專利名稱：晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般屬于設(shè)計(jì)電子器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及例如用于有機(jī)電子、顯示器件和探測器的薄膜晶體管。參考文獻(xiàn)為了理解本發(fā)明的背景技術(shù)，適當(dāng)?shù)乜紤]下面的參考文獻(xiàn):1.H.Sirringhaus,N.Tessler 和 R.H.Friend, Science 280，1741-1743(1998)；2.N.Stutzmann 等，“Self-aligned, vertical-channeI， polymerfield-effecttransistor”，Science 299，1881-1884(2003)；3.S.Tanaka 等，“ Vertical-and lateral-type organic FET usingpentaceneevaporated films，，，ElectricalEngineering in Japan，vol.149，pp.43-48，2004 ；4.J.1.Nishizawa, T.Terasaki 和 J.Shibata，“Field-Effect TransistorVersusAnalog Transistor (Static Induction Transistor)，，，Ieee TransactionsonElectronDevices, vol.ED22，pp.185-197，1975 ；5.L Ma和 Y.Yang，“Unique architecture and concept forhigh-performanceorganic transistors，，，Applied Physics Letters85，5084-5086 (2004)；6.V.K.Smirnov 等，“Technol ogy for nanoperiodic doping ofametal-oxide-semiconductor field—effect transistor channeI using aself-formingwave-ordered structure，，，Nanotechnology, vol.14，pp.709-715，2003 ；7.X.-Z.Bo 等，^Pentacene-carbon nanotubes:Semiconductingassemblies forthin-f ilm transistor applications，，，App1.Phys.Lett.，vol.87，pp.203510，2005 ；8.B.D.Gates，Q.B.Xu, J.C.Love，D.B.Wolfe 和 G.M.Whites ides ,“Unconventionalnanofabrication，，，Annual Review of Materials Research34，339-372 (2004)；9.W.A.Lopes 和 Η.M.Jaeger，“ Hi erarchi caI self-assembly ofmetalnanostructure on diblock copolymer scaffolds”，Nature 414，735-738(2001)；10.M.P.Stoykovich 等，“Directed assembly of block copolymer blendsintononregular device-oriented structures，，，Science 308，1442-1446 (2005)；11.D.S.Park 等，“Characteristics of perylene-based organicthin-filmtransistor with octadecyltrichlorosilane”，Journal of Vacuum Science&Technology B23，926-929 (2005)；12.M.Yoshida 等，“Surface potential control of an insulator layer forthehigh performance organic FET”，Synthetic Metals 137，967-968 (2003)；13.T.B.Singh等 ,High-mobility n-channel organic field-effecttransistorbased on epitaxially grown C60 films，，，Organic Electronics6,105-110 (2005)；
