專利名稱：一種有機場效應晶體管及其制備方法
技術領域：
本發明屬于有機電子學領域，特別涉及一種有機場效應晶體管及其制備方法。
背景技術：
隨著信息技術的不斷深入，電子產品已經進入人們生活工作的每個環節；在日常生活中人們對低成本、柔性、低重量、便攜的電子產品的需求越來越大；傳統的基于無機半導體材料的器件和電路很難滿足這些要求，因此可以實現這些特性的基于有機聚合物半導體材料的有機微電子技術在這一趨勢下得到了人們越來越多的關注。有機場效應晶體管作為有機電路的基礎元器件，其性能對電路的性能起著決定性的作用。其中遷移率決定了器件工作的快慢，進而影響電路的工作頻率；電壓，包括工作電壓和閾值電壓，決定了器件以及電路的功耗。由于信息量爆炸式的增長，人們一直以來都希望信息處理技術能夠越來越快，能夠處理的內容越來越多。制約信息處理技術快慢的因素有很多，包括硬件方面，也包括軟件方面。單元器件的工作頻率是硬件方面根本的問題。提高器件的工作頻率主要有兩條路徑一條路是減小溝道長度，另一條路是提高載流子的遷移率。在當前材料方面沒有重大突破的情況下，載流子的遷移率提高非常有限，因此提高器件工作頻率的方法主要就是減小溝道的長度。制約信息處理技術容量的因素同樣也有很多，在硬件方面主要是電路的集成度，提高電路的集成度需要減小單元器件的面積。因此， 現有的有機場效應晶體管還存在器件工作頻率低、電路集成度低的缺陷。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種提高器件工作頻率和電路集成度的有機場效應晶體管。本發明的另一個目的在于提供一種有機場效應晶體管的制備方法。為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為
一種有機場效應晶體管，包括絕緣襯底以及在所述絕緣襯底上的源電極、介質層、柵電極、有機半導體層、絕緣層和漏電極，所述漏電極位于所述絕緣襯底上，并與所述絕緣襯底接觸；所述介質層、有機半導體層和絕緣層位于所述漏電極上，并與所述漏電極接觸；所述源電極中央設有一個圓孔，所述源電極位于所述絕緣層和有機半導體層上，并與所述絕緣層和有機半導體層接觸；所述柵電極為柱狀柵電極，位于所述晶體管中央，被所述介質層包裹住，所述介質層使所述柵電極和源電極、漏電極隔離開；所述有機半導體層為管狀有機半導體層，包裹在所述介質層周圍。上述方案中，所述源電極和漏電極均為平面金屬電極。上述方案中，所述有機半導體層的高度小于所述介質層的高度，所述介質層的高度小于所述柱狀柵電極的高度。上述方案中，所述絕緣襯底為長有氧化硅或氮化硅絕緣薄膜的硅片、絕緣玻璃或絕緣塑料薄膜。上述方案中，所述介質層和絕緣層為無機材料或有機材料。上述方案中，所述有機半導體層的材料為并五苯、酞菁銅、P3HT、噻吩或紅熒稀。
上述方案中，所述柵電極材料為金屬導電材料或導電有機物。上述方案中，所述源電極、漏電極材料為高公函數金屬材料或導電有機物。一種有機場效應晶體管的制備方法，該方法的步驟如下
(1)在絕緣襯底上制備平面的漏電極；
(2)在所述漏電極層上沉積介質層；
(3)在所述介質層上制備柱狀柵電極；
(4)在所述柱狀柵電極周圍沉積介質層，并去除柱狀區以外的介質層；
(5)在介質層周圍沉積管狀的有機半導體層，并去除柱狀區以外的有機半導體；
(6)在所述漏電極上沉積絕緣層；
(7)在所述有機半導體層和絕緣層上制備平面的源電極。上述方案中，在所述步驟(1)中，制備平面的漏電極的具體方法為采用真空熱物理沉積、電子束沉積或者濺射金屬電極；或采用噴墨打印或旋涂有機物電極。上述方案中，在所述步驟(2)中，制備介質層的具體方法為采用低壓化學氣相沉積、濺射或者原子層沉積的方法制備無機介質層；或采用旋涂或噴墨打印方法沉積有機介質層。上述方案中，在所述步驟(3)中，制備柱狀柵電極的具體方法為采用光刻技術定義其相應的刻膠圖形，再通過電子束蒸發、濺射或熱蒸發等方法來沉積金屬，最后通過金屬剝離的方法來轉移圖形，從而制備出柱狀金屬柵電極；或者采用噴墨打印技術來沉積和圖形化柱狀有機柵電極。