專利名稱：3 端子電子器件和2 端子電子器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種構成薄膜晶體管等的3端子電子器件以及一種構成化學物質傳感器等的2端子電子器件。
背景技術：
在薄膜晶體管(TFT)中，考慮如下技術，即，將由石墨烯(grapheme)或還原石墨烯氧化物(reduced grapheme oxide, RG0)制成的納米片充足地設置在襯底上,從而形成溝道形成區域(例如，參見 Nano Letters7, 3499 (2007), Nature Nanotechnology3, 270 (2008)和 Advanced Materials20, 3440(2008))。此外，可以從例如 Applied Physics Letters94,083111 (2009)中獲知使用由石墨烯或RGO制成的納米片的氣體傳感器。RGO是通過化學還原通過氧化石墨獲得的氧化石墨烯片而獲得的納米片。由于RGO包括各種形成Sp3鍵的官能團，所以盡管RGO的傳導率比石墨烯低，但是RGO的優勢在于RGO可以高濃度地溶解在各種溶劑中。
發明內容
順便提及，在納米片中，納米片之間的電阻大于納米片內部的電阻。因此，當TFT溝道形成區域由納米片構成時，并且當TFT溝道長度約等于納米片的平均尺寸時，溝道形成區域在納米片間具有顯著改變的電阻值，這引起了特性(例如，載流子遷移率)的變化。此夕卜，傳感器還在設 置在兩個電極之間的納米片間具有顯著改變的電阻值，這引起傳感器特性的變化。考慮到上述問題，期望提供具有較小特性變化的3端子電子器件和2端子電子器件。根據本發明的第一實施方式，提供了一種3端子電子器件，包括:(A)控制電極；
(B)第一電極和第二電極；以及(C)有源層，設置在第一電極和第二電極之間，并被設置為經由絕緣層與控制電極相對。有源層包括納米片的集合體。當假設納米片具有平均尺寸Ls且第一電極和第二電極之間具有間隔D時，滿足Ls/D 彡 10。根據本發明的第二實施方式，提供了一種3端子電子器件，包括:(A)控制電極；
(B)第一電極和第二電極；以及(C)有源層，設置在第一電極和第二電極之間，并被設置為經由絕緣層與控制電極相對。有源層包括納米片的集合體。當假設納米片具有平均尺寸Ls，第一電極和第二電之間具有間隔D，并且第一電極和第二電極均具有長度LeW，滿足DXLe ^ 3 X IO2 X Ls2。根據本發明的第三實施方式，提供了一種2端子電子器件，包括:(A)第一電極和第二電極；以及(B)有源層，設置在第一電極和第二電極之間。有源層包括納米片的集合體。當假設納米片具有平均尺寸1^且第一電極和第二電極之間具有間隔D時，滿足Ls/D ≥ 10。根據本發明的第四實施方式，提供了一種2端子電子器件，包括:(A)第一電極和第二電極；以及(B)有源層，設置在第一電極和第二電極之間。有源層包括納米片的集合體。當假設納米片具有平均尺寸Ls，第一電極和第二電極之間具有間隔D，并且第一電極和第二電極均具有長度Le時，滿足D X Le彡3 X IO2XLs2O在根據本發明第一實施方式的3端子電子器件或根據本發明第三實施方式的2端子電子器件中，滿足Ls/D ^ 10。具體地，第一電極和第二電極之間具有充分大于第一電極和第二電極之間的間隔的納米片。在根據本發明第二實施方式的3端子電子器件或根據本發明第四實施方式的2端子電子器件中，滿足DXLeS 3X102XLs2。具體地，第一電極和第二電極之間的間隔D與第一電極和第二電極的長度Le的乘積(即，有源層占據的面積)為納米片的平均面積的3X IO2倍或以上。換句話說，有源層包括大量(或3X IO2或以上)納米片。因此，這可以抑制設置在第一電極和第二電極之間的有源層的電阻值變化，并抑制3端子電子器件的特性變化(例如，載流子遷移率的變化)和2端子電子器件的特性變化。如附圖所示，根據本發明的優選模式的實施方式的詳細描述，本發明的這些和其他目的、特征和優點將變得更加顯而易見。