背景技術(shù)：
薄膜晶體管(TFT)涉及場效應(yīng)晶體管(FET)，其中由柵極產(chǎn)生的電場控制電流沿著晶體管溝道從源極向漏極流動。對于非發(fā)射顯示器(如液晶顯示器、電子墨)、發(fā)射顯示器(如有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示器)和邏輯電路的背板之中的不同應(yīng)用，開發(fā)了 TFT，其包括有機(jī)薄膜晶體管和基于使用非晶硅(a-Si)的薄膜晶體管。在全面實(shí)現(xiàn)電位的道路上的最大障礙是限制載流子流過溝道的低電荷遷移率，其限制了可以提供這種晶體管的電流。例如，為了提供足夠的電流密度以使[I]中的LED發(fā)光，使用了比LED大得多的晶體管。在邏輯區(qū)域中，這限制了開關(guān)速度(充電柵電容持續(xù)太長時間)且增強(qiáng)了背景噪聲的靈敏度。通過大型企業(yè)例如三星、飛利浦、索尼、柯達(dá)和杜邦研究了高亮度和有效的有機(jī)LED基屏幕。近來，玻璃襯底制備的高質(zhì)量有機(jī)顯示器開始透過市場，且希望在未來中出現(xiàn)大屏幕。激勵可能性的有機(jī)LED起源于它們的柔性。全球性的公司都在尋求研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)柔性發(fā)射顯示器的柔性背板晶體管陣列。迄今為止，有機(jī)材料受限的電荷載流子遷移率(小于IcmSr1iT1)不足以提供發(fā)光二極管所必需的電流。 相比基于非晶硅的TFT的性能，有機(jī)TFT的性能最好，但相比無機(jī)結(jié)晶材料基器件仍很差。最大的努力仍集中在傳統(tǒng)的橫向TFT結(jié)構(gòu)上。這些方式包括旨在減少絕緣體-溝道界面的接觸電阻或俘獲態(tài)；增加?xùn)艠O介質(zhì)的介電常數(shù)或利用復(fù)雜光刻減小溝道長度。在有機(jī)TFT(OTFT)研究的范圍內(nèi)，到目前為止已介紹了兩種主要的方法:第一種方法是基于垂直疊置晶體管的制造，以便它的電極之間的距離(即溝道長度)由利用溶液處理技術(shù)可以低至IOOnm(與平面狀結(jié)構(gòu)的幾微米相比)的有機(jī)層厚度來定義。除制備價格減少之外，這些器件應(yīng)具有增強(qiáng)的DC性能和較好的開關(guān)速度。文獻(xiàn)[5]中已研究了柵-源-漏垂直有機(jī)場效應(yīng)晶體管(VOFET)結(jié)構(gòu)，其中柵電極位于源電極下面，且通過絕緣(介質(zhì))層與有源區(qū)隔開。這示于圖la-b中，示出了(a) VOFET結(jié)構(gòu)和共用源電極粗略的示意圖，以及(b)源電極表面的原子力顯微圖象。該方法依靠制備薄而通常導(dǎo)電的金屬電極。創(chuàng)造者定義該結(jié)構(gòu)為電容單元頂部上的有源單元。對于源電極，該晶體管利用特別不均勻的膜，其具有薄且厚的區(qū)域。圖1c示出了用于不同柵極-源極電壓的VOFET電導(dǎo)特性。該器件的顯著特性包括在漏-源電位Vds為4V和柵極-源極電位Vgs為5V下的IOmA溝道電流，0N/0FF比接近4X106。然而，該晶體管設(shè)計(jì)必須制造具有良好調(diào)諧粗糙度的源電極(即，膜的薄相對厚特性的優(yōu)化)，其降低了這些結(jié)果的再現(xiàn)性。第二種方式是基于標(biāo)準(zhǔn)的橫向結(jié)構(gòu)，但有效縮短了溝道長度。這可以通過包括溝道中的高導(dǎo)電區(qū)來實(shí)現(xiàn)?？s短電荷必須穿過半導(dǎo)體的有效長度減小了整個溝道電阻且導(dǎo)致了較高的電流。已研究了自形成一維納米結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為具有可控周期(20_180nm)的波形規(guī)則結(jié)構(gòu)，其通過低能量(約1-1OkeV)氮離子導(dǎo)致非晶硅層的不正常轟擊[6]。