有機場效應晶體管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有機場效應晶體管，所述有機場效應晶體管包括：第一電極(1)和第二電極(2)，所述電極提供源電極和漏電極，與第一和第二電極(1，2)電接觸的本征有機半導體層(3)，柵電極(6)，在柵電極(6)和本征有機半導體層(3)之間設置的柵極絕緣層(5)，和包含有機基質材料和有機摻雜劑的摻雜有機半導體層(4)，其中在柵極絕緣層(5)和本征有機半導體層(3)之間設置摻雜有機半導體層(4)，其中在摻雜有機半導體層(4)中形成第一和第二電極(1，2)之間的電荷載子溝道。此外，本發(fā)明涉及用于制造有機場效應晶體管的方法。
【專利說明】有機場效應晶體管及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及有機場效應晶體管及其制造方法。

【背景技術】
[0002] 從20世紀80年代發(fā)明有機場效應晶體管（0FET)到現(xiàn)在，不斷地提高它們的性 能?，F(xiàn)今，0FET用于驅動電子墨水顯示器、印刷RFID標簽和柔性電子裝置。與硅技術相比， 0FET的優(yōu)點在于可以在大面積上在低處理溫度下實現(xiàn)薄且柔性的電路。
[0003] 通常，有機場效應晶體管包括柵電極、源電極和漏電極。此外，0FET包括有機半導 體和將柵電極與有機半導體分離開來的柵極絕緣層。
[0004] 盡管實現(xiàn)了進步，但由于它們的低性能和低穩(wěn)定性，0FET的廣泛應用仍然受限。然 而，通過開發(fā)高級的0FET結構，有很大的可能實現(xiàn)改進。
[0005] 盡管有機摻雜技術已經(jīng)示為用于高效光電裝置的關鍵技術，但將摻雜有機層用在 有機晶體管中仍然非常罕見。
[0006] 有三種不同的方法提高0FET的性能。
[0007] 例如，可使用摻雜來減小在源和漏電極處的接觸電阻。金屬電極和有機半導體之 間的薄P或η-摻雜層形成增加隧道電流的歐姆接觸和增強電荷載子的注入。
[0008] -些團隊報道了溝道"摻雜"對0FET性能的影響。例如，可以在氧化物表面使用單 層Ca，將并五苯晶體管從ρ型切換成η型。單層完全覆蓋絕緣層的表面，并且充當局部"偽 摻雜劑"。在Ca和絕緣層之間沒有電荷載子轉移。而是，通過單層中的Ca原子生成電場。 Ca單層填充有機半導體和柵極絕緣層之間的界面處的電子陷阱。已經(jīng)表明，通過空氣穩(wěn)定 的η-摻雜劑"摻雜" η-OFET的溝道可增加 η型晶體管的空氣穩(wěn)定性。
[0009] 此外，已經(jīng)報道了可通過摻雜濃度而改變閾值電壓。Meijer等人在Journal of Applied Physics (應用物理期刊），第93卷，第8期，第4831頁，2003研究了通過氧氣 暴露進行摻雜對聚合物晶體管的作用。盡管觀察到接通電壓（平帶電壓）的變化，但該作 用與作者的摻雜無關。類似地，其他作者發(fā)現(xiàn)在施加摻雜劑情況下閾值電壓的類似變化，但 通常，與溝道摻雜相比，該作用更與接觸摻雜的影響有關。
[0010] 反型FET通常處于OFF(關閉）狀態(tài)，并且反型溝道必須通過施加的柵電壓而形 成，以便接通晶體管。反型FET用在CMOS電路中并且是所有集成電路的最基本的構件。已 知在有機MIS (金屬絕緣半導體）電容器中，不能達到反型區(qū)（inversion regime)。然而， 通過模擬已經(jīng)預期可在FET結構中形成反型溝道，條件是在源和漏電極處注入少數(shù)載子。 Huang等人在Journal of Applied Physics(應用物理期刊），第100卷，第11期，第 114512頁，2006表明，通過電暈放電，在沉積有機層之前，通過對柵極絕緣層充電，可使通 常η型本征導電的材料為ρ型導電的。