圖1A和圖1B是示出例如用于解釋實施例1的3端子電子器件的制造方法的概況的基體的不意性局部端視圖； 圖2A和圖2B是分別示出Ls/D和載流子遷移率變化之間的關系以及D X Le和載流子遷移率變化之間的關系的評估結果的曲線圖；圖3是示出納米片集合體(由大量納米片構成的薄膜)的薄層電阻值Rsheet的結構的不意圖；圖4A和圖4B是示出例如用于解釋實施例2的3端子電子器件的制造方法的概況的基體的不意性局部端視圖；圖5A和圖5B是示出例如用于解釋實施例3的3端子電子器件的制造方法的概況的基體的不意性局部端視圖；圖6A至圖6C是示出例如用于解釋實施例4的3端子電子器件的制造方法的概況的基體的示意性局部端視圖；以及圖7A和圖7B是示出實施例5的2端子電子器件的示意性局部截面圖。
具體實施例方式下面將參照附圖描述本發明的實施方式。然而，本發明不限于這些實施方式，并且實施方式的實施例中的各種數值和材料僅僅是示例性的。將按照以下順序進行描述。1.根據本發明第一實施方式和第二實施方式的3端子電子器件和2端子電子器件的總體描述。2.實施例1 (根據本發明的第一實施方式和第二實施方式的3端子電子器件)3.實施例2 (實施例1的變形)4.實施例3 (實施例1的變形)5.實施例4 (實施例1的變形)6.實施例5(根據本發明第一實施方式和第二實施方式的2端子電子器件及其他)[根據本發明第一實施方式和第二實施方式的3端子電子器件和2端子電子器件的總體描述]在根據本發明第一實施方式或第二實施方式的3端子電子器件或2端子電子器件(下文中，在某些情況下簡單地統稱為“本發明的電子器件”)中，納米片是指一邊的長度為幾十納米到幾百微米而厚度為幾個原子層或以下的材料。典型納米片的實施例包括由一層碳原子的石墨烯(包括還原石墨烯氧化物RG0)制成的納米片和由諸如MoS2、SnS2和GaSe的半導體材料制成的納米片。通過將這些納米片分散在溶劑中，可基于溶液處理(例如，涂覆方法)來形成大面積的薄膜。當通過溶液處理將納米片用來在基體上形成薄膜時，納米片被沉積(或層壓)在基體上以覆蓋基體。因此，電子可以從一個納米片傳導至另一個納米片，從而橫穿電極。此時，納米片集合體(由大量納米片構成的薄膜)具有(RintM+Rinte)的總和的薄層電阻值Rstert (參見圖3的示意圖)。在該公式中，Rintra表示納米片內部的電阻值，Rinter表示納米片之間的電阻值。如圖3所示，薄層電阻值Rsheet為RintM+RintOT的總和的原因在于，許多串聯的(Rintra+RintCT)以并聯形式存在。在圖3中，沿著電流流過的方向垂直地設置的電阻分量(Rintra)中沒有電流流過(或者其中流過非常小的電流量)，因此可以忽略。可以通過計算納米片面積S (通過利用具有合適放大倍率的顯微鏡觀察納米片來計算面積s)以計算面積S的平方根的平均值來獲得平均納米片尺寸Ls。根據本發明第一實施方式或第二實施方式的3端子電子器件可以為場效應晶體管(更具體地，薄膜晶體管)。根據本發明第一實施方式或第二實施方式的2端子電子器件可以為，例如用于感測NO2氣體、O2氣體、NH3氣體、苯乙烯氣體、己烷氣體、辛烷氣體、癸烷氣體和三甲基苯氣體的化學物質傳感器。當納米片用于TFT或化學物質傳感器時，可能存在如果有源層不具有降至約一層原子層的厚度則納米片的功能不會出現的情況。例如，由于石墨烯具有高載流子濃度，所以可能存在如下情況，即，沒有具有幾層原子層以下厚度的有源層而無法獲得由場效應引起的電流調制。此外，由于化學物質傳感器需要具有增大的比表面積，所以期望有源層(化學物質感測層)具有一層的厚度。例如，場效應晶體管可以為底柵/底接觸型、底柵/頂接觸型、頂柵/底接觸型、頂柵/頂接觸型。通過使用分散了納米片的溶液以基于涂覆法在基體上形成有源層，可以從納米片的集合體獲得場效應晶體管中的溝道形成區域。更具體地，底柵/底接觸型場效應晶體管包括:(a)柵電極(對應于控制電極)，形成在支撐體上；(b)柵極絕緣膜(對應于絕緣層并且還對應于基體)，形成在柵電極和支撐體上；(C)源/漏電極(對應于第一電極和第二電極)，形成在柵極絕緣膜上；以及