根據(jù)該技術(shù)，通過等離子體的反應(yīng)性離子蝕刻改變該納米結(jié)構(gòu)以在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的溝道區(qū)的表面上形成周期性納米掩模。通過完成MOSFET制備的技術(shù)性步驟之后的納米掩模注入砷離 子，導(dǎo)致了周期性摻雜的溝道場效應(yīng)晶體管(PDCFET)，其可以看作具有共用柵極的短-溝道MOSFET鏈或具有短溝道的有效單一 FET。這示于圖2a中，示出了溝道區(qū)的納米周期性摻雜分布的示意性描述。平面狀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一些其它技術(shù)利用制造的平面結(jié)構(gòu)的觸點(diǎn)之間的導(dǎo)電碳納米管子滲透網(wǎng)(sub-percolation network),來減小觸點(diǎn)之間的有效距離[7]。更具體地,采用導(dǎo)電碳納米管作為填料，且被旋涂到溝道區(qū)上，目的是將其填充到正好在滲透閾值下面的點(diǎn)。這示于圖2b中，示出了填充有導(dǎo)電碳納米管的溝道在滲透閾值以下的示意性描述。該方法是通過需求限制的以避免通過導(dǎo)電納米管的短路，其指定利用相對低密度的管。反之，該需求會導(dǎo)致非常限制的效應(yīng)。非晶硅基TFT —般還會受到慢開關(guān)速度和低電流處理電容的影響，因?yàn)榉蔷Ч璧碾娦阅軙?dǎo)致單晶硅或多晶硅短路。對于該問題的已知方案包括材料電性能的增強(qiáng)，例如用多晶硅代替非晶硅；減少特征尺寸以減小晶體管柵極長度；和使用可選的晶體管結(jié)構(gòu)。所有這些方案需要對現(xiàn)有生產(chǎn)線的重要的研究和改變。

發(fā)明內(nèi)容
本領(lǐng)域需要具有與傳統(tǒng)晶體管相比顯著增強(qiáng)性能的晶體管結(jié)構(gòu)(較高的電流和較短的開關(guān)時間)。所述的增強(qiáng)晶體管應(yīng)優(yōu)選基于與技術(shù)發(fā)展水平晶體管相同的材料和制備技術(shù)。本發(fā)明，在其一方面，通過提供具有與電子器件的有源元件中任一個相關(guān)的圖案化導(dǎo)電層的新穎電子器件(尤其是晶體管結(jié)構(gòu))，也就是在晶體管器件的情況下的源、漏或溝道解決了上述問題。該圖案例如是形成沿著所述層的非連續(xù)性的電導(dǎo)性。更具體地，該圖案(在一些實(shí)施例中，納米尺寸圖案)為由相對低導(dǎo)電率的區(qū)域(例如介質(zhì)或半導(dǎo)體區(qū)域)隔開的間隔導(dǎo)電區(qū)(例如島)的陣列形式。該技術(shù)提供了減少晶體管溝道的“有效長度”，而沒有溝道材料的摻雜。根據(jù)另一方面，本發(fā)明通過利用選擇性摻雜圖案化晶體管的溝道區(qū)解決了減小晶體管溝道有效長度的上述問題。該溝道區(qū)的選擇性摻雜提供了溝道中二維圖案的摻雜區(qū)，導(dǎo)致了溝道中摻雜區(qū)的至少90%的填充因數(shù)。該溝道是由已知適合的材料(S1、α-S1、聚合物、小分子)中之一制成的，具有選自本領(lǐng)域中已知種類(例如，P和Al是用于Si或用于噻吩基材料的磺酸鹽)的摻雜原子或分子。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，該圖案化的導(dǎo)電層是源或漏電極，以制造沿著所述電極的不連續(xù)的電導(dǎo)性。這在垂直結(jié)構(gòu)晶體管結(jié)構(gòu)中尤其是有用的。根據(jù)本發(fā)明的一些其它的實(shí)施例，涉及橫向配置晶體管結(jié)構(gòu)，該圖案化導(dǎo)電層與晶體管溝道相關(guān)。這是通過以間隔開的導(dǎo)電區(qū)(例如島)的陣列形式，將這種圖案化層放置在溝道層上方或下方來實(shí)現(xiàn)的。