一种低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法，该低操作电压有机场效应晶体管包括：衬底，具有电极引线；金属栅电极，在衬底上沉积和图案化低电阻的金属而形成，与衬底的电极引线导通；栅介质层，形成于金属栅电极之上，包括等离子体氧化层及单分子自组装材料层，其中等离子体氧化层覆盖于栅电极的表面及侧面，单分子自组装材料层形成于等离子体氧化层之上；有机半导体材料层，形成于栅介质层之上；以及图形化的源电极和漏电极，通过掩膜版形成于有机半导体材料层之上，并覆盖于有机半导体材料层和栅介质层的侧面及露出的衬底表面之上。利用本发明，降低了有机场效应晶体管的工作电压，实现了低功耗低操作电压的有机场效应晶体管。
【专利说明】一种低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法，属于微电子制造及 有机场效应晶体管【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 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在技术和成本方面难于满足这些要求，因此可以实现这些特性的基 于有机半导体材料的微电子技术在这一趋势下得到了人们越来越多的关注。
[0003] 有机场效应晶体管作为有机电路的基础元器件，其性能对电路的性能起着决定性 的作用。一般而言，有机场效应晶体管的操作电压高达几十伏特甚至上百伏特，限制了它们 走向实际应用的可能性。低操作电压的有机场效应晶体管是实现低操作电压有机集成电路 的必要元件。
【发明内容】
[0004](一）要解决的技术问题
[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低操作电压有机场效应晶体管及其制 备方法，以降低有机场效应晶体管的工作电压，实现低功耗低操作电压（小于3V)的有机场 效应晶体管。
[0006](二）技术方案
[0007] 为达到上述目的，本发明提供了一种低操作电压有机场效应晶体管，包括：衬底， 具有电极引线；金属栅电极，在衬底上沉积和图案化低电阻的金属而形成，与衬底的电极引 线导通；栅介质层，形成于金属栅电极之上，包括等离子体氧化层及单分子自组装材料层， 其中等离子体氧化层覆盖于栅电极的表面及侧面，单分子自组装材料层形成于等离子体氧 化层之上；有机半导体材料层，形成于栅介质层之上；以及图形化的源电极和漏电极，通过 掩膜版形成于有机半导体材料层之上，并覆盖于有机半导体材料层和栅介质层的侧面及露 出的衬底表面之上。
[0008]上述方案中，所述衬底采用的材料为硅片、塑料薄膜或玻璃。
[0009]上述方案中，所述金属栅电极采用的金属材料是铝、钛或镍，在被氧化后能形成绝 缘性能的氧化层；金属栅电极层的厚度为23nm?30nm。
[0010] 上述方案中，所述栅介质层中，等离子体氧化层的厚度为2nm?4nm，单分子自组 装材料层的厚度为2nm?3nm，单分子自组装材料层是具有在等离子体氧化层表面自组装 能力的材料，包括烷基膦酸（OPA)或烷基硅氧烷（OTS)，修饰方法为溶液浸泡法或气相沉积 法。
[0011] 上述方案中，所述有机半导体材料层采用P型半导体材料、N型半导体材料、PN双 层或混合半导体材料，厚度为25nm?50nm。
[0012] 上述方案中，所述有机半导体材料层采用具有场效应性能的半导体材料，包括高 分子聚合物，有机小分子及相关的混合体系，其成膜方式采用打印、真空沉积、滴膜或LB方 式。
[0013] 上述方案中，所述图形化的源电极和漏电极，至少由以下低电阻材料形成：W、A1、 Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni,或者导电金属化合物TiN、TaN、Ir02、ITO或 ΙΖ0,厚度为40nm?80nm，沟道长度为2微米?100微米。
[0014] 为达到上述目的，本发明还提供了一种低操作电压有机场效应晶体管的制备方 法，包括：选择衬底；在衬底上沉积和图案化低电阻的金属，形成金属栅电极；在金属栅电 极上依次制备等离子体氧化层和单分子自组装材料层，形成栅介质层，其中等离子体氧化 层覆盖于栅电极的表面及侧面，单分子自组装材料层形成于等离子体氧化层之上；在栅介 质层上制备有机半导体材料层；以及在有机半导体材料层上通过掩膜版制备图形化的源电 极和漏电极，该图形化的源电极和漏电极覆盖于有机半导体材料层和栅介质层的侧面及露 出的衬底表面之上。