[0011] 文獻US 2010/0096625 Α1公開了一種有機場效應晶體管，其包括在其上設置源和 漏電極的基底。半導體層沉積在該電極之上并且與該電極電接觸。半導體層由下子層和上 子層形成。在上子層之上，設置介電層和柵電極。半導體層的半導體材料可以包含無機粒 子，例如納米管或導電硅絲。下子層和上子層可以是η型或p型并且可具有相同類型的摻 雜。
[0012] 在文獻US 5, 629, 530中，公開了具有源區(qū)、漏區(qū)和插入的η型溝道區(qū)的場效應晶 體管。溝道區(qū)設置有通過絕緣層與溝道區(qū)分隔開來的柵電極。
[0013] 在文獻US 2006/0033098 Α1中描述了一種有機薄膜晶體管。該晶體管包括基底、 柵電極、覆蓋整個柵電極的柵極介電層、源電極、源電極、有源溝道層和源界面層。通過將制 劑添加到有源溝道層中，降低源電極和有源溝道層之間的勢壘。
[0014] 文獻ΕΡ 2 194 582 Α1描述了一種有機薄膜晶體管，其具有基底、柵電極、源電極、 漏電極、絕緣層、有機半導體層和設置在有機半導體層和絕緣層之間的溝道控制層。溝道控 制層包含具有低于5. 8eV的電離電位的非晶態(tài)有機化合物。
[0015] 在文獻US 2003/0092232 A1中，公開了另一種場效應晶體管。


【發(fā)明內容】

[0016] 本發(fā)明的目的是提供具有優(yōu)化工作參數(shù)的有機場效應晶體管及制造該晶體管的 方法。特別地，本發(fā)明的目的是提供具有可調閾值電壓的有機場效應晶體管。通過根據(jù)權 利要求1所述的有機場效應晶體管和根據(jù)權利要求16所述的制造有機場效應晶體管的方 法，而實現(xiàn)該目的。本發(fā)明的有利實施方式是從屬權利要求的主題。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種有機場效應晶體管。該晶體管包括：第一電極和 第二電極，所述電極提供源電極和漏電極，與第一和第二電極電接觸的本征有機半導體層， 柵電極，在柵電極和本征有機半導體層之間設置的柵極絕緣層，和包含有機基質材料和有 機摻雜劑的摻雜有機半導體層。在柵極絕緣層和本征有機半導體層之間設置摻雜有機半導 體層。在摻雜有機半導體層中形成第一和第二電極之間的電荷載子溝道。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供制造有機場效應晶體管的方法，其中，該方法包括下 述步驟：提供基底，用電極材料涂覆基底以形成柵電極，沉積絕緣材料以形成絕緣層，共蒸 發(fā)有機基質材料和有機摻雜劑材料以形成摻雜有機半導體層，沉積有機材料以形成本征有 機半導體材料，沉積另外的電極材料以形成與本征有機半導體層電接觸的第一電極和第二 電極。
[0019] 通過本發(fā)明，可以調節(jié)晶體管的閾值電壓。兩個參數(shù)確定閾值電壓：摻雜有機半導 體層的厚度和摻雜有機半導體層中的有機摻雜劑的濃度。通過在制造晶體管期間選擇這些 參數(shù)中的一者或二者的特定值，可在寬范圍中調節(jié)閾值電壓。所述層的厚度和摻雜濃度之 間存在相互作用。高摻雜濃度導致溝道中的大量電荷載子。在這種情況下，優(yōu)選所述摻雜 有機半導體層是薄的，以能夠實現(xiàn)晶體管的關閉狀態(tài)。
[0020] 摻雜有機半導體層的厚度和摻雜有機半導體層中的有機摻雜劑的濃度優(yōu)選被配 置成能夠在柵極界面處實現(xiàn)電荷載子的導電溝道。摻雜有機半導體層被配置成能夠實現(xiàn) 可變閾值電壓?？梢酝ㄟ^摻雜濃度自由地設定晶體管的閾值電壓。摻雜有機半導體層 的厚度應當優(yōu)選足夠厚以形成滲透層（percolated layer),更優(yōu)選封閉層。滲透層是包 含層材料的島狀區(qū)（island)的層，其中島狀區(qū)的密度足夠高以能夠實現(xiàn)層內的電氣通路 (electrical pathway)。例如，在摻雜有機半導體層中，由有機基質材料和有機摻雜劑制 成的島狀區(qū)的密度必須足夠高以能夠在第一和第二電極之間實現(xiàn)導電通路，從而形成滲透 層。封閉層是層材料中沒有中斷的層。封閉層沒有無層材料的區(qū)域。
