專利名稱：具有短溝道的有機(jī)半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有有源有機(jī)溝道以及3個(gè)或更多個(gè)端子的半導(dǎo)體器件。
現(xiàn)有技術(shù)對(duì)有機(jī)電路方面的許多興趣是由于有機(jī)電路具有理想的機(jī)械性能并且可以利用廉價(jià)制造技術(shù)制造這種有機(jī)電路。典型的理想機(jī)械性能包括與通常利用塑料襯底制造電路有關(guān)的機(jī)械柔性、重量輕性以及機(jī)械堅(jiān)固耐用性。典型廉價(jià)制造技術(shù)有開盤式(reel-to-reel)制造、溶液淀積方法、特征圖形印刷方法以及分層構(gòu)造方法。
有源有機(jī)器件具有有源半導(dǎo)體溝道以及3個(gè)或更多個(gè)電極。有源有機(jī)半導(dǎo)體溝道將兩個(gè)電極連接在一起并且其導(dǎo)電性可以將電壓施加到其第三個(gè)電極。通常將其第三個(gè)電極簡(jiǎn)稱為柵電極。具有3個(gè)電極的典型有源有機(jī)器件是有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。
因?yàn)橛袡C(jī)FET的特性通常比無機(jī)FET的特性差得多，所以將研究目標(biāo)定在改善有機(jī)FET的運(yùn)行特性。有機(jī)FET通常比無機(jī)FET差的兩個(gè)特性是有源有機(jī)溝道的遷移率和漏極電流的開-關(guān)比。有機(jī)FET的這兩個(gè)特性通常至少比非FET的這兩個(gè)特性低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
如果這兩個(gè)特性的數(shù)值接近無機(jī)FET的這兩個(gè)特性，則會(huì)消除基于有機(jī)FET的電路產(chǎn)生的幾個(gè)問題。為此，如果有源有機(jī)器件的運(yùn)行特性接近有源無機(jī)器件的運(yùn)行特性，則理想機(jī)械性能和因?yàn)樵S多有機(jī)器件節(jié)省的成本會(huì)刺激對(duì)有機(jī)電路的需求。

發(fā)明內(nèi)容
采用本發(fā)明原理的各種有源有機(jī)器件的有源有機(jī)溝道比傳統(tǒng)有源有機(jī)器件的有源有機(jī)溝道短。溝道長(zhǎng)度是溝道內(nèi)有機(jī)分子長(zhǎng)度的一倍，最多是幾倍。溝道內(nèi)有機(jī)分子的長(zhǎng)軸沿著導(dǎo)電方向，而不是象傳統(tǒng)有機(jī)FET那樣垂直于導(dǎo)電方向。有源溝道的長(zhǎng)度短和/或其內(nèi)各分子的排列會(huì)使有機(jī)FET的這些實(shí)施例具有與基于硅的FET大致相同的遷移率和/或漏極電流的開-關(guān)比。
采用本發(fā)明原理的另一個(gè)有源有機(jī)器件具有包括多個(gè)耦合鍵有機(jī)分子層的有源有機(jī)溝道。與多個(gè)耦合鍵有關(guān)的不定域π軌道垂直延伸到該層。
采用本發(fā)明原理的另一個(gè)有源有機(jī)器件具有包括有機(jī)分子的有源有機(jī)溝道。至少部分有機(jī)分子化學(xué)鍵合到器件的一個(gè)電極。
采用本發(fā)明原理的另一個(gè)實(shí)施例的特征在于，構(gòu)造有機(jī)晶體管的方法。該方法包括設(shè)置源極或漏極；以及在源極或漏極上形成有機(jī)分子層。在形成電極和有機(jī)分子層后，該方法還包括在有機(jī)分子層的自由表面上形成剩余的源極和漏極。


圖1示出具有階梯式布局并采用本發(fā)明原理的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)的剖視圖；圖2示出圖1所示的一種OFET的有源溝道的放大剖視圖；圖3示出圖1所示的一種OFET的有源溝道的典型分子；圖4示出圖2所示的OFET的漏極電流/漏極電壓特性；圖5示出同一個(gè)OFET的漏極電流如何隨柵極電壓發(fā)生變化；圖6示出對(duì)于同一個(gè)OFET，根據(jù)柵極電壓變化的漏極電流如何隨溫度發(fā)生變化；圖7示出采用本發(fā)明原理制造OFET的有源溝道的制造方法的流程圖；圖8示出采用本發(fā)明原理制造圖1和圖2所示類型OFET的制造方法的流程圖；圖9示出具有圖1和圖2所示類型OFET的反相電路；