該圖案化可以通過使用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)材料(優(yōu)選嵌段共聚物)來實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)樗鼈儗饘僭雍?或?qū)щ娋酆衔锏目勺冇H和力。一些其它方法包括各種印刷、軟光刻技術(shù)[8]或標(biāo)準(zhǔn)光刻(如用在α -Si工藝中)。根據(jù)其它的實(shí)施例，二維陣列的島可通過在溝道材料中引入空間選擇摻雜的附加工藝制造。考慮到垂直晶體管設(shè)計(jì)，電極(源或漏)是格柵狀結(jié)構(gòu)(金屬條網(wǎng))；以及在平面狀晶體管設(shè)計(jì)中，源和漏 之間的溝道區(qū)是高密度(高填充因數(shù))導(dǎo)電區(qū)的圖案(優(yōu)選二維圖案)，其制造了在導(dǎo)電區(qū)的尺寸上可能的非均勻或不規(guī)則圖案，但在溝道長度尺寸上均勻。本發(fā)明在有機(jī)電子器件尤其是薄膜晶體管(TFT)和探測器領(lǐng)域是特別有用的。例如，本發(fā)明可以有利地用于制備具有比用有機(jī)材料獲得的更高的有效電荷遷移率的塑料性電子器件。由此，根據(jù)本發(fā)明的一個主要方面，提供了一種電子器件，包括與電子器件的有源元件相關(guān)的圖案化導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層具有限定間隔開導(dǎo)電區(qū)的陣列的圖案，由此增加了通過該器件的電流。更具體地，本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管器件且因此在下面描述了該具體應(yīng)用。在這種晶體管中，溝道可包括半導(dǎo)體材料、聚合物材料、多晶硅或非晶硅。本發(fā)明提供了薄膜晶體管中的導(dǎo)電圖案的各種設(shè)計(jì)，一些更適合于聚合物基TFT，以及一些適合于α-Si基TFT。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，考慮了橫向結(jié)構(gòu)TFT (源和漏電極在同一層中被布置成隔開的關(guān)系)。在這些實(shí)施例中，圖案化導(dǎo)電層與源和漏電極之間的晶體管溝道相關(guān)。在這些實(shí)施例的一些實(shí)例中，該導(dǎo)電層可以是島陣列形式或沿著溝道元件、在溝道層上方或下方的區(qū)域中布置成間隔開關(guān)系的導(dǎo)電材料的延伸區(qū)形式。 該導(dǎo)電區(qū)陣列優(yōu)選是二維陣列。該導(dǎo)電區(qū)陣列可沿著關(guān)于溝道軸傾斜的至少一個軸延伸。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，使用對于所述導(dǎo)電材料可變親和力的適合的有機(jī)材料(優(yōu)選嵌段共聚物)作為用于所述圖案化導(dǎo)電層的襯底和用于其中的所述圖案的模板。通常，可以使用以下嵌段共聚物中的至少一種:聚苯乙烯-嵌段-聚(甲基丙烯酸甲酯)(PS-PMMA)、聚苯乙烯-嵌段-聚(環(huán)氧乙烷)(PS-PEO)、聚苯乙烯-嵌段-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-P4VP)、PS_P2Vp和聚苯乙烯-嵌段-聚(二茂鐵基二甲基硅烷)(PS-PFES)。在一些其它實(shí)施例中，該有機(jī)材料組分包括可分離相變的至少兩種不同的有機(jī)材料。這些可以是聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)和每個都具有其它聚合物的任意組合。在其它實(shí)施例中，有機(jī)材料是能夠在溝道層的表面上形成單層的材料。通常，這種有機(jī)材料可以是以下示范性材料的一種或多種:十八烷基三氯硅烷[CH3- (CH2) 17_SiC3，(OTS) ]，1H，1H，2H，2H_全氟癸基三氯硅烷[CF3-(CF2) 12-CH2-CH2-SiC3，(PF) ]，10-1^一碳烯基三氯硅烷[CF2 = CH-(CH2)9-SiC3, (IOun)，甲氧基乙氧^^一烷基]，三氯硅烷[CH3-O-(CH2)2-O-(CH2)11-SiC3, (MET)，11-乙酸基i^一烷基]，三氯硅烷[CH3-(CO)-O-(CH2)11-SiC3, (AC)]。