上述方案中，在所述步驟(4)中，制備介質層的具體方法為無機介質層通過低壓化學氣相沉積、濺射或者原子層沉積的方法來沉積，使其具有很好的臺階覆蓋性，包裹在柱狀柵電極周圍，然后通過光刻和各向異性的干法刻蝕把柱狀區側壁以外的介質材料去除， 從而獲得管狀的介質層；有機介質層通過旋涂技術來沉積介質薄膜，經過退火處理后再通過光刻技術定義圖形，最后通過刻蝕技術把柱狀區以外的介質材料去除，從而獲得管狀的介質層。上述方案中，在所述步驟(5)中，制備有機半導體層的具體方法為有機半導層通過慢速的旋涂技術來制備薄膜，使其具有很好的臺階覆蓋性，包裹在介質層周圍；然后通過各向異性的干法刻蝕把柱狀區側壁以外的有機半導體材料去除，從而獲得管狀有機半導體層。上述方案中，在所述步驟(6)中，制備絕緣層的具體方法為首先通過光刻技術把柱狀區用光刻膠保護起來，然后通過低壓化學氣相沉積，濺射或者原子層沉積方法來沉積無機絕緣層，或者，通過旋涂方法來沉積有機絕緣層；然后去除柱狀區的光刻膠及多余的絕緣層。上述方案中，在所述步驟(7)中，制備平面的漏電極的具體方法為首先通過光刻技術把柱狀區用光刻膠保護起來，然后通過真空熱物理沉積、電子束沉積或者濺射技術來沉積金屬電極薄膜，或者采用噴墨打印或旋涂技術來沉積有機物電極薄膜，然后去通過剝離的方法去除柱狀柵電極區的光刻膠及多余的電極材料，完成整個晶體管的制備。與現有技術相比，本發明技術方案具有以下有益效果
本發明提出的柱狀柵電極垂直溝道有機場效應晶體管，通過把溝道由傳統的平面型改進為垂直型，從而只要通過控制有機半導體層的薄膜厚度就能夠控制晶體管的溝道長度， 避免了使用效率較低的電子束光刻技術，大幅度地降低制備短溝道有機晶體管的難度，從而減少了制備的成本。本發明能有效降低器件所占面積，提高電路的集成度。本發明還提供了柱狀柵電極垂直溝道有機場效應晶體管的制備方法，采用低溫工藝，不會對已做好的其他有機功能薄膜造成損傷，并且能夠和現有的硅微加工技術兼容。
圖1為本發明實施例提供的柱狀柵電極垂直溝道有機場效應晶體管的立體結構圖2為本發明實施例提供的柱狀柵電極垂直溝道有機場效應晶體管的剖面圖3為本發明實施例提供的制備柱狀柵電極垂直溝道有機場效應晶體管的流程圖3-1為本發明實施例在絕緣襯底上制備漏電極的示意圖3-2為本發明實施例在漏電極層上沉積介質層的示意圖3-3為本發明實施例在介質層上制備柱狀柵電極的示意圖3-4為本發明實施例沉積包裹在柵電極上的介質層的示意圖3-5為本發明實施例在介質層周圍沉積有機半導體層的示意圖3-6為本發明實施例在漏電極上沉積絕緣層的示意圖3-7為本發明實施例在絕緣層上制備源電極的示意圖4為本發明一具體實施例制備有機場效應晶體管的方法流程圖4-1 圖4-9為本發明一具體實施例制備有機場效應晶體管過程的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。參見圖1和圖2，本發明實施例提供了一種有機場效應晶體管，包括絕緣襯底101 以及在所述絕緣襯底101上的平面的漏電極102、介質層103、柵電極104、有機半導體層 105、絕緣層106和平面的源電極107 ；平面的漏電極102位于絕緣襯底101上，并與絕緣襯底101接觸；介質層103、有機半導體層105和絕緣層106位于平面的漏電極102上，并與平面的漏電極102接觸；平面的源電極107中央設有一個圓孔，所述源電極107位于絕緣層 106和有機半導體層105上，并與絕緣層106和有機半導體層105接觸；柵電極104為柱狀柵電極，位于所述晶體管中央，被介質層103包裹住，介質層103使柵電極104和平面的源電極107、平面的漏電極102隔離開；有機半導體層105為管狀有機半導體層，包裹在介質層103周圍。絕緣襯底為有氧化硅、氮化硅等絕緣薄膜的硅片、絕緣玻璃或絕緣塑料薄膜等。介質層和絕緣層的材料為無機材料時，可以是氧化硅、氮化硅、氧化鋯、氧化鋁、氧化鉭或氧化鉿等無機材料，介質層和絕緣層的材料為有機材料時，可以是聚酰亞胺(PI)、聚乙烯吡硌烷酮(PVP)、聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)或聚對二甲苯(parylene)等有機材料。有機半導體層的材料為并五苯、酞菁銅(CuPc)、P3HT、噻吩或紅熒稀等有機半導體材料。