(d)溝道形成區域，設置在源/漏電極之間，形成在柵極絕緣膜上，并且由有源層構成。底柵/頂接觸型場效應晶體管包括:(a)柵電極(對應于控制電極)，形成在支撐體上；(b)柵極絕緣膜(對應于絕緣層并且還對應于基體)，形成在柵電極和支撐體上；(C)溝道形成區域組成層(channel formation region constituting layer),形成在柵極絕緣膜上并包括由有源層構成的溝道形成區域；以及(d)源/漏電極(對應于第一電極和第二電極)，形成在溝道形成區域組成層上。頂柵/底接觸型場效應晶體管包括:(a)源/漏電極(對應于第一電極和第二電極)，形成在基體上；(b)溝道形成區域，形成在源/漏電極之間的基體上，并由有源層構成；(C)柵極絕緣膜(對應于絕緣層)，形成在源/漏電極和溝道形成區域上；以及(d)柵電極(對應于控制電極)，形成在柵極絕緣膜上。頂柵/頂接觸型場效應晶體管包括:(a)溝道形成區域組成層，形成在基體上并包括由有源層構成的溝道形成區域；(b)源/漏電極(對應于第一電極和第二電極)，形成在溝道形成區域組成層上；(C)柵極絕緣膜(對應于絕緣層)，形成在源/漏電極和溝道形成區域上；以及(d)柵電極(對應于控制電極)，形成在柵極絕緣膜上。在根據本發明實施方式的電子器件中，用于形成有源層的涂覆方法的實施例包括:旋涂法；浸潰法；澆鑄法；各種印刷法，諸如絲網印刷法、噴墨印刷法、平板印刷法和凹版印刷法；壓印法、噴涂法；以及各種涂覆方法，諸如氣刀涂覆法(air doctor coatermethod)、刮片涂覆法(blade coater method)、棍涂覆法(rod coater method)、刮刀涂覆法(knife coater method)、擠壓式涂覆法、逆轉棍涂覆法、轉移棍涂覆法、凹版涂覆法、接觸涂覆法、燒鑄涂覆法、噴涂法、縫隙涂覆法(slit orifice coater method)和壓延涂覆法(slit orifice coater method)。用于分散納米片的溶劑的實施例包括:無極性或低極性有機溶劑，諸如水、甲苯、氯仿、己烷、甲醇和乙醇；或者極性溶劑，諸如DMF (N，N-二甲基甲酰胺)和NMP (N-甲基吡咯烷酮)。基體可由以下材料形成:氧化硅基材料(例如，SiOx或旋涂玻璃(SOG));氮化硅(SiNy);氮氧化硅(SiON);氧化鋁(Al2O3);或金屬氧化物高介電絕緣膜。當基體由這些材料形成時，僅需要在適當地選自以下材料的支撐體上(或在支撐體上方)形成基體。具體地，支撐體或除上述基體之外的基體的實施例包括有機聚合物(具有高聚物材料的形式，諸如由高聚物材料形成的柔性塑料膜、塑料板和塑料基板)，所述有機聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯苯酚(PVP)、聚醚砜(PES)、聚酰亞胺、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酷(PET)和聚蔡二甲酸乙二醇酷(polyethylene naphthalate, PEN)。通過使用由上述柔性高聚物材料形成的基體，根據本發明實施方式的電子器件可以安裝在或集成在具有彎曲形狀的顯示裝置或電子裝置中。可選地，基體(或支撐體)的實施例還包括各種玻璃基板或石英基板、其上形成有絕緣膜的各種玻璃基板、其上形成有絕緣膜的石英基板、其上形成有絕緣膜的硅基板、其上形成有絕緣膜的導電基板(由諸如金、鋁和不銹鋼的金屬或合金制成的基板，由高取向石墨制成的基板)。
在根據本發明實施方式的電子器件中，控制電極、第一電極、第二電極和各種任選地形成的配線可由以下材料制成:諸如金屬(例如，鉬(Pt)、金(Au)、鈀(Pd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鋁(Al)、銀(Ag)、鉭(Ta)、鎢(W)、銅(Cu)、鈦(Ti)、銦(In)、錫(Sn)、鐵(Fe)、鈷(Co)和鑰(Mo))、包括這些金屬元素的合金、由這些金屬制成的導電性粒子、包括這些金屬的合金的導電性粒子以及諸如包括摻雜物的多晶硅的導電物質，或者還可以具有包括這些元素的層的層壓結構。此外，控制電極、第一電極、第二電極和各種配線還可以由諸如聚(3, 4-乙烯二經噻吩)(poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) )/ 聚苯乙烯橫酸[PEDOT/PSS]的有機材料(導電性高聚物)制成。