，这些金属所形成的电极与有机半导体的接面通常是萧特基接面(Schottky contact)，因此具有较大的接面电阻。为解决有机薄膜晶体管接面电阻较大的问题，有多种方法被提出。例如在有机半导体与金属电极的接面进行掺杂(dope)就是其中的一种方法。然而，有机半导体经掺杂后，其稳定度通常会降低。此外，另一方法是有机半导体与金属电极的接面之间形成高载流子密度的缓冲层，此缓冲层的费米能级(Fermi Level)介于有机半导体与金属电极之间，以降低电荷由电极注入有机半导体的能障(energy barrier)，然而，此种方法会造成有机薄膜晶体管的开/关比(on-off ratio)的降低。
专利号为US 6,335,539 B1及US 6,569,707 B2的美国专利提出以长炼硫醇(thiol)有机物，在金属电极上形成自组式单层分子薄膜(self-assembledmonolayer)以降低有机薄膜晶体管的接面电阻。然而，此种方法仅适用于少数几种金属材料所形成的电极上。除此之外，上述自组式单层分子薄膜是以浸泡的方式形成于金属电极上，因此这种方法会受到有机薄膜晶体管的几何结构形态的限制。
发明内容
本发明的目的就是提供一种有机半导体元件的接面结构，以解决公知的有机半导体组件的接面电阻较大的问题。
本发明的另一目的就是提供一种有机薄膜晶体管，以解决公知的有机薄膜晶体管的接面电阻较大的问题。
本发明的再一目的就是提供一种有机薄膜晶体管的制造方法，以解决公知技术的应用范围受限的问题。
为达到上述的目的，本发明提出一种有机半导体元件的接面结构，其包括有机半导体层、导电层以及修饰层，其中修饰层设置于有机半导体层及导电层之间，此修饰层的材质包含无机物或有机络合物。
本发明之一实施例所述的有机半导体元件的接面结构，其中有机半导体层的材质包含半导体有机分子、半导体高分子或寡聚物。
本发明之一实施例所述的有机半导体元件的接面结构，其中导电层的材质包含金属、金属氧化物或导电高分子。
本发明之一实施例所述的有机半导体元件的接面结构，其中无机物包含LiF、CsF、LiO2、LiBO2、K2SiO3、Cs2CO3或Al2O3。
本发明之一实施例所述的有机半导体元件的接面结构，其中有机络合物包含CH3COOLi、CH3COONa、CH3COOK、CH3COORb、CH3COOCs或酞菁铜(copper phthalocyanine，CuPC)。
本发明之一实施例所述的有机半导体元件的接面结构，其中无机物包含氧化钼(MoO3)、氧化钒(V2O5)或是氧化钨(WO3)。
本发明之一实施例所述的有机半导体元件的接面结构，其中无机物包含锗(Ge)。
本发明还提出一种有机薄膜晶体管，其包括栅极、源极/漏极、介电层、有机半导体层以及至少一个修饰层。其中栅极与源极/漏极电绝缘，而介电层设置于栅极与源极/漏极之间，并且有机半导体层位于源极/漏极之间，此外，修饰层设置于有机半导体层与源极/漏极之间，此修饰层的材质包含无机物或有机络合物。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中栅极的材质包含金属、金属氧化物、导电高分子或经掺杂的硅材料。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中源极/漏极的材质包含金属、金属氧化物、导电高分子或经掺杂的硅材料。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中介电层的材质包含SiO2、Si3N4、TiO2、LaO2、Al2O3、聚酰亚胺(polyimide)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚酰胺(polyamide)或聚对二甲苯(parylene)。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中有机半导体层的材质包含半导体有机分子、半导体高分子或寡聚物。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中无机物包含LiF、CsF、LiO2、LiBO2、K2SiO3、Cs2CO3或Al2O3。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中有机络合物具有RM的形式，R为有机物，M为金属元素。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中有机络合物包含CH3COOLi、CH3COONa、CH3COOK、CH3COORb、CH3COOCs或酞菁铜(copper phthalocyanine，CuPC)。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中无机物包含氧化钼(MoO3)、氧化钒(V2O5)或是氧化钨(WO3)。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中无机物包含锗(Ge)。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中栅极位于源极/漏极下方。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，其中栅极位于源极/漏极上方。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管，还包含第二栅极，第二栅极位于源极/漏极下方。