圖10示出圖9所示反相電路的電壓增益特性；圖11示出具有平面布局并采用本發(fā)明原理的OFET的剖視圖；圖12示出圖11所示OFET的n型實(shí)施例有源溝道的有機(jī)分子；圖13示出圖11所示OFET的p型實(shí)施例有源溝道的有機(jī)分子；圖14和圖15示出具有4，4’聯(lián)苯二硫酚(biphenyldithiol)和圖11所示布局的有源溝道的OFET的漏極電流/漏極電壓特性；圖16示出具有垂直布局并采用本發(fā)明原理的OFET的剖視圖；圖17示出根據(jù)本發(fā)明原理制造圖16所示OFET的制造方法的流程圖；以及圖18示出利用分層方法生產(chǎn)的圖17所示OFET結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出在導(dǎo)電襯底12上形成階梯式結(jié)構(gòu)的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFER)10。階梯式結(jié)構(gòu)包括用于覆蓋襯底12的階梯的介質(zhì)層14。襯底12和介質(zhì)層14構(gòu)成OFET10的柵極結(jié)構(gòu)。典型襯底12包括有機(jī)導(dǎo)體和無機(jī)導(dǎo)體(例如金屬)或作用類似于導(dǎo)體的重?fù)诫s硅。典型介質(zhì)層14包括無機(jī)層和有機(jī)層，例如SiO2層或SiO2(CH2)NCO2層。
階梯式結(jié)構(gòu)包括被疊層式溝道結(jié)構(gòu)覆蓋的水平區(qū)16。在水平區(qū)16之外，溝道結(jié)構(gòu)的疊層級(jí)是介質(zhì)層14、金源極18、有源溝道層20以及金漏極22。有源溝道層20包括一層或多層被對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)有機(jī)分子。有源溝道層20的導(dǎo)電性依賴于以與對(duì)傳統(tǒng)FET(未示出)的導(dǎo)電溝道的柵極施加電壓的同樣方式對(duì)相鄰柵極22施加的電壓。
圖2示出圖1所示OFET 10的溝道層20的放大圖。溝道層20是自裝配(self-assemble)單層有機(jī)分子，沿方向“z”對(duì)準(zhǔn)其分子長(zhǎng)軸，方向“z”垂直于溝道層20表面并且沿著溝道的導(dǎo)電方向。各分子具有多個(gè)其π軌道形成垂直于溝道層20延伸的不定域電荷云(delocalizedcloud)的耦合鍵。分子π軌道云形成大致橋接源極18和漏極22的相鄰表面26與28之間的間隙的導(dǎo)電通道。在溝道層20內(nèi)，不是象傳統(tǒng)OFET那樣利用相鄰分子π軌道之間的重疊在分子間實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，而是利用多個(gè)耦合鍵，通過對(duì)準(zhǔn)分子實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)部導(dǎo)電。通過亞硫酸鹽鍵，溝道層20的各分子與相鄰金屬表面26、28分子鍵合。晶體管10的有源溝道的長(zhǎng)度d短，即小于30(nm)，因?yàn)樵摐系朗瞧鋵挾葹橐粋€(gè)分子長(zhǎng)度的單層溝道。對(duì)于自裝配單層溝道，典型溝道長(zhǎng)度d約為1nm至3nm。
溝道層20包括靠近與介質(zhì)層14的接口29的薄區(qū)域。該區(qū)域有幾個(gè)分子厚，并使該溝道具有隨施加到襯底12上的電壓，即隨施加到柵極上的電壓變化的電導(dǎo)率。