[0015] 上述方案中，所述衬底采用的材料为硅片、塑料薄膜或玻璃，用异丙醇，丙酮超声 清洗，去离子水冲洗，并经氮气吹干或干燥箱烘干。
[0016] 上述方案中，所述金属栅电极米用的金属材料是错、钛或镍，厚度为23nm?30nm， 金属栅电极的沉积是通过电子束蒸发、溅射或热蒸发来实现的，金属栅电极的图案化是通 过掩膜版或光刻方法实现的。
[0017] 上述方案中，所述栅介质层的制备，是采用等离子体氧化的方式在金属栅电极表 面制备一层金属氧化薄膜作为等离子体氧化层，然后浸入单分子的溶液，通过静置的方式 在等离子体氧化层上制备单分子自组装材料层，或者通过气相沉积的方式在等离子体氧化 层表面制备单分子自组装材料层。
[0018] 上述方案中，所述采用等离子体氧化的方式制备等离子体氧化层，等离子体为氧 等离子体，氮气或者氩气为辅助气体，氧化时间及功率为：300瓦3分钟，或150瓦5分钟。
[0019] 上述方案中，所述在栅介质层上制备有机半导体材料层，采用有机半导体材料成 膜的方式实现，成膜方式采用打印、真空沉积、滴膜或LB方式。
[0020] 上述方案中，所述在有机半导体材料层上通过掩膜版制备图形化的源电极和漏电 极，是通过电子束蒸发、溅射或热蒸发方法来沉积金属，并通过掩膜版形成图形化的源电极 和漏电极。
[0021] (三）有益效果
[0022] 从上述技术方案可以看出，本发明有具有以下特点和优点：
[0023] 1、本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法，绝缘层的厚度在 4nm?6nm，漏电流在10-11的量级，这样可以做到和柔性衬底的结合，降低了有机场效应晶 体管的工作电压，制备的有机场效应晶体管可以在3V或3V以下的电压下正常工作，实现低 功耗低操作电压的有机场效应晶体管。
[0024] 2、本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法，栅介质层的获取是 通过栅电极的原位氧化得到的，这种方法简化了器件制备的工艺，在器件集成时，避免了有 机集成电路中的过孔制备这一难点。
[0025] 3、本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管及其制备方法，制备的有机场效应 晶体管可以在3V的电压下正常工作，可用于实现低功耗低操作电压有机集成电路的集成， 实现低操作电压全柔性的有机集成电路，拓展了有机场效应晶体管的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 为了进一步说明本发明的内容，以下结合附图及实施实例，对本发明做详细的描 述，
[0027] 图1是依照本发明实施例的低操作电压有机场效应晶体管的示意图；
[0028] 图2是图1中低操作电压有机场效应晶体管的有机半导体材料层采用的有机半导 体材料的结构分子式；
[0029] 图3是依照本发明实施例的制备低操作电压有机场效应晶体管的方法流程图。
[0030] 图4是基于P型半导体材料DNTT的低操作电压有机场效应晶体管的转移和输出 曲线；
[0031] 图5是基于N型半导体材料TOI-8CN2的低操作电压有机场效应晶体管的转移和 输出曲线；
[0032] 图6-1至图6-5是依照本发明实施例的制备低操作电压有机场效应晶体管的工艺 流程图。
【具体实施方式】
[0033] 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。
[0034] 如图1所示，图1是本发明提供的低操作电压有机场效应晶体管的示意图，该低操 作电压有机场效应晶体管包括衬底1、金属栅电极2、栅介质层、有机半导体材料层5、以及 图形化的源电极6和漏电极7,其中：衬底1具有电极引线，需要说明的是，由于该电极引线 在图1中与漏电极重合，故在图1中没有标示出该电极引线；金属栅电极2是在衬底1上沉 积和图案化低电阻的金属而形成，与衬底1的电极引线导通；栅介质层形成于金属栅电极2 之上，包括等离子体氧化层3及单分子自组装材料层4,其中等离子体氧化层3覆盖于栅电 极2的表面及侧面，单分子自组装材料层4形成于等离子体氧化层3之上；有机半导体材料 层5形成于栅介质层之上；图形化的源电极6和漏电极7是通过掩膜版形成于有机半导体 材料层5之上，并覆盖于有机半导体材料层5和栅介质层的侧面及露出的衬底1表面之上。