本发明还提出一种有机薄膜晶体管的制造方法，此方法包括形成栅极、介电层、有机半导体层以及源极/漏极，其特征是在有机半导体层与源极/漏极之间形成修饰层，其中修饰层的材质包含无机物或有机络合物。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中形成修饰层的方法包括利用荫罩(shadow mask)进行沉积工艺，或利用旋转涂布工艺、喷墨工艺或网版印刷工艺。
本发明之一实施例所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其中形成修饰层的方法包括进行沉积工艺再配合光刻工艺以及蚀刻工艺。
本发明的有机半导体元件的接面结构，在有机半导体层与导电层之间有一个修饰层，此修饰层的材质是无机物或有机络合物，因此可以降低有机半导体组件的接面电阻。
本发明的有机薄膜晶体管及其制造方法，采用无机物或有机络合物作为修饰层，因此可以应用于不同材料所构成的有机薄膜晶体管。
本发明的有机薄膜晶体管及其制造方法，其修饰层可以利用荫罩进行沉积工艺，或利用旋转涂布工艺、喷墨工艺、网版印刷工艺形成，或利用光刻工艺以及蚀刻工艺形成，因此可应用于各种几何结构形态的有机薄膜晶体管。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1为本发明的有机半导体元件的接面结构示意图。
图2为本发明的有机薄膜晶体管的结构示意图。
图3至图7为本发明的有机薄膜晶体管其它形态的结构示意图。
主要元件标记说明10a、10b、10c、10d、10e、10f有机薄膜晶体管
12基板20、20a栅极30、30a介电层40有机半导体层42第一区域44第二区域50、50a源极51、51a漏极55导电层60、60a修饰层具体实施方式
有机半导体元件的接面结构图1为本发明的有机半导体元件的接面结构示意图。请参照图1，有机半导体元件的接面结构包括有机半导体层40、导电层55以及修饰层60。此半导体元件例如是金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，MOS)结构元件、金属-绝缘体-半导体(metal-insulator-semiconductor，MIS)结构元件、薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)结构元件或有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor，OTFT)结构元件。在本实施例，有机半导体层40的材质例如是半导体有机分子、半导体高分子或寡聚物。上述半导体有机分子例如是并四苯(tetracene)、并五苯(pentacene)或酞菁(phthalocyanine)。上述半导体高分子例如是聚噻吩(polythiophene)、聚芴(polyfluorene)、聚亚苯基(polyphenylenevinylene)或其衍生物，此衍生物例如是聚(3-辛基)噻吩(poly(3-octyl)thiophene)、聚二辛基芴(poly(dioctylfluorene))或聚[2-甲氧基-5-(2’-乙基-己氧基)-1，4-]二苯乙烯(poly[2-methoxy-5-(2′-ethyl-hexyloxy)-1，4-phenylene vinylene])。上述寡聚物例如是α-六噻吩(α-sexithiophene)。
请继续参照图1，导电层55的材质例如是金属、金属氧化物或导电高分子。上述金属例如是铝、钛、镍、铜、金或铬。上述金属氧化物例如是铟锡氧化物或铟锌氧化物。上述导电高分子例如是聚二氧乙基噻吩和聚对苯乙烯磺酸的混合物(3，4-polyethylenedioxythiophenepolystyrenesulfonate，PEDOTPSS)或聚苯胺(polyaniline)。