[0021] 摻雜有機半導體層的厚度和摻雜有機半導體層中的摻雜劑的濃度還可被配置成 能夠實現(xiàn)高I DS (漏和源電極之間的電流）和標準電壓操作條件下至少四個數(shù)量級的開/關 比率（0N/0FF ratio)。優(yōu)選地，所述開/關比率高于五個數(shù)量級。
[0022] 優(yōu)選地，在摻雜有機半導體層的基質材料中空間地（spatially)分布有機摻雜 齊U，而不是累積在層的界面處。更優(yōu)選地，摻雜劑的分布沿層的維度是均勻的。相比之下， 在現(xiàn)有技術中，僅已知將單層摻雜劑材料施加在摻雜有機半導體層和柵極絕緣層之間的界 面處。這導致閾值電壓的恒定變化，例如5V的變化。因為在單層中，摻雜劑材料的濃度是 固定的，因此不可能實現(xiàn)閾值電壓的其它變化值或更精細的調節(jié)。
[0023] 通常相對于基質和摻雜劑材料的能級，選擇基質材料（主體）/摻雜劑體系。對于 主體和摻雜劑的優(yōu)選組合，摻雜所需的活化能低于50meV。這種活化能可由溫度依賴性電 容-電壓測量來確定。優(yōu)選低活化能，因為這保證了反型FET的與溫度無關的閾值電壓。
[0024] 有機摻雜劑是由有機材料制成的摻雜劑。優(yōu)選是電摻雜劑。在基質材料中提供有 機電摻雜劑導致?lián)诫s劑和基質材料之間的電荷轉移。電摻雜劑分為P-摻雜劑（氧化反應） 和η-摻雜劑（還原反應）。電子摻雜在本領域是公知的，示例性參考文獻是Gao等，Appl. Phys. Lett.(應用物理快報）第 79 卷，第 4040 頁（2001)，Blochwitz 等，Appl. Phys. Lett. (應用物理快報）第73卷，第729頁（1998)，D'Andrade等，App. Phys. Let.(應用物理快 報）第 83 卷，第 3858 頁（2003)，Walzer 等，Chem. Rev.(化學綜述）第 107 卷，第 1233 頁（2007)，US 2005040390A1，US 2009179189A。優(yōu)選的p-摻雜化合物是包含氰基基團的有 機分子。
[0025] 示例性p-摻雜劑是：
[0026] -四氟-四氰基醌二甲烷（F4TCNQ)，
[0027] - 2, 2' -(全氟萘-2, 6-二亞基）二丙二腈，
[0028] _ 2, 2'，2"-(環(huán)丙燒-1，2, 3_二亞基）二（2_(對氰基四氟苯基）乙腈），和
[0029] -2, 2'，2 "-(環(huán)丙燒 _1，2, 3_ 二亞基）二（2_ (2, 6_ 二氣 _3, 5_ 二氣 _4_ (二氣甲 基）苯基）乙臆），
[0030] _ 2, 2'，2 "-(環(huán)丙燒_1，2, 3_二亞基）二（2_ (全氣苯基）乙臆），
[0031] -2, 2'，2 "_(環(huán)丙燒 _1，2, 3_ 二亞基）二（2_ (2, 6_ 二氣 _3, 5_ 二氣 _4_ (二氣甲 基）苯基）_乙臆），和
[0032] - 3, 6-二氟-2, 5, 7, 7, 8, 8-六氰基醌二甲烷（F2CN2TCNQ 或 F2-HCNQ)。
[0033] 示例性η-摻雜劑是：
[0034] -吖啶橙堿（Α0Β)，
[0035] -四（1，3, 4, 6, 7, 8-六氫-2Η-嘧啶并[1，2-a]嘧啶）二鎢（II) (W2(hpp)4)，
[0036] - 3,6-雙_(二甲基氨基）_吖啶，和
[0037] -二（乙烯-二硫）四硫富瓦烯（BEDT-TTF)。
[0038] 優(yōu)選的主體-摻雜劑組合是（表1):
[0039]

【權利要求】