[0035]图1中，衬底1采用的材料为硅片、塑料薄膜或玻璃等。金属栅电极2采用的金 属材料是铝、钛或镍等，其在被氧化后能形成绝缘性能的氧化层；金属栅电极层2的厚度为 23nm?30nm。栅介质层中，等离子体氧化层3的厚度为2nm?4nm，单分子自组装材料层4 的厚度为2nm?3nm，单分子自组装材料层4是具有在等离子体氧化层表面自组装能力的材 料，包括烷基膦酸（OPA)或烷基硅氧烷（OTS)，修饰方法为溶液浸泡法或气相沉积法等。
[0036] 有机半导体材料层5采用P型半导体材料、N型半导体材料、PN双层或混合半导体 材料，厚度为25nm?50nm。或者，有机半导体材料层5采用具有场效应性能的半导体材料， 包括高分子聚合物，有机小分子及相关的混合体系等，图2是图1中低操作电压有机场效应 晶体管的有机半导体材料层采用的有机半导体材料的结构分子式，其中，图2 (a)是P型半 导体材料DNTT，图2 (b)是N型半导体材料TOI-8CN2。其成膜方式采用打印、真空沉积、滴 膜或LB方式等。
[0037] 图形化的源电极6和漏电极7,至少由以下低电阻材料形成：W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、 Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、Ir或Ni,或者导电金属化合物TiN、TaN、Ir02、ITO或ΙΖ0,厚度为 40nm?80nm，沟道长度为2微米?100微米。
[0038] 基于图1所示的低操作电压有机场效应晶体管的示意图，图3示出了依照本发明 实施例的制备低操作电压有机场效应晶体管的方法流程图，该方法包括以下步骤：
[0039] 步骤301:选择衬底；
[0040]步骤302 :在衬底上沉积和图案化低电阻的金属，形成金属栅电极；
[0041]步骤303 :在金属栅电极上依次制备等离子体氧化层和单分子自组装材料层，形 成栅介质层，其中等离子体氧化层覆盖于栅电极的表面及侧面，单分子自组装材料层形成 于等离子体氧化层之上；
[0042]步骤304 :在栅介质层上制备有机半导体材料层；
[0043] 步骤305 :在有机半导体材料层上通过掩膜版制备图形化的源电极和漏电极，该 图形化的源电极和漏电极覆盖于有机半导体材料层和栅介质层的侧面及露出的衬底表面 之上。
[0044] 在本发明一个优选实施例中，步骤301中所述衬底采用的材料为硅片、塑料薄膜 或玻璃，用异丙醇，丙酮超声清洗，去离子水冲洗，并经氮气吹干或干燥箱烘干。
[0045] 在本发明一个优选实施例中，步骤302中所述金属栅电极采用的金属材料是铝、 钛或镍等，厚度为23nm?30nm，金属栅电极的沉积是通过电子束蒸发、溅射或热蒸发来实 现的，金属栅电极的图案化是通过掩膜版或光刻方法实现的。
[0046] 在本发明一个优选实施例中，步骤303中所述栅介质层的制备，是采用等离子体 氧化的方式在金属栅电极表面制备一层金属氧化薄膜作为等离子体氧化层，然后浸入单分 子的溶液，通过静置的方式在等离子体氧化层上制备单分子自组装材料层，或者通过气相 沉积的方式在等离子体氧化层表面制备单分子自组装材料层。优选地，采用等离子体氧化 的方式制备等离子体氧化层，等离子体为氧等离子体，氮气或者氩气为辅助气体，氧化时间 及功率为：300瓦3分钟，或150瓦5分钟，利用氧等离子体对金属栅电极进行轰击，在金属 栅电极表面及侧面形成氧化层然后，将经过等离子体轰击的栅电极进入单分子的溶液中浸 泡16个小时，或者在真空烘箱的环境下对栅介质的表面进行单分子层的自组织修饰，在等 离子体氧化层之上形成单分子自组装材料层。
[0047] 在本发明一个优选实施例中，步骤304中所述在栅介质层上制备有机半导体材料 层，采用有机半导体材料成膜的方式实现，成膜方式采用打印、真空沉积、滴膜或LB方式。