为了降低导电层55与有机半导体层40的接面电阻，因此有机半导体层40及导电层55之间设置一个修饰层60。具体而言，修饰层60的材质例如是无机物或有机络合物，此无机物例如是氟化锂(LiF)、氟化铯(CsF)、氧化锂(LiO2)、氧化硼锂(LiBO2)、氧化硅钾(K2SiO3)、碳酸铯(Cs2CO3)或氧化铝(Al2O3)等无机盐类。依据本发明的另一实施例，无机物还可以是透明金属氧化物，其例如是氧化钼(MoO3)、氧化钒(V2O5)或是氧化钨(WO3)。依据本发明的又一实施例，无机物还可以是金属锗(Ge)。另一方面，上述有机络合物的型式例如是RM，其中R为有机物，M为金属。具体而言，R例如是醋酸根(CH3COO-)，金属例如是锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)或铯(Cs)。而有机错合物的材质例如是醋酸锂(CH3COOLi)、醋酸钠(CH3COONa)、醋酸钾(CH3COOK)、醋酸铷(CH3COORb)或醋酸铯(CH3COOCs)或酞菁铜(copper phthalocyanine，CuPC)。
通过增加修饰层60，可增进载流子(电子或空穴)从导电层55注入有机半导体层40的效率，进而降低导电层55与有机半导体层40的接面电阻。
有机薄膜晶体管图2为本发明的有机薄膜晶体管的结构示意图。请参照图2，有机薄膜晶体管10a包括栅极20、源极50与漏极51、介电层30、有机半导体层40以及至少一个修饰层60。此有机薄膜晶体管10a的几何结构形态是所谓的底部栅极型式，因此栅极20是位于源极50与漏极51下方。其中，介电层30设置于栅极20与源极50和漏极51之间，使栅极20与源极50和漏极51电绝缘，并且有机半导体层40位于源极50和漏极51之间，以形成半导体通道。此外，修饰层60设置于有机半导体层40与源极50和漏极51之间，以降低源极50和漏极51与有机半导体层40折接面电阻。值得注意的是，于本实施例中，此修饰层60的材质例如是无机物或有机络合物。
在一般情形下，有机薄膜晶体管10a形成于基板12之上，因此其制造过程首先是提供基板12，此基板12的材质例如是玻璃、含铝水晶(sapphire)、半导体或高分子塑料。上述半导体例如是硅化锗(SiGe)或p型、n型经掺杂的硅材质。上述高分子塑料例如是聚对苯二甲酸乙二醇脂(polyethylene teraphthalate，PET)或聚碳酸酯(polycarbonate，PC)。
请继续参照图2，接着，于基板12之上形成栅极20，此栅极20的材质例如是金属、金属氧化物(例如是铟锡氧化物、铟锌氧化物)、导电高分子或掺杂的硅材质。其中，上述金属例如是铝、钛、镍、铜、金或铬。上述导电高分子例如是聚二氧乙基塞吩和聚对苯乙烯磺酸的混合物(3，4-polyethylenedioxythiophene-polystyrenesulfonate，PEDOTPSS)或聚苯胺(polyaniline)。接着，在基板12与门极20之上形成介电层30，此介电层30的材质例如是氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化钛(TiO2)、氧化镧(LaO2)、氧化铝(Al2O3)、聚酰亚胺(polyimide)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚酰胺(polyamide)或聚对二甲苯(parylene)。随后，形成有机半导体层40于介电层30之上，此有机半导体层40的材质例如是半导体有机分子、半导体高分子或寡聚物。上述半导体有机分子例如是并四苯(tetracene)、并五苯(pentacene)或酞菁(phthalocyanine)。上述半导体高分子例如是聚噻吩(polythiophene)、聚芴(polyfluorene)、聚亚苯基(polyphenylenevinylene)或其衍生物，此衍生物例如是聚(3-辛基)噻吩(poly(3-octyl)thiophene)、聚二辛基芴(poly(dioctylfluorene))或聚[2-甲氧基-5-(2’-乙基-己氧基)-1，4-]二苯乙烯(poly[2-methoxy-5-(2′-ethyl-hexyloxy)-1，4-phenylene vinylene])。上述寡聚物例如是α-六噻吩(α-sexithiophene)。
请继续参照图2，接着，形成修饰层60于有机半导体层40之上。此步骤可利用荫罩(shadow mask)进行沉积工艺，以形成覆盖于第一区域42及第二区域44的修饰层60，接着，再以相同的荫罩于第一区域42及第二区域44之上形成源极50与漏极51。如此，修饰层60形成于有机半导体层40与源极50和漏极51之间，因此可增进载流子(电子或空穴)从源极50与漏极51注入有机半导体层40的效率，进而降低源极50和漏极51与有机半导体层40的接面电阻。另外，值得一提的是，亦可先进行沉积工艺再搭配光刻工艺以及蚀刻工艺形成覆盖于第一区域42及第二区域44的修饰层60，再于修饰层60之上形成源极50与漏极51，其中形成源极50与漏极51时所使用的光刻掩膜与形成修饰层60时所使用的光刻掩膜可用同一个光刻掩膜。