有源元件及其制作方法与流程

本发明是有关于一种半导体元件及其制作方法，且特别是有关于一种有源元件及其制作方法。

背景技术：

目前有机半导体薄膜应用于有机晶体管元件时，会利用薄膜结晶的方式来增加载子迁移率。然而，若无法控制薄膜结晶结构的结晶方向，则所形成的膜层将出现均匀性不佳的问题。一般来说，使用有机溶液的溶液制程所形成的薄膜结晶，大都是大范围无方向性的结晶成长，因此后续需再通过退火制程来提升薄膜的特性。也就是说，这种方式并无法有效控制薄膜结晶结构的结晶方向。

技术实现要素：

本发明提供一种有源元件及其制作方法，该有源元件其具有结晶均匀性较佳的膜层。

本发明还提供一种有源元件的制作方法，用以制作上述的有源元件。

本发明的有源元件，其配置于基板上，且包括栅极、有机主动层、栅绝缘层、多个结晶诱发结构、源极与漏极。栅绝缘层配置于栅极与有机主动层之间。结晶诱发结构分布于有机主动层中，其中结晶诱发结构直接接触基板或栅绝缘层。源极与漏极配置于有机主动层的相对两侧，其中有机主动层的一部分暴露于源极与漏极之间。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构彼此分离且包括多个点状凸起或多个条状凸起。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构呈阵列排列或分散排列。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构的形状与尺寸相同或不同。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构为多个彼此分离的纳米金 属结构或多条且部分重叠的氧化银纳米线。

在本发明的一实施例中，上述的任两相邻的结晶诱发结构相隔一间距，且间距介于100纳米至10微米之间。

在本发明的一实施例中，上述的有源元件还包括：多个自组装单分子薄膜，分别位于结晶诱发结构与有机主动层之间。

在本发明的一实施例中，上述的自组装单分子薄膜的材质包括五氟苯硫酚(pentafluorobenzene thiol)、2-巯基乙醇(C₂H₆OS)、磷酸正十八酯(octadecylphosphonic acid,OPA)或具有硫醇基(SH)或磷酸根的分子。

在本发明的一实施例中，上述的有机主动层位于栅极与基板之间，而源极与漏极位于栅绝缘层与基板之间。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构的密度分布在邻近源极与漏极处小于在有机主动层暴露于源极与漏极之间的部分。

本发明的有源元件的制作方法，其包括以下制程步骤。形成栅极于基板上。形成栅绝缘层于基板上，其中栅绝缘层覆盖栅极。形成多个结晶诱发结构于栅绝缘层上，其中结晶诱发结构直接接触栅绝缘层。涂布有机半导体材料于栅绝缘层上，其中结晶诱发结构诱发有机半导体材料形成结晶，而定义出有机主动层。形成源极与漏极于有机主动层上，其中源极与漏极暴露出有机主动层的一部分。

在本发明的一实施例中，上述的形成结晶诱发结构的方法包括纳米压印法、旋转涂布法、刮刀涂布法、接触式涂布法、喷墨式涂布法或网印涂布法等。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构诱发有机半导体材料，以使有机半导体材料由结晶诱发结构处结晶成长，而形成具有至少一晶粒边界的有机主动层。

在本发明的一实施例中，上述的有源元件的制作方法，还包括：在涂布有机半导体材料于栅绝缘层上之前，进行酸化或电浆处理程序以氧化结晶诱发结构，其中结晶诱发结构为多条且部分重叠的银纳米线。

在本发明的一实施例中，上述的有源元件的制作方法，还包括：在涂布有机半导体材料于栅绝缘层上之前，形成多个自组装单分子薄膜粒子于结晶诱发结构上；以及在涂布有机半导体材料于栅绝缘层上之后，结晶诱发结构 与有机主动层之间形成多个自组装单分子薄膜。