圖3示出具有圖1所示布局的OFET 10使用的、具有多個(gè)耦合鍵的幾種分子30。在有源溝道內(nèi)，分子30以單層排列。在單層中，分子30的長(zhǎng)軸分子LA對(duì)準(zhǔn)溝道導(dǎo)電方向z，如圖2所示。因此，OFET10的這些實(shí)施例具有其長(zhǎng)度d由形成溝道的分子30的長(zhǎng)度確定的短溝道。典型的溝道長(zhǎng)度d小于30nm，并且最好小于約15nm。
OFET 10的其它實(shí)施例的有源溝道具有兩層或更多層含有多個(gè)耦合鍵(未示出)的分子。有源溝道長(zhǎng)度保持小于30nm并且最好小于約15nm。有源溝道長(zhǎng)度最好小于或等于3個(gè)分子長(zhǎng)度。
圖4示出圖2所示晶體管10在室溫條件下的漏極電流/漏極電壓特性32。特性32具有說明典型FET特性的歐姆區(qū)34和飽和區(qū)36。特性32也以p型FET方式依賴于柵極電壓。
圖5示出在室溫條件下圖2所示OFET 10的溝道電流在歐姆區(qū)內(nèi)如何隨柵極電壓變化的數(shù)據(jù)38。數(shù)據(jù)38說明OFET 10具有p型電導(dǎo)率。如果柵極電壓變化0.4伏，則溝道電流變化約105倍。
在室溫條件下，圖1所示OFET 10的測(cè)量特性對(duì)應(yīng)于約250-300cm2/V-秒的。這些大遷移率接近等于硅FET內(nèi)空穴移動(dòng)的遷移率。
圖6示出同一個(gè)OFET 10實(shí)施例的溝道電流隨柵極電壓變化與溫度的關(guān)系。
圖7示出制造圖1所示OFET 10的溝道部分的制造方法40的流程圖。制造方法40包括在襯底上淀積金屬電極，即源極18或漏極22(步驟42)。淀積過程包括汽化金以產(chǎn)生淀積。在形成電極后，制造方法40包括，例如利用溶解方法在淀積電極上形成具有多個(gè)耦合鍵的自裝配單層有機(jī)分子，即層20(步驟44)。單層分子的長(zhǎng)分子軸垂直于單層表面，因此不定域π軌道穿過單層、垂直于單層延伸。單層分子還具有端子電抗組，它形成與電極相連的連接，從而使單層穩(wěn)定。在形成的單層上，該方法40包括形成另一個(gè)金屬電極，例如剩余源極18或漏極22(步驟46)。形成剩余電極的過程包括冷卻形成的單層，以致新淀積的金屬原子不會(huì)影響單層內(nèi)分子的排列。
圖8示出制造圖1所示OFET 10的制造方法50的流程圖。利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，在襯底12(例如摻雜硅襯底)表面形成垂直階梯(步驟52)。制造方法50還包括在階梯上熱生長(zhǎng)氧化層，例如約30nm的SiO2以產(chǎn)生柵極介質(zhì)層14的步驟(步驟54)。制造方法50包括在覆蓋階梯水平區(qū)16的部分柵極介質(zhì)層14上淀積金源極18的步驟(步驟56)。電極淀積過程包括熱汽化金的過程。制造方法50包括，在源極18上形成自裝配單層分子20的步驟(步驟58)。單層分子20具有垂直于并大致穿過單層20延伸而且具有鍵合到金源極18使單層穩(wěn)定的端子硫醇(terminal thiol)或異氰化物端組(isocyanide endgroup)的不定域π軌道。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻時(shí)，制造方法50包括，通過以小角度將金汽化到單層20上，形成漏極22的步驟(步驟60)。此外，單層分子20上的端子硫醇或異氰化物端組與金漏極22鍵合最后使溝道結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定。
圖1和圖2所示的OFET 10可以用于各種電路和裝置內(nèi)。
圖9示出采用圖1和圖2所示布局的兩個(gè)OFET 64、66的倒相器62。兩個(gè)OFET 64、66具有4，4’聯(lián)苯二硫酚的有源溝道層20。OFET64、66串聯(lián)在電源電壓Vs與地線之間。OFET 64的源極和柵極短路，因此作為負(fù)載。OFET 66的柵極作為倒相器62的輸入端，OFET 66的源極作為倒相器62的輸出端。