而上述的沉积工艺可以是物理气相沉积工艺或是化学气相沉积工艺。当然，上述的修饰层60也可以利用旋转涂布工艺、喷墨工艺或网版印刷工艺而形成。于本实施例，修饰层60的材质例如是无机物或有机络合物，此无机物例如是LiF、CsF、LiO2、LiBO2、K2SiO3、Cs2CO3或Al2O3等无机盐类。依据本发明的另一实施例，上述的无机物还可以是透明金属氧化物，其例如是氧化钼(MoO3)、氧化钒(V2O5)或是氧化钨(WO3)。依据本发明的又一实施例，无机物还可以是金属锗(Ge)。另一方面，有机络合物的型式例如是RM，其中R为有机物，M为金属。具体而言，此有机络合物的材质例如是CH3COOLi、CH3COONa、CH3COOK、CH3COORb、CH3COOCs或酞菁铜(copper phthalocyanine，CuPC)。另外，源极50与漏极51的材质例如是金属、金属氧化物(例如是铟锡氧化物、铟锌氧化物)、导电高分子或掺杂的硅材质。
值得注意的是，第一区域42与第二区域44的修饰层60可采用不同的材质，例如第一区域42的修饰层60采用LiF，而第二区域44的修饰层60采用CsF。除此之外，也可形成多个修饰层60于有机半导体层40与源极50和漏极51之间，以获得更佳的效果。另外，若是采用透明金属氧化物作为修饰层60的材料，且有机薄膜晶体管的栅极、源极与漏极是采用透明电极材料，将可以制出具有高透明度的薄膜晶体管元件。倘若将透明薄膜晶体管元件应用于显示器(例如是液晶显示器或是有机电致发光显示器)上，将可以大幅度提高显示器的开口率。另外，若使用锗(Ge)为其修饰层60的材料，因锗的功函数为5eV，其与有机半导体材料并五苯(pentacene)的功函数(4.8～5.1eV)相当接近，若采用上述两种材料分别作为修饰层以即有机半导体层的材质时，将可以因为两者功函数接近而形成奥姆接触点(ohmic contact)。
本发明的有机薄膜晶体管并不限于上述形式。图3至图7为本发明的有机薄膜晶体管其它形态的结构示意图。由于本发明的修饰层60可利用荫罩进行沉积工艺形成，或利用旋转涂布工艺、喷墨工艺或网版印刷工艺而形成，或利用光刻工艺以及蚀刻工艺形成，因此可应用于下列形态的有机薄膜晶体管。
请参照图3，有机薄膜晶体管10b形成于基板12上，其包括栅极20、源极50与漏极51、介电层30、有机半导体层40以及至少一个修饰层60。此有机薄膜晶体管10b的几何结构形态也是底部栅极型式，因此栅极20位于源极50与漏极51下方。与上述实施例不同的是，有机半导体层40与修饰层60位于源极50与漏极51上方。
请参照图4，此有机薄膜晶体管10c的几何结构形态也是底部栅极型式，因此栅极20位于源极50与漏极51下方。与上述实施例不同的是，源极50与漏极51电极并非全部位于同一平面之上。如此，使得有机半导体层40形成垂直通道(vertical channel)。
请参照图5，有机薄膜晶体管10d形成于基板12上，其包括栅极20、源极50与漏极51、介电层30、有机半导体层40以及至少一个修饰层60。此有机薄膜晶体管10d的几何结构形态是所谓顶部栅极型式，因此栅极20位于源极50与漏极51上方。
请参照图6，有机薄膜晶体管10e形成于基板12上，其包括闸极20、第一源极50与第一漏极51、第一介电层30、有机半导体层40、第二介电层30a、第二源极50a与第二漏极51a、至少一个第一修饰层60以及至少一个第二修饰层60a。此有机薄膜晶体管10e的几何结构形态也是顶部栅极型式，因此栅极20是位于第一源极50与第一汲极51以及第一源极50a与第二漏极51a上方。与上述实施例不同的是，由于第一与第二源极50、50a与第一与第二漏极51、51a电极并非全部位在同一平面之上。如此，使得有机半导体层40形成垂直通道。
请参照图7，有机薄膜晶体管10f形成于基板12上，其包括第一栅极20、源极50与栅极51、第一介电层30、有机半导体层40、第二介电层30a、至少一个修饰层60以及第二栅极20a。此有机薄膜晶体管10f的几何结构形态是双栅极型式。其中第一栅极20位于源极50与漏极51上方，第二栅极20a位于源极50与漏极51下方。
本发明因采用无机物或有机络合物作为修饰层，因此可以降低有机半导体元件的接面电阻，并且可以应用于不同材料的有机半导体元件。
由于本发明的修饰层可利用荫罩进行沉积工艺，或利用旋转涂布工艺、喷墨工艺、网版印刷工艺形成，或利用光刻工艺以及蚀刻工艺形成，因此可应用于各种几何结构形态的有机薄膜晶体管。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种有机半导体元件的接面结构，其特征是包括有机半导体层；导电层；以及修饰层，设置于有机半导体层及导电层之间，修饰层的材质包含无机物或有机络合物。
2.根据权利要求1所述的有机半导体元件的接面结构，其特征是该有机半导体层的材质包含半导体有机分子、半导体高分子或寡聚物。