[0048] 在本发明一个优选实施例中，步骤305中所述在有机半导体材料层上通过掩膜版 制备图形化的源电极和漏电极，是通过电子束蒸发、溅射或热蒸发方法来沉积金属，并通过 掩膜版形成图形化的源电极和漏电极。
[0049]实施1
[0050] 如图1为本发明低操作电压有机场效应晶体管的结构示意图：自下而上依次为衬 底1、金属栅电极2、等离子体氧化层3、单分子自组装材料层4、有机半导体材料层5、以及图 形化的源电极6和漏电极7。其中绝缘衬底为表面长有300nm的氧化娃的娃片，金属栅电极 为铝，等离子体氧化层3为通过等离子体氧化而形成的氧化铝薄膜，单分子自组装材料层4 为十八烷基膦酸，有机半导体材料层5为P型的DNTT，源漏电极为50nm厚的金。
[0051] 该实施例的制备方法如下：
[0052] 步骤1，如图6-1所示，在绝缘衬底上蒸镀一层金属铝（25nm)，其中金属铝的蒸发 速度为丨0A/S通过掩膜板的方式进行铝层的图案化。
[0053] 步骤2,如图6-2所示，用氧等离子体对金属栅电极进行轰击，在其表面形成一层 氧化层。其中等离子体轰击时间为3分钟，功率为300瓦。
[0054] 步骤3,如图6-3所示，把经过等离子体轰击的栅电极进入十八烷基膦酸的5mM溶 液中浸泡16个小时，
[0055] 步骤4,如图6-4所示，利用真空沉积的方式有机半导体沉积30nm厚的P型有机半 导体材料DNTT，蒸发速度为3A/S。
[0056] 步骤5,如图6-5所示，通过热蒸发制备50nm的金作为源漏电极，蒸发速度为 5 A/S，通过掩膜板对源漏电极进行图案化。
[0057] 图4 (a)和图4 (b)示出了基于P型半导体材料DNTT的低操作电压有机场效应晶 体管的转移和输出曲线。可以看出器件在-2. 5V的低电压下正常工作，器件的开态电流在 KT5A,关态电流在KT11A,图4 (a)器件的测试条件为：栅极电压为0?-2. 5V，步进为-0· 5V， 源漏电压为扫描模式，步进为〇. 02V。图4(b)器件的测试条件为：源漏电压保持在-3V，栅 压为IV?-2. 5V扫描模式，步进为0. 02V。
[0058] 实施例2
[0059] 按实施例1的制备，唯一不同的是有机半导体材料层为N型的半导体材料 PDI-8CN2。图5(a)和图5(b)示出了基于N型半导体材料HH-8CN2的低操作电压有机场 效应晶体管的转移和输出曲线。可以看出器件在2V的低电压下正常工作，器件的开态电流 在KT6A,关态电流在KT11A,图5(a)器件的测试条件为：栅极电压为0?2V，步进为0. 5V， 源漏电压为扫描模式，步进为〇. 02V。图5(b)器件的测试条件为：源漏电压保持在-2V，栅 压为-IV?2V扫描模式，步进为0. 02V。
[0060] 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已，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. 一种低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，包括： 衬底，具有电极引线； 金属栅电极，在衬底上沉积和图案化低电阻的金属而形成，与衬底的电极引线导通； 栅介质层，形成于金属栅电极之上，包括等离子体氧化层及单分子自组装材料层，其中 等离子体氧化层覆盖于栅电极的表面及侧面，单分子自组装材料层形成于等离子体氧化层 之上； 有机半导体材料层，形成于栅介质层之上；以及 图形化的源电极和漏电极，通过掩膜版形成于有机半导体材料层之上，并覆盖于有机 半导体材料层和栅介质层的侧面及露出的衬底表面之上。
2. 根据权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，所述衬底采用 的材料为硅片、塑料薄膜或玻璃。
3. 根据权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，所述金属栅电 极采用的金属材料是铝、钛或镍，在被氧化后能形成绝缘性能的氧化层；金属栅电极层的厚 度为23nm?30nm。
4. 根据权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层 中，等离子体氧化层的厚度为2nm?4nm，单分子自组装材料层的厚度为2nm?3nm，单分子 自组装材料层是具有在等离子体氧化层表面自组装能力的材料，包括烷基膦酸（OPA)或烷 基硅氧烷（OTS)，修饰方法为溶液浸泡法或气相沉积法。