在本发明的一实施例中，上述的自组装单分子薄膜的材质包括五氟苯硫酚(pentafluorobenzene thiol)、2-巯基乙醇(C₂H₆OS)、磷酸正十八酯(octadecylphosphonic acid,OPA)或具有硫醇基(SH)或磷酸根的分子。

本发明的有源元件的制作方法，其包括以下制程步骤。形成源极与漏极于基板上，其中源极与漏极暴露出基板的一部分。形成多个结晶诱发结构于源极、漏极以及源极与漏极所暴露出的基板的部分上，其中结晶诱发结构直接接触基板的部分、源极以及漏极。涂布有机半导体材料于源极、漏极以及源极与漏极所暴露出的基板的部分上，其中结晶诱发结构诱发有机半导体材料形成结晶，而定义出有机主动层，且有机主动层覆盖源极、漏极以及源极与漏极所暴露出基板的部分。形成栅绝缘层于基板上，其中栅绝缘层覆盖有机主动层、源极与漏极。形成栅极于栅绝缘层上。

在本发明的一实施例中，上述的形成结晶诱发结构的方法包括纳米压印法、旋转涂布法、刮刀涂布法、接触式涂布法、喷墨式涂布法或网印涂布法等。

在本发明的一实施例中，上述的结晶诱发结构诱发有机半导体材料，以使有机半导体材料由结晶诱发结构处结晶成长，而形成具有至少一晶粒边界的有机主动层。

在本发明的一实施例中，上述的有源元件的制作方法，还包括：于涂布有机半导体材料于源极、漏极以及源极与漏极所暴露出的基板的部分上之前，形成多个自组装单分子薄膜粒子于结晶诱发结构上；以及于涂布有机半导体材料于源极、漏极以及源极与漏极所暴露出的基板的部分上之后，结晶诱发结构与有机主动层之间形成多个自组装单分子薄膜。

在本发明的一实施例中，上述的自组装单分子薄膜的材质包括五氟苯硫酚(pentafluorobenzene thiol)、2-巯基乙醇(C₂H₆OS)、磷酸正十八酯(octadecylphosphonic acid,OPA)或具有硫醇基(SH)或磷酸根的分子。

基于上述，由于本发明是通过结晶诱发结构诱发有机半导体材料形成结晶，其中有机半导体材料会优先选择由结晶诱发结构处结晶成长，而形成薄膜均匀性较佳且结晶性较好的有机主动层。因此，本发明的有源元件可具有结晶均匀性较佳的膜层。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出本发明的一实施例的一种有源元件的立体示意图；

图2A(a)至图2D示出本发明的一实施例的一种有源元件的制作方法的立体示意图；

图3示出本发明的另一实施例的一种有源元件的剖面示意图；

图4A至图4E示出本发明的另一实施例的一种有源元件的制作方法的立体示意图。

附图标记说明：

10：基板；

100a、100a’、100g、100h：有源元件；

110a、110g、110h：栅极；

120a、120g、120h：栅绝缘层；

130：有机半导体材料；

130a、130g、130h：有机主动层；

140a、140b、140c、140d、140e、140f、140g、140h、140h’：结晶诱发结构；

150a、150g、150h：源极；

160a、160g、160h：漏极；

170：自组装单分子薄膜粒子；

170a、170g、170h：自组装单分子薄膜；

B：晶粒边界；

D：间距。

具体实施方式

图1示出本发明的一实施例的一种有源元件的立体示意图。请参考图1，在本实施例中，有源元件100a配置于基板10上且包括栅极110a、栅绝缘层120a、有机主动层130a、多个结晶诱发结构140a、源极150a与漏极160a。 栅绝缘层120a配置于栅极110a与有机主动层130a之间。结晶诱发结构140a分布于有机主动层130a中，其中结晶诱发结构140a直接接触栅绝缘层120a且彼此分离。源极150a与漏极160a配置于有机主动层130a的相对两侧，其中有机主动层130a的一部分暴露于源极150a与漏极160a之间。