在根據本發明實施方式的電子器件中，根據其構成材料，可通過以下任何方法來形成控制電極、第一電極、第二電極和各種配線:物理氣相沉積(PVD);包括MOCVD法的各種化學氣相沉積(CVD);旋涂法；浸潰法；澆鑄法；上述各種印刷法；壓印法；上述各種涂覆方法；剝離法；溶膠-凝膠法；電極沉積法；蔭罩法(shadow mask method);電鍍法(諸如電解電鍍法、非電解電鍍法或它們的組合)；以及噴涂法以及任選的圖案化技術的組合。例如，PVD方法可以為:(a)各種真空氣相沉積法，諸如電子束加熱法、電阻加熱法和閃蒸(flashevaporation)； (b)等離子體氣相沉積法；(C)各種派射法,諸如偶極子派射法、DC (直流)派射法、DC磁控管濺射法、高頻濺射法、磁控管濺射法、離子束濺射法和偏壓濺射法；以及(d)各種離子電鍍法，諸如DC法、RF法、多陰極法、活化反應方法、電場沉積法、高頻離子電鍍法和反應性離子電鍍法。此外，在根據本發明實施方式的電子器件中，絕緣層(可對應于基體)和柵極絕緣膜可由以下材料形成，這些材料不僅包括例如金屬氧化物高介電絕緣膜(諸如氧化硅基材料、氮化硅(SiNy)和氧化鋁(Al2O3))的無機絕緣材料，而且還包括由一端具有可結合至控制電極的官能團的直鏈烴例示的有機絕緣材料(有機聚合物)(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);聚乙烯苯酚(PVP)、聚乙烯醇(PVA);聚酰亞胺；聚碳酸酯(PC);聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET);聚苯乙烯；硅烷醇衍生物(硅烷偶合劑)，諸如N-2-(氨乙基)-3氨基丙基三甲氧基娃燒(N_2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysi lane, AEAPTMS)、3_ 疏基丙基三甲氧基娃燒(3-mercapto propyl trimethoxy silane, MPTMS)或十八燒基三氯娃燒(octadecyltrichlorosilane, 0TS);十八硫醇(octadecanethiol)或十二燒基異氰酸酯)或者它們的組合。例如，氧化硅基材料可以為氧化硅(SiOx)、BPSG、PSG、BSG、AsSG, PbSG,氮氧化硅(Si0N)、S0G (旋涂玻璃)或低介電常數Si02基材料(例如，聚芳醚、環全氟化碳環(eyeloperfluorocarbon polymer)和苯并環丁烯(benzocyclobutene)、環氟樹脂、聚四氟乙烯、含氟芳醚(arylether fluoride)、含氟聚酰亞胺(polyimide fluoride)、無定形碳和有機SOG)。絕緣層和柵極絕緣膜可通過以下任何方法形成:上述各種PVD法；各種CVD法；旋涂法；上述各種印刷法；上述各種涂覆方法；浸潰法；澆鑄法；溶膠-凝膠法；電極沉積法；蔭罩法；以及噴涂法。可選地，絕緣層和柵極絕緣膜還可以通過氧化或氮化控制電極的表面來形成，或者還可以通過在控制電極的表面上形成氧化膜或氮化膜來獲得。根據構成控制電極的材料，可通過使用例如02等離子體或陽極氧化法的氧化方法來氧化控制電極的表面。根據構成控制電極的材料，例如可以通過使用N2等離子體的氮化方法來氮化控制電極的表面。可選地，對于Au電極，例如，通過具有可與控制電極化學地形成鍵的官能團的絕緣分子(諸如一端被巰基(mercapto group)修飾的直鏈烴),諸如浸潰法的方法還可用于以自組織方式覆蓋控制電極的表面，從而在控制電極的表面形成絕緣層或柵極絕緣膜。可選地，控制電極的表面還可以由硅烷醇衍生物(硅烷耦合劑)修飾，從而形成絕緣層或柵極絕緣膜。當將電子器件應用于或用于顯示裝置和各種電子裝置時，電子器件可以是支撐體與大量電子器件集成在一起的單片集成電路。可選地，還可以將各電子器件分割和個體化，并且還可以將其用作分立部分。還可以用樹脂來密封電子器件。[實施例1]實施例1涉及根據本發明第一實施方式和第二實施方式的3端子電子器件(具體地，場效應晶體管，更具體地，薄膜晶體管(TFT))。根據實施例1或后述的實施例2 實施例4的3端子電子器件為包括以下部分的3端子電子器件:(A)控制電極(對應于柵電極14)；(B)第一電極和第二電極(對應于源/漏電極16);以及(C)有源層20，設置在第一電極和第二電極之間，并設置為經由絕緣層(對應于柵絕緣膜15)與控制電極14相對。