1. 一種有機場效應晶體管，其包括： -第一電極⑴和第二電極（2)，所述電極提供源電極和漏電極， -與所述第一和第二電極（1，2)電接觸的本征有機半導體層（3)， -柵電極（6)， -在所述柵電極（6)和所述本征有機半導體層（3)之間設置的柵極絕緣層（5)，和 -包含有機基質材料和有機摻雜劑的摻雜有機半導體層（4)，其中在所述柵極絕緣層 (5)和所述本征有機半導體層（3)之間設置所述摻雜有機半導體層（4)， 其中，在所述摻雜有機半導體層（4)中形成所述第一和第二電極（1，2)之間的電荷載 子溝道。
2. 根據(jù)權利要求1所述的晶體管，其中，所述本征有機半導體層（3)和所述摻雜有機半 導體層（4)包含相同的有機基質材料。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的晶體管，其中，以與所述第一和第二電極（1，2)的至少一 個電接觸的方式設置包含空穴傳輸材料和電子傳輸材料的混合層。
4. 根據(jù)前述權利要求中的至少一項所述的晶體管，其中，所述摻雜有機半導體層（4) 的厚度在lnm和20nm之間。
5. 根據(jù)前述權利要求中的至少一項所述的晶體管，其中，所述本征有機半導體層（3) 和所述摻雜有機半導體層（4)彼此直接接觸。
6. 根據(jù)前述權利要求中的至少一項所述的晶體管，其中，選自以下電極的至少一個電 極由金屬材料制成：所述第一電極（1)、所述第二電極（2)和所述柵電極（6)。
7. 根據(jù)前述權利要求中的至少一項所述的晶體管，其中，所述摻雜有機半導體層（4) 具有最高達4wt %的摻雜劑濃度。
8. 根據(jù)前述權利要求中的至少一項所述的晶體管，其中，以與所述第一和第二電極 (1，2)的至少一個相鄰的方式設置注入層（la，2a)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的晶體管，其中，所述注入層（la，2a)包含摻雜劑材料。
10. 根據(jù)權利要求9所述的晶體管，其中，所述注入層（la，2a)的摻雜劑材料與所述摻 雜有機半導體層（4)的摻雜劑是相反類型。
11. 根據(jù)權利要求8至10中的至少一項所述的晶體管，其中，所述第一和第二電極（1， 2)的至少一個和所述注入層（la，2a)被配置成將少數(shù)電荷載子注入到所述電荷載子溝道 中。
12. 根據(jù)權利要求11所述的晶體管，其中，所述摻雜有機半導體層（4)被配置成形成少 數(shù)電荷載子溝道，通過所述電荷載子溝道，少數(shù)電荷載子可在所述第一電極和所述第二電 極（1，2)之間移動。
13. 根據(jù)權利要求9所述的晶體管，其中，所述注入層（la，2a)的摻雜劑材料與所述摻 雜有機半導體層（4)的摻雜劑是相同類型。
14. 根據(jù)權利要求8或9以及13所述的晶體管，其中，所述第一和第二電極（1，2)的至 少一個和所述注入層（la，2a)被配置成將多數(shù)電荷載子注入到所述電荷載子溝道中。
15. 根據(jù)權利要求14所述的晶體管，其中，所述摻雜有機半導體層（4)被配置成形成多 數(shù)電荷載子溝道，通過所述電荷載子溝道，所述多數(shù)電荷載子可在所述第一電極和所述第 二電極（1，2)之間移動。
16. -種制造有機場效應晶體管的方法，其中，所述方法包括下述步驟： _提供基底， -用電極材料涂覆所述基底以形成柵電極， -沉積絕緣材料以形成絕緣層， -共蒸發(fā)有機基質材料和有機摻雜劑材料以形成摻雜有機半導體層， -沉積有機材料以形成本征有機半導體材料， -沉積另外的電極材料以形成與所述本征有機半導體層電接觸的第一電極和第二電 極。
【文檔編號】H01L51/00GK104254929SQ201280072226
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2012年6月19日 優(yōu)先權日:2012年4月5日
【發(fā)明者】比約恩·呂塞姆, 亞歷山大·扎希多夫, 漢斯·克勒曼, 卡爾·利奧 申請人:諾瓦爾德股份有限公司, 德累斯頓工業(yè)技術大學