详细来说，本实施例的有源元件100a配置于基板10上，其中栅极110a配置于基板10上且直接接触基板10。栅绝缘层120a覆盖栅极110a与部分基板10，且结晶诱发结构140a直接接触栅绝缘层120a，其中结晶诱发结构140a具体化呈阵列排列于栅绝缘层120a上，但并不以此为限。如图1所示，本实施例的结晶诱发结构140a例如是多个点状凸起(如圆柱状)，其中这些结晶诱发结构140a的形状与尺寸实质上相同。也就是说，这些结构诱发结构140a的结构形状完全相同，且其尺寸大小也完全相同，但并不以此为限。较佳的，这些结晶诱发结构140a实质上为多个纳米金属结构，其中每一纳米金属结构的直径例如是5纳米至300纳米。此外，任两相邻的结晶诱发结构140a相隔一间距D，较佳的，间距D介于100纳米至10微米之间。有机主动层130a覆盖结晶诱发结构140a，以使结晶诱发结构140a分布于有机主动层130a中。源极150a与漏极160a直接接触有机主动层130a且暴露出部分有机主动层130a。

如图1所示，由栅极110a、栅绝缘层120a、有机主动层130a、结晶诱发结构140a、源极150a以及漏极160a所构成的有源元件100a实质上为底栅极薄膜晶体管(Bottom gate TFT)。也就是说，本实施例的有源元件100a具体化为晶体管，但并不以此为限。在其他未示出的实施例中，有源元件也可为感测元件或太阳能电池。此外。需说明的是，由于本实施例的结晶诱发结构140a彼此分离，因此源极150a与漏极160a之间不可能通过结晶诱发结构140a来导通。换句话说，结晶诱发结构140a的设置并不干涉有源元件100a的电性布局。

以下配合图2A至图2D对本发明的有源元件100a’的制作方法进行详细的说明。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，关于省略了相同技术内容的部分说明可参考前述实施例，下述实施例中不再重复赘述。

图2A(a)至图2D示出本发明的一实施例的一种有源元件的制作方法的立 体示意图。依照本实施例的薄膜晶体管结构的制作方法，首先，请参考图2A(a)，形成栅极110a于基板10上，其中基板10的材质例如为玻璃、塑胶或其他合适的材料。

接着，形成栅绝缘层120a于基板10上，其中栅绝缘层120a覆盖栅极110a。此处，栅绝缘层120a的材质例如是硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、铝氧化物、铪氧化物或锡锑氧化物等使用于栅极绝缘层的材料。

接着，形成多个结晶诱发结构140a于栅绝缘层120a上，其中结晶诱发结构140a直接接触栅绝缘层120a且彼此分离。在本实施例中，形成结晶诱发结构140a的方法例如是纳米压印法、旋转涂布法、刮刀涂布法、接触式涂布法、喷墨式涂布法或网印涂布法等。如图2A(a)所示，结晶诱发结构140a具体化呈阵列排列于栅绝缘层120a上，其中这些结晶诱发结构140a例如是多个点状凸起(如圆柱状)，且这些结晶诱发结构140a的形状与尺寸实质上相同。较佳的，这些结晶诱发结构140a实质上为多个纳米金属结构，其中每一纳米金属结构的直径例如是5纳米至300纳米。此外，任两相邻的结晶诱发结构140a相隔一间距D，较佳的，间距D介于100纳米至10微米之间。