柵電極的材料為金、鋁、鉬、銅或銀等金屬導電材料，或者是PED0T:PSS等導電有機物。源電極和漏電極的材料為金、鉬、銀等高公函數金屬材料或者PED0T:PSS等導電有機物。本發明實施例提出的有機場效應晶體管，通過把溝道由傳統的平面型改進為垂直型，從而只要通過控制有機半導體層的薄膜厚度就能夠控制晶體管的溝道長度，避免了使用效率較低的電子束光刻技術，大幅度地降低制備短溝道有機晶體管的難度，從而減少了制備的成本。本發明能有效降低器件所占面積，提高電路的集成度。參見圖3和圖3-1 圖3-7，本發明提供一種有機場效應晶體管的制備方法，該方法的步驟如下
301、在絕緣襯底上制備平面的漏電極，如圖3-1所示；
302、在漏電極層上沉積介質層，使其圖形化以便隔離柵電極和漏電極，如圖3-2所示；
303、在步驟302所述的介質層上制備柱狀柵電極，如圖3-3所示；
304、沉積介質層，使其包裹在柱狀的柵電極周圍，通過刻蝕技術去除柱狀區以外的介質層，如圖3-4所示；
305、沉積有機半導體層，使其包裹在柵介質周圍，通過刻蝕技術去除柱狀區以外的有機半導體，如圖3-5所示；
306、沉積絕緣層，如圖3-6所示；
307、制備平面的源電極，如圖3-7所示。下面詳細說明一個更優化的實施例
本實施例提供的有機場效應晶體管包括熱氧化硅絕緣襯底401，平面的Au漏電極，柱狀Au金屬柵電極，管狀SW2介質層，管狀并五苯有機半導體層，SW2絕緣層和平面的Au源電極。參見圖4，圖4是本實施例提供的有機場效應晶體管的制備方法的具體工藝流程圖；參見圖4-1 圖4-9，圖4-1 圖4-9是結合圖4的工藝步驟做出的制作流程圖，其所表述的步驟如下
501、在熱氧化生長的SW2絕緣襯底401上制備平面Au漏電極402，如圖4_1所示；
502、在漏電極層上通過電子束蒸發沉積SW2介質層403，如圖4-2所示；
503、通過光刻加刻蝕技術圖形化SW2介質層403，如圖4-3所示；
504、通過光刻技術制備柱狀柵電極的膠圖形404，如圖4-4所示；
505、電子束蒸發沉積Au薄膜，然后通過剝離技術在SW2介質層403上制備Au柵電極 405，如圖4-5所示。506、通過原子層沉積技術制備SiO2介質層406，使其包裹在柱狀的柵電極周圍，并通過刻蝕技術去除柱狀區以外的介質層，如圖4-6所示；
507、在柵介質層406上沉積有機半導體層407，使其包裹在柵介質周圍，通過刻蝕技術去除柱狀區以外的有機半導體，如圖4-7所示；
508、通過電子束蒸發二次沉積SW2絕緣層408，如圖4-8所示；
509、在絕緣層408上制備通過電子束蒸發，光刻和刻蝕技術制備平面Au源電極409，如圖4-9所示；本發明實施例提供的有機場效應晶體管的制備方法，采用低溫工藝，不會對已做好的其他有機功能薄膜造成損傷，并且能夠和現有的硅微加工技術兼容，能夠充分利用現有設備，降低新器件制備的成本。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種有機場效應晶體管，包括絕緣襯底以及在所述絕緣襯底上的源電極、介質層、 柵電極、有機半導體層、絕緣層和漏電極，其特征在于所述漏電極位于所述絕緣襯底上，并與所述絕緣襯底接觸；所述介質層、有機半導體層和絕緣層位于所述漏電極上，并與所述漏電極接觸；所述源電極中央設有一個圓孔，所述源電極位于所述絕緣層和有機半導體層上， 并與所述絕緣層和有機半導體層接觸；所述柵電極為柱狀柵電極，位于所述晶體管中央，被所述介質層包裹住，所述介質層使所述柵電極和源電極、漏電極隔離開；所述有機半導體層為管狀有機半導體層，包裹在所述介質層周圍。
2.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述源電極和漏電極均為平面金屬電極。
3.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述有機半導體層的高度小于所述介質層的高度，所述介質層的高度小于所述柱狀柵電極的高度。
4.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述絕緣襯底為長有氧化硅或氮化硅絕緣薄膜的硅片、絕緣玻璃或絕緣塑料薄膜。