更具體地，如圖1B的示意性部分截面圖所示，實施例1的3端子電子器件為底柵/底接觸型薄膜晶體管(TFT)，包括:(a)柵電極14 (對應于控制電極)，形成在支撐體10上；(b)柵絕緣膜15 (對應于絕緣層和基體13)，形成在柵電極14和支撐體10上；(C)源/漏電極16 (對應于第一電極和第二電極)，形成在柵絕緣膜15上；以及(d)溝道形成區域17，設置在源/漏電極16之間，形成在柵絕緣膜15上，并且由有源層20構成。有源層20 (溝道形成區域17)由納米片21的集合體形成(具體地，納米片21的集合體由還原石墨烯氧化物(RGO)制成)。這里，使用具有平均尺寸LsS2ym的納米片。在圖中，為了方便，可由圓圈示出納米片21。根據本發明第一實施方式的3端子電子器件的結構要求，當假設納米片平均尺寸為Ls且第一電極和第二電極之間的間隔為D時，實施例1的3端子電子器件滿足Ls/D彡10。具體地，制備3端子電子器件(薄膜晶體管)，其中第一電極和第二電極之間的間隔D (源/漏電極16之間的間隔)為0.2μπι。將控制電極(柵電極14)的長度L。以及第一電極和第二電極的長度Le設置為ΙΟΟμπι。然后，為了研究Ls/D和載流子遷移率之間的關系，試制了各種TFT。具體地，在Le=IOO μ m的固定條件下，試制了具有不同D的各種TFT，并評估載流子遷移率變化，其結果在圖2A中示出。載流子遷移率變化是指通過將載流子遷移率測量值的標準偏差(σ )除以載流子遷移率測量值的平均值所獲得的值。從圖2Α可以看出，Ls/D值的增加引起載流子遷移率變化的減小。具體地，通過在源/漏電極16之間設置充分大于源/漏電極16之間的間隔的納米片，可以抑制設置在源/漏電極16之間的有源層20出現電阻值的變化，因此抑制了 3端子電子器件的載流子遷移率的變化。如上所述，當源/漏電極16之間包括充分大于源/漏電極16之間的間隔的納米片時，源/漏電極16之間的有源層20的薄層電阻(sheet resistance)值Rsheet通常為Rintra0因此，可以抑制有源層20的電阻值的變化。
此外，根據本發明第二實施方式的3端子電子器件的結構要求，實施例1的3端子電子器件滿足DXLe ^ 3X IO2XLs2.具體地，試制了下表I所示的3端子電子器件，并評估載流子遷移率變化，其結果在圖2B中示出。[表I ]
權利要求
1.一種3端子電子器件，包括: (A)控制電極； (B)第一電極和第二電極；以及 (C)有源層，設置在所述第一電極和所述第二電極之間，并被設置為經由絕緣層與所述控制電極相對， 其中，所述有源層包括納米片的集合體，并且 其中，當假設所述納米片具有平均尺寸Ls，所述第一電極和所述第二電極之間具有間隔D，并且所述第一電極和所述第二電極均具有長度Le時，滿足D X Le彡3 X IO2 X Ls2。
2.—種2端子電子器件，包括: (A)第一電極和第二電極；以及 (B )有源層，設置在所述第一電極和所述第二電極之間， 其中，所述有源層包括納米片的集合體，并且 其中，當假設所述納米片具有平均尺寸Ls，所述第一電極和所述第二電極之間具有間隔D，并且所述第一電極和 所述第二電極均具有長度Le時，滿足D X Le彡3 X IO2 X Ls2。
全文摘要
本發明公開了3端子電子器件和2端子電子器件。3端子電子器件包括(A)控制電極；(B)第一電極和第二電極；以及(C)有源層，設置在第一電極和第二電極之間，并被設置為經由絕緣層與控制電極相對。有源層包括納米片的集合體。當假設納米片具有平均尺寸LS且第一電極和第二電極之間具有間隔D時，滿足LS/D≥10。
文檔編號H01L29/06GK103178090SQ20131005297
公開日2013年6月26日 申請日期2010年9月3日 優先權日2009年9月10日
發明者小林俊之 申請人:索尼公司