需说明的是，本发明并不以上述的结晶诱发结构140a的结构形态及排列方式为限。如图2A(b)所示，结晶诱发结构140b也可呈阵列排列分散排列；或者是，如图2A(c)所示，结晶诱发结构140c的密度分布在栅绝缘层120a的中间呈现密度较低，而栅绝缘层120a的两边呈现密度高的状态，意即，结晶诱发结构140c的密度分布在邻近源极150a与漏极160a处大于在有机主动层130a暴露于源极150a与漏极160a之间的部分(请参考图1或图2D)，其目的在于靠近电极所形成的晶粒较小，能抑制高电场效应；或者是，如图2A(d)所示，结晶诱发结构140d的形状相同但尺寸不完全相同，例如可以是位在栅绝缘层120a中央的结晶诱发结构140d的尺寸大于在栅绝缘层120a两边的结晶诱发结构140d的尺寸，但结晶诱发结构140d的形状皆相同，其目的在于可防止源极与漏极间导电漏电问题；当然，在其他未示出的实施例中，结晶诱发结构的形状可不同但其尺寸相同；或者是，结晶诱发结构的形状可不同且其尺寸也不同；或者是，如图2A(e)所示，结晶诱发结构140e例如是多个条状凸起，其目的在于可诱发长条状晶粒，增加载子在长边长方向迁移率，以其增大导通电流；或者是，如图2A(f)所示，结晶诱发结构140f例如是多 个条状凸起且呈一倾斜角，例如45度角，等间距排列于栅绝缘层120a上，其目的在于可避免条状结晶晶界(grain boundary)造成的漏电。上述皆仍属于本发明可采用的技术方案，不脱离本发明所欲保护的范围。

接着，请参考图2B，为了增加结晶诱发结构140a的表面能，可选择性的形成多个自组装单分子薄膜粒子170于结晶诱发结构140a上。

之后，请参考图2C，涂布有机半导体材料130于栅绝缘层120a上，其中结晶诱发结构140a诱发有机半导体材料130形成结晶，而定义出有机主动层130a。特别是，本实施例的结晶诱发结构140a可诱发有机半导体材料130，以使有机半导体材料130由结晶诱发结构140a处结晶成长，而形成具有至少一晶粒边界B的有机主动层130a。若已有选择性的形成自组装单分子薄膜粒子170于结晶诱发结构140a上，则结晶诱发结构140a与有机主动层130a之间形成多个自组装单分子薄膜170a。此处，自组装单分子薄膜170a具有改变结晶诱发结构140a的表面能量(surface energy)的特性，因此可有效改善结晶时有机主动层130a中分子的排列方式，进而可有效控制有机主动层130a的结晶结构，以形成薄膜均匀度好且结晶性佳的膜层。此外，本实施例的有机半导体材料130例如是5,11-双(三乙基甲硅烷基乙炔基)双噻吩蒽(DiF-TESADT)或6,13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)五环素(TIPS-pentacene)等具可溶解性有机半导体材料，而自组装单分子薄膜170a的材质例如是五氟苯硫酚(pentafluorobenzene thiol)、2-巯基乙醇(C₂H₆OS)、磷酸正十八酯(octadecylphosphonic acid,OPA)或具有硫醇基(SH)或磷酸根的分子。

最后，请参考图2D，形成源极150a与漏极160a于有机主动层130a上，其中源极150a与漏极160a暴露出有机主动层130a的一部分。此处，源极150a与漏极160a的材质例如是金属，且源极150a与漏极160a所采用的金属可与栅极110a所采用的金属相同或不同，在此并不加以限制。至此，已完成有源元件100a’的制作。

图3示出本发明的另一实施例的一种有源元件的剖面示意图。请参考图3，本实施例的有源元件100g与图1的有源元件100a相似，但二者主要差异之处在于：本实施例的有源元件100g具体化为顶栅极式晶体管(Top gate TFT)，其中有机主动层130g位于栅绝缘层120g与基板10之间，而源极150g与漏极160g位于栅绝缘层120g与基板10之间。