5.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述介質層和絕緣層的材料為無機材料或有機材料。
6.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述有機半導體層的材料為并五苯、酞菁銅、P3HT、噻吩或紅熒稀。
7.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述柵電極的材料為金屬導電材料或導電有機物。
8.根據權利要求1所述的有機場效應晶體管，其特征在于所述源電極和漏電極的材料為高公函數金屬材料或導電有機物。
9.一種有機場效應晶體管的制備方法，其特征在于所述方法包括(1)在絕緣襯底上制備平面的漏電極；(2)在所述漏電極層上沉積介質層；(3)在所述介質層上制備柱狀柵電極；(4)在所述柱狀柵電極周圍沉積介質層，并去除柱狀區以外的介質層；(5)在介質層周圍沉積管狀的有機半導體層，并去除柱狀區以外的有機半導體；(6)在所述漏電極上沉積絕緣層；(7)在所述有機半導體層和絕緣層上制備平面的源電極。
10.根據權利要求9所述的有機場效應晶體管的制備方法，其特征在于在所述步驟(1)中，制備平面的漏電極的具體方法為采用真空熱物理沉積、電子束沉積或者濺射金屬電極；或者，采用噴墨打印或旋涂有機物電極；在所述步驟(2)中，制備介質層的具體方法為采用低壓化學氣相沉積、濺射或者原子層沉積的方法制備無機介質層；或者，采用旋涂或噴墨打印方法沉積有機介質層；在所述步驟(3)中，制備柱狀柵電極的具體方法為采用光刻技術定義其相應的刻膠圖形，再通過電子束蒸發、濺射或熱蒸發方法來沉積金屬，最后通過金屬剝離的方法來轉移圖形，從而制備出柱狀金屬柵電極；或者，采用噴墨打印技術來沉積和圖形化柱狀有機柵電極；在所述步驟(4)中，制備介質層的具體方法為無機介質層通過低壓化學氣相沉積、濺射或者原子層沉積的方法來沉積，使其具有很好的臺階覆蓋性，包裹在柱狀柵電極周圍，然后通過光刻和各向異性的干法刻蝕把柱狀區側壁以外的介質材料去除，從而獲得管狀的介質層；有機介質層通過旋涂技術來沉積介質薄膜，經過退火處理后再通過光刻技術定義圖形，最后通過刻蝕技術把柱狀區以外的介質材料去除，從而獲得管狀的介質層；在所述步驟(5)中，制備有機半導體層的具體方法為有機半導層通過慢速的旋涂技術來制備薄膜，使其具有很好的臺階覆蓋性，包裹在介質層周圍；然后通過各向異性的干法刻蝕把柱狀區側壁以外的有機半導體材料去除，從而獲得管狀有機半導體層；在所述步驟(6)中，制備絕緣層的具體方法為首先通過光刻技術把柱狀區用光刻膠保護起來，然后通過低壓化學氣相沉積、濺射或者原子層沉積方法來沉積無機絕緣層；或者，通過旋涂方法來沉積有機絕緣層；然后去除柱狀區的光刻膠及多余的絕緣層；在所述步驟(7)中，制備平面的漏電極的具體方法為首先通過光刻技術把柱狀區用光刻膠保護起來，然后通過真空熱物理沉積、電子束沉積或者濺射技術來沉積金屬電極薄膜；或者，采用噴墨打印或旋涂技術來沉積有機物電極薄膜，然后通過剝離的方法去除柱狀柵電極區的光刻膠及多余的電極材料，完成整個晶體管的制備。
全文摘要
本發明公開了一種有機場效應晶體管及其制備方法，屬于有機電子學領域。該器件包括絕緣襯底以及在絕緣襯底上的源電極、介質層、柵電極、有機半導體層、絕緣層和漏電極，漏電極位于絕緣襯底上，并與絕緣襯底接觸；介質層、有機半導體層和絕緣層位于漏電極上，并與漏電極接觸；源電極中央設有一個圓孔，位于絕緣層和有機半導體層上，并與絕緣層和有機半導體層接觸；柵電極為柱狀，位于所述晶體管中央，被介質層包裹住；有機半導體層為管狀，包裹在介質層周圍。本發明采用低溫工藝，把溝道由傳統的平面型改進為垂直型，通過控制有機半導體層的薄膜厚度就能夠控制晶體管的溝道長度，大幅度地降低制備短溝道有機晶體管的難度，從而減少了制備的成本。
文檔編號H01L51/05GK102263200SQ20101018178
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者劉明, 商立偉, 姬濯雨 申請人:中國科學院微電子研究所