圖10示出圖9所示的倒相器62的增益特性68。倒相器62具有溝道斷開狀態(tài)，在該狀態(tài)下，輸出電壓Vout接近-2V，即Vs；溝道接通狀態(tài)，在該狀態(tài)下，輸出電壓Vout接近0V，即地電壓。在溝道接通狀態(tài)，Vout對(duì)應(yīng)于約為6的電壓增益。
在典型數(shù)字邏輯電路中，倒相器62用作標(biāo)準(zhǔn)部件。在這種電路中，輸出電壓Vout＝-2和Vout＝0分別是表示邏輯1和0的電壓值。
具有短有源有機(jī)溝道的OFET還存在其它布局。
圖11示出有機(jī)FET 80的薄膜布局。FET 80包括作為柵極的平導(dǎo)電襯底82，例如，重?fù)诫s硅或有機(jī)導(dǎo)體。柵極層84覆蓋襯底82的平坦表面。典型介質(zhì)包括氧化物、有機(jī)介質(zhì)以及自裝配為單層的有機(jī)介質(zhì)。在柵極層84的表面上設(shè)置源極86和漏極88。柵極介質(zhì)層84將電極86、88與襯底82絕緣。溝道90將源極86與漏極88分離。由絕緣雙耦合鍵的單層有機(jī)分子形成溝道90。
單層90具有將分子固定在其內(nèi)使長(zhǎng)軸垂直于單層90以致不定域π軌道也垂直于單層90延伸的有機(jī)結(jié)構(gòu)。分子的端子硫醇或異氰化物端組使單層90穩(wěn)定并確定其內(nèi)的分子方向。端子組與源極86和漏極88鍵合在一起。
溝道90的各種實(shí)施例采用不同分子以在OFET 80內(nèi)產(chǎn)生n型特性或p型特性。圖12示出用于溝道90例如通常在FET 80內(nèi)產(chǎn)生n型特性的分子92。圖13示出用于溝道90例如通常在FET 80內(nèi)產(chǎn)生p型特性的分子94。圖12和圖13還示出分子92和分子94的長(zhǎng)軸方向L。
圖14和圖15示出具有圖11所示布局和由4，4’聯(lián)苯二硫酚形成的溝道90的典型OFET 80的漏極電流/漏極電壓特性96、97。特性96和97對(duì)應(yīng)于典型FET的負(fù)柵極電壓。特性97示出歐姆區(qū)98、飽和區(qū)99。OFET 80具有典型FET特性。
圖16示出具有垂直布局的OFET 110的剖視圖。OFET 110包括作為柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底82和介質(zhì)層84。柵極結(jié)構(gòu)支持垂直溝道結(jié)構(gòu)120。垂直溝道結(jié)構(gòu)120包括介質(zhì)側(cè)支撐112、金源極114、金漏極116以及有機(jī)分子自裝配層118。側(cè)支撐是介質(zhì)，例如塑料。自裝配層118的分子具有雙耦合鍵，并且這樣排列自裝配層118的分子從而使長(zhǎng)軸橫切電極114、116的相鄰表面，以致分子軌道垂直于自裝配層118延伸。
一個(gè)OFET 110利用有機(jī)分子自裝配單層制造柵極介質(zhì)層84并利用硅膠制造側(cè)支撐112。由于柵極介質(zhì)層84與側(cè)支撐112組合在一起，所以將溝道結(jié)構(gòu)120垂直下推到柵極介質(zhì)層84的表面會(huì)導(dǎo)致側(cè)支撐112與柵極介質(zhì)層84實(shí)現(xiàn)物理接合。
圖17示出制造圖16所示OFET 110的淀積制造方法130的流程圖。制造方法130包括利用疊層方法形成夾層結(jié)構(gòu)(步驟132)。疊層方法包括通過在硅膠薄板上汽化淀積金形成兩個(gè)多層板。在一個(gè)多層板上淀積單層具有多個(gè)耦合鍵的分子。該分子具有與淀積金鍵合以使單層穩(wěn)定的端子硫醇或異氰化物端組。為了形成夾層結(jié)構(gòu)，這樣疊層這兩個(gè)多層板，以致該單層與兩層金相鄰。單層分子上的端子硫醇或異氰化物端組與第二金層鍵合，從而使夾層結(jié)構(gòu)保持在一起。制造方法130包括將夾層結(jié)構(gòu)切開以形成溝道結(jié)構(gòu)120，如圖19所示(步驟134)。然后，將溝道結(jié)構(gòu)120垂直壓到介質(zhì)層84上以在溝道結(jié)構(gòu)120與柵極介質(zhì)層84之間形成保角接觸(conformal contact)。