详细来说，在制程上，首先，形成源极150g与漏极160g于基板10上，其中源极150g与漏极160g暴露出基板10的一部分。接着，形成结晶诱发结构140g于源极150g、漏极160g以及源极150g与漏极160g所暴露出的基板10的部分上，其中结晶诱发结构140g直接接触基板10的部分、源极150g以及漏极160g且彼此分离。之后，涂布有机半导体材料130于源极150g、漏极160g以及源极150g与漏极160g所暴露出的基板10的部分上，其中结晶诱发结构140g诱发有机半导体材料130形成结晶，而定义出有机主动层130g，且有机主动层130g覆盖源极150g、漏极160g以及源极150g与漏极160g所暴露出基板10的部分。形成栅绝缘层120g于基板10上，其中栅绝缘层120g覆盖有机主动层130、源极150g与漏极160g。形成栅极110g于栅绝缘层120g上。至此，已完成有源元件100g的制作。

需说明的是，本实施例的有源元件100g是以没有设置自组装单分子薄膜170a做为举例说明。当然，本实施例的有源元件100g也可同上述有源元件100a’的制作方法，可在涂布有机半导体材料130于源极150g、漏极160g以及源极150g与漏极160g所暴露出的基板10的部分上之前，选择性地形成多个自组装单分子薄膜粒子170(请参考图2B)于结晶诱发结构140g上；且在涂布有机半导体材料130于源极150g、漏极160g以及源极150g与漏极160g所暴露出的基板10的部分上之后，结晶诱发结构140g与有机主动层130g之间形成多个自组装单分子薄膜170a(请参考图2C)。上述仍属于本发明可采用的技术方案，不脱离本发明所欲保护的范围。

图4A至图4E示出本发明的另一实施例的一种有源元件的制作方法的立体示意图。本实施例的有源元件的制作方法与上述图2A(a)至图2D中的有源元件的制作方法相似，惟二者主要差异之处在于：请参考图4A，依序形成栅极110h、栅绝缘层120h以及结晶诱发结构140h于基板10上，其中栅绝缘层120h覆盖栅极110h，而结晶诱发结构140h直接接触栅绝缘层120h。此处，栅极110h的材质例如是硅，而栅绝缘层120h的材质例如是氮化硅或氧化硅，且结晶诱发结构140h具体化为多条且部分重叠的银纳米导线。

接着，请参考图4B，进行酸化程序或电浆处理程序以氧化结晶诱发结构140h，而形成结晶诱发结构140h’。

接着，请参考图4C，为了增加结晶诱发结构140h的表面能，可选择性 的形成多个自组装单分子薄膜粒子170于结晶诱发结构140h上。

之后，请参考图4D，涂布有机半导体材料(未示出)于栅绝缘层120h上，其中结晶诱发结构140h诱发有机半导体材料形成结晶，而定义出有机主动层130h。若已有选择性的形成自组装单分子薄膜粒子170于结晶诱发结构140h上，则结晶诱发结构140h与有机主动层130h之间形成多个自组装单分子薄膜170h。此处，自组装单分子薄膜170h具有改变结晶诱发结构140h的表面能量(surface energy)的特性，因此可有效改善结晶时有机主动层130h中分子的排列方式，进而可有效控制有机主动层130h的结晶结构，以形成薄膜均匀度好且结晶性佳的膜层。此外，本实施例的自组装单分子薄膜170a的材质例如是五氟苯硫酚(pentafluorobenzene thiol)、2-巯基乙醇(C₂H₆OS)、磷酸正十八酯(octadecylphosphonic acid,OPA)或具有硫醇基(SH)或磷酸根的分子。

最后，请参考图4E，形成源极150h与漏极160h于有机主动层130h上，其中源极150h与漏极160h暴露出有机主动层130h的一部分。此处，源极150h与漏极160h的材质例如是金属。至此，已完成有源元件100h的制作。

综上所述，由于本发明是通过结晶诱发结构诱发有机半导体材料形成结晶，其中有机半导体材料会优先选择由结晶诱发结构处结晶成长，而形成薄膜均匀性较佳且结晶性较好的有机主动层。因此，本发明的有源元件可具有结晶均匀性较佳的膜层。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。