5. 根据权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，所述有机半导 体材料层采用P型半导体材料、N型半导体材料、PN双层或混合半导体材料，厚度为25nm? 50nm〇
6. 根据权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，所述有机半导 体材料层采用具有场效应性能的半导体材料，包括高分子聚合物，有机小分子及相关的混 合体系，其成膜方式采用打印、真空沉积、滴膜或LB方式。
7. 根据权利要求1所述的低操作电压有机场效应晶体管，其特征在于，所述图形化的 源电极和漏电极，至少由以下低电阻材料形成：W、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ru、Ti、Ta、Pb、Co、Mo、 Ir或Ni，或者导电金属化合物TiN、TaN、Ir02、ITO或IZO,厚度为40nm?80nm，沟道长度为 2微米?100微米。
8. -种低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括： 选择衬底； 在衬底上沉积和图案化低电阻的金属，形成金属栅电极； 在金属栅电极上依次制备等离子体氧化层和单分子自组装材料层，形成栅介质层，其 中等离子体氧化层覆盖于栅电极的表面及侧面，单分子自组装材料层形成于等离子体氧化 层之上； 在栅介质层上制备有机半导体材料层；以及 在有机半导体材料层上通过掩膜版制备图形化的源电极和漏电极，该图形化的源电极 和漏电极覆盖于有机半导体材料层和栅介质层的侧面及露出的衬底表面之上。
9. 根据权利要求8所述的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所 述衬底采用的材料为硅片、塑料薄膜或玻璃，用异丙醇，丙酮超声清洗，去离子水冲洗，并经 氮气吹干或干燥箱烘干。
10. 根据权利要求8所述的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所 述金属栅电极采用的金属材料是铝、钛或镍，厚度为23nm?30nm，金属栅电极的沉积是通 过电子束蒸发、溅射或热蒸发来实现的，金属栅电极的图案化是通过掩膜版或光刻方法实 现的。
11. 根据权利要求8所述的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所 述栅介质层的制备，是采用等离子体氧化的方式在金属栅电极表面制备一层金属氧化薄膜 作为等离子体氧化层，然后浸入单分子的溶液，通过静置的方式在等离子体氧化层上制备 单分子自组装材料层，或者通过气相沉积的方式在等离子体氧化层表面制备单分子自组装 材料层。
12. 根据权利要求11所述的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于， 所述采用等离子体氧化的方式制备等离子体氧化层，等离子体为氧等离子体，氮气或者氩 气为辅助气体，氧化时间及功率为：300瓦3分钟，或150瓦5分钟。
13. 根据权利要求11所述的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于， 所述在栅介质层上制备有机半导体材料层，采用有机半导体材料成膜的方式实现，成膜方 式采用打印、真空沉积、滴膜或LB方式。
14. 根据权利要求11所述的低操作电压有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于， 所述在有机半导体材料层上通过掩膜版制备图形化的源电极和漏电极，是通过电子束蒸 发、溅射或热蒸发方法来沉积金属，并通过掩膜版形成图形化的源电极和漏电极。
【文档编号】H01L51/40GK104332559SQ201410693819
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】姬濯宇, 陆丛研, 王龙, 王伟, 刘明, 李冬梅 申请人:中国科学院微电子研究所