如果柵極介質(zhì)層84由硅膠制成，則將溝道結(jié)構(gòu)120壓入柵極介質(zhì)層84可以固定溝道結(jié)構(gòu)120與柵極介質(zhì)層84之間的物理關(guān)系。同樣，在OFET110上淀積一層(未示出)以永久固定溝道結(jié)構(gòu)120與柵極結(jié)構(gòu)82、84之間的物理關(guān)系。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖1、圖11和圖16所示的多端子器件10、80、120包括4個(gè)或更多個(gè)電極。例如，有些實(shí)施例具有兩個(gè)或更多個(gè)柵極以控制有源溝道的不同部分。
顯然，根據(jù)本說明書、附圖以及權(quán)利要求，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟練技術(shù)人員還可以設(shè)想出其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種裝置，該裝置包括第一電極；第二電極；第三電極；以及有源溝道，位于第二電極與第三電極之間，該有源溝道具有一層含有多個(gè)耦合鍵和垂直于該層延伸的不定域π軌道的有機(jī)分子，該有源溝道的電導(dǎo)率依賴于對(duì)第一電極施加的電壓。
2.一種有機(jī)晶體管，該有機(jī)晶體管包括漏極；源極；有機(jī)分子有源溝道，位于源極與漏極之間，該有源溝道的長(zhǎng)度比一個(gè)有機(jī)分子的長(zhǎng)度短3倍；絕緣層，與有源溝道的邊緣相鄰；以及柵極，與該層相鄰并可以施加改變有源溝道電導(dǎo)率的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體管，其中有機(jī)分子具有垂直于源極和漏極之一的相鄰表面的長(zhǎng)軸。
4.一種有機(jī)晶體管，該有機(jī)晶體管包括漏極；源極；有機(jī)分子有源溝道，位于源極與漏極之間，該有源溝道的長(zhǎng)度約短于30納米；絕緣層，與有源溝道的邊緣相鄰；以及柵極，與該層相鄰并可以改變有源溝道的電導(dǎo)率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶體管，其中有機(jī)分子具有垂直于源極和漏極之一的相鄰表面的長(zhǎng)軸。
6.一種有源有機(jī)器件，該有源有機(jī)器件包括第一電極；第二電極；第三電極；有源溝道，位于第二電極與第三電極之間，部分分子至少與第一電極和第二電極之一化學(xué)鍵合；絕緣層，與有源溝道的邊緣相鄰；以及柵極，與該層相鄰并可以改變有源溝道的電導(dǎo)率。
7.一種有機(jī)晶體管，該有機(jī)晶體管包括漏極；源極；有機(jī)分子有源溝道，位于源極與漏極之間，該分子具有垂直于電極相鄰表面的長(zhǎng)軸；絕緣層，與有源溝道的邊緣相鄰；以及柵極，與該層相鄰并可以改變有源溝道的電導(dǎo)率。
8.一種構(gòu)造有機(jī)晶體管的方法，該方法包括設(shè)置源極和漏極之一；在源極和漏極之一上形成有機(jī)分子層；以及然后，在該層的自由表面上設(shè)置另一個(gè)源極和漏極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中該層是單層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中形成分子長(zhǎng)軸的位置垂直于源極和漏極之一的表面。
全文摘要
三端器件包括第一電極、第二電極、柵極以及與第一電極和第二電極相連的有源溝道。該有源溝道具有含有多個(gè)耦合鍵的有機(jī)分子。與多個(gè)耦合鍵相關(guān)的不定域π軌道垂直于該層鍵合延伸。
文檔編號(hào)H01L51/05GK1387267SQ0211992
公開日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月17日
發(fā)明者鮑哲南, 約翰·A.·羅杰斯, 簡(jiǎn)·H.·舍恩 申請(qǐng)人:朗迅科技公司