3.根据权利要求1所述的有机半导体元件的接面结构，其特征是该导电层的材质包含金属、金属氧化物或导电高分子。
4.根据权利要求1所述的有机半导体元件的接面结构，其特征是该无机物包含LiF、CsF、LiO2、LiBO2、K2SiO3、Cs2CO3或Al2O3。
5.根据权利要求1所述的有机半导体元件的接面结构，其特征是该有机络合物包含CH3COOLi、CH3COONa、CH3COOK、CH3COORb、CH3COOCs或酞菁铜。
6.根据权利要求1所述的有机半导体元件的接面结构，其特征是该无机物包含氧化钼、氧化钒或是氧化钨。
7.根据权利要求1所述的有机半导体元件的接面结构，其特征是该无机物包含锗。
8.一种有机薄膜晶体管，其特征是包括栅极以及源极/漏极，该栅极会与该源极/漏极电绝缘；介电层，设置于该栅极与该源极/漏极之间；有机半导体层，位于该源极/漏极之间；至少一个修饰层，设置于该有机半导体层与源极/漏极之间，修饰层的材质包含无机物或有机络合物。
9.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该栅极的材质包含金属、金属氧化物、导电高分子或经掺杂的硅材料。
10.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该源极/漏极的材质包含金属、金属氧化物或导电高分子或经掺杂的硅材料。
11.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该介电层的材质包含SiO2、Si3N4、TiO2、LaO2、Al2O3、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺或聚对二甲苯。
12.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该有机半导体层的材质包含半导体有机分子、半导体高分子或寡聚物。
13.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该无机物包含LiF、CsF、LiO2、LiBO2、K2SiO3、Cs2CO3或Al2O3。
14.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该有机络合物具有RM之形式，R为有机物，M为金属元素。
15.根据权利要求14所述的有机薄膜晶体管，其特征是该有机络合物包含CH3COOLi、CH3COONa、CH3COOK、CH3COORb、CH3COOCs或酞菁铜。
16.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该无机物包含氧化钼、氧化钒或是氧化钨。
17.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该无机物包含锗。
18.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该栅极位于该源极/漏极下方。
19.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管，其特征是该栅极位于该源极/漏极上方。
20.根据权利要求19所述的有机薄膜晶体管，其特征是还包含第二栅极，该第二栅极位于该源极/漏极下方。
21.一种有机薄膜晶体管的制造方法，该方法包括形成栅极、介电层、有机半导体层以及源极/漏极，其特征是在该有机半导体层与该源极/漏极之间形成修饰层，其中该修饰层的材质包含无机物或有机络合物。
22.根据权利要求21所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其特征是形成该修饰层的方法包括利用荫罩进行沉积工艺或利用旋转涂布工艺、喷墨工艺或网版印刷工艺。
23.根据权利要求21所述的有机薄膜晶体管的制造方法，其特征是形成该修饰层的方法包括进行沉积工艺、光刻工艺以及蚀刻工艺。
全文摘要
一种有机半导体元件的接面结构，此接面结构是在有机半导体层与导电层之间设置一个修饰层，此修饰层的材质是无机物或有机络合物，用以降低有机半导体元件的接面电阻。此外，本发明披露一种有机薄膜晶体管及其制造方法，此有机薄膜晶体管包括栅极、介电层、有机半导体层以及源极/漏极。有机半导体层与源极/漏极之间形成修饰层，用以降低有机薄膜晶体管的接面电阻，此修饰层的材质包含无机物或有机络合物。此修饰层可应用于各种几何结构形态及不同材料所构成的有机薄膜晶体管。
文档编号H01L51/40GK101055918SQ20061010355
公开日2007年10月17日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年11月11日
发明者陈方中, 庄乔舜, 陈东贤, 龚立仁, 林永升, 吴泉毅 申请人:中华映管股份有限公司