可圖案化該單層以制造親和力圖案。該圖案化可以通過包括印刷、模壓加工或任何其它的軟光刻技術(shù)[8]的各種方法實(shí)現(xiàn)。橫向TFT的結(jié)構(gòu)可以是這樣的以便其包括柵電極、與位于柵極上方的圖案化導(dǎo)電層相關(guān)且與其電絕緣的溝道元件、和包含位于溝道上方的源和漏電極且具有電接觸的層。包含層的源和漏可以是所述的圖案化導(dǎo)電層，且包括用作位于源和漏電極和所述溝道層之間且與其電絕緣的第二浮置柵電極的導(dǎo)電區(qū)?？蛇x地，源和漏電極可配置有在溝道層的相應(yīng)區(qū)域上方延伸且與其電絕緣的延伸區(qū)。該TFT結(jié)構(gòu)可以 使得其包括由電絕緣體覆蓋的柵電極、所述電絕緣體頂部上的非晶硅溝道層、和包含在溝道和源和漏電極之間中具有η+非晶硅區(qū)域的溝道上方的源和漏電極的層。包含源和漏電極的層用作所述的圖案化導(dǎo)電層，所述的圖案化導(dǎo)電層在源和漏電極之間中的溝道上方的區(qū)域內(nèi)限定間隔開導(dǎo)電區(qū)的陣列。在該實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)可以使得間隔開的導(dǎo)電區(qū)的每個為η+非晶硅和其頂部上的金屬的疊層的形式；或僅η+非晶硅層的形式；或者僅金屬層。在另一實(shí)例中，TFT包括由電絕緣體覆蓋的柵電極、在所述電絕緣體頂部上的所述圖案化導(dǎo)電層的間隔開導(dǎo)電區(qū)的陣列、在所述圖案化導(dǎo)電層頂部上的非晶硅溝道層、和在溝道和源和漏電極之間中具有η+非晶硅區(qū)域的溝道上方的源和漏電極。在該情況下，圖案化導(dǎo)電層可由η+非晶硅制成。在橫向TFT的另一實(shí)例中，其包括由第一電絕緣體覆蓋的柵電極、在所述電絕緣體頂部上的非晶硅溝道層、在所述溝道層頂部上的第二電絕緣體層、和包含在所述第二絕緣體上方的源和漏電極的層以便源和漏電極具有與溝道的電接觸。包含源和漏電極的層是所述的圖案化導(dǎo)電層，所述的圖案化導(dǎo)電層在源和漏電極之間中的溝道上方的區(qū)域內(nèi)限定間隔開導(dǎo)電區(qū)的陣列。在本發(fā)明的一些其它實(shí)施例中，其提供了用于垂直薄膜晶體管(TFT)的新穎結(jié)構(gòu)，即源和漏電極布置在不同的層中。在這些實(shí)施例中，圖案化導(dǎo)電層是源或漏電極、所謂的圖案化源極垂直TFT (PS-VTFT)或圖案化的漏極垂直TFT(ro-VTFT)中的至少一種。這種TFT是特別不同于已知具體類型的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的垂直晶體管中(柵電極/介質(zhì)/源電極/有源層/漏電極)，將源或漏電極圖案化成格柵狀導(dǎo)電層，也就是包括由窄金屬線(其不必是薄的)圍繞的孔(或間隙)。該孔優(yōu)選具有與半導(dǎo)體厚度相比的特征直徑。該晶體管結(jié)構(gòu)可以是具有Ag電極的Si基結(jié)構(gòu)。在這些實(shí)施例中，可使用合適的有機(jī)材料(優(yōu)選嵌段共聚物)作為絕緣體材料和用于圖案化的源或漏電極的模板。可配置該垂直晶體管結(jié)構(gòu)來限定柵電極；柵電極頂部上的柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)；在柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)頂部上且承載半導(dǎo)體溝道元件的源電極圖案化層；和頂部漏電極。柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)和嵌段共聚物薄膜。在另一實(shí)例中，垂直TFT包括柵電極、柵電極頂部上的柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)、在柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)的頂部上且承載半導(dǎo)體溝道元件的漏電極的圖案化層、和頂部源電極。該柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)和嵌段共聚物薄膜。該圖案化源電極可以是通過納米尺寸圖案化的表面能制造的多孔金屬層。在一些其它實(shí)施例中，將圖案化電極配置成金屬條網(wǎng)。該圖案優(yōu)選是二維陣列導(dǎo)電區(qū)的形式。根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面，提供了一種橫向結(jié)構(gòu)薄膜晶體管器件，包括源和漏電極之間的溝道元件，所述溝道元件具有由低電導(dǎo)率的區(qū)域隔開的高電導(dǎo)率材料的間隔區(qū)域的二維陣列形式的圖案。該溝道兀件可包括第一低電導(dǎo)率材料的層，該第一低電導(dǎo)率材料選擇性地?fù)诫s有在以二維陣列布置的所述間隔區(qū)域內(nèi)的第二高電導(dǎo)率材料。該溝道元件可包括第一低電導(dǎo)率材料的連續(xù)層、和接近所述第一層且圖案化以限定高電導(dǎo)率材料區(qū)域的所述二維陣列的第二層。該第二圖案化層可位于第一層和包含層的源和漏之間。絕緣層可提供在第一層和圖案化的第二層之間?？蛇x地，第二圖案化層位于第一層下面、柵極絕緣體層的頂部上 。
根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面，提供一種用于制造垂直薄膜晶體管結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括對源和漏電極層中的至少之一圖案化以制造沿著所述電極的不連續(xù)的電導(dǎo)性，以由此增強(qiáng)晶體管結(jié)構(gòu)中的隨后層的導(dǎo)電率。在垂直TFT的情況下，本發(fā)明提供一種基本不同的方案，用于使柵極電壓影響器件電流。根據(jù)本發(fā)明，使用格柵狀電極(例如源電極)，其能使柵極場通量穿透未被金屬覆蓋的區(qū)域的源電極層(即源電極層內(nèi)的非導(dǎo)電區(qū))和使電荷拉出格柵以便于電流流動。該唯一的電極結(jié)構(gòu)使得物理工藝驅(qū)動與[5]很不同的開關(guān)接通，且便于更大的耐用性和可靠的制造。本發(fā)明的垂直晶體管結(jié)構(gòu)以與填充橫向OFET中的溝道非常類似的方式制造了吸引電荷載流子從源金屬到半導(dǎo)體-絕緣體界面的暴露區(qū)域的場通量。在該方面，限定柵電極、介質(zhì)、格柵電極和半導(dǎo)體的層結(jié)構(gòu)，以與橫向底接觸FET非常類似的方式工作，其中源和漏電極保持在相等電位，且使用柵極來形成電極之間的區(qū)域中的導(dǎo)電溝道(載流子儲存器)。當(dāng)前設(shè)計(jì)的頂電極平衡了半導(dǎo)體中的電位使得被柵極拉出的電荷部分隨后流到漏極并產(chǎn)生器件電流。選擇源電極金屬使得存在電荷注入半導(dǎo)體中的勢壘以便漏電極不能直接從源電極拉出電流。非常類似的結(jié)構(gòu)，但優(yōu)選具有大的孔，將使用柵極場來從頂電極拉出電荷以填充格柵線之間的區(qū)域(載流子儲存器)。該填充與頂部接觸FET結(jié)構(gòu)中的溝道形成類似。在該結(jié)構(gòu)中，頂電極用作源極且圖案化(格柵)電極用作漏極。再次，選擇源電極金屬使得存在電荷注入半導(dǎo)體中的勢壘以便漏電極不能從源極直接拉出電流。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種橫向薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，其中晶體管溝道元件包括低電導(dǎo)率的第一溝道層和溝道層下方或上方且以較高電導(dǎo)率的間隔開區(qū)域的陣列形式的第二層。本發(fā)明提供了多種表面能的納米尺寸圖案的新應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明，使用納米尺寸圖案的表面能來增強(qiáng)隨后層的電導(dǎo)性。應(yīng)理解術(shù)語“表面能”在這里指的是由機(jī)理例如疏水的/親水的、靜電等作中介的力?？梢允褂眉{米尺寸圖案的表面能來以可控的形式制造溶液處理的半導(dǎo)體、導(dǎo)體或金屬材料的非均勻膜?？蛇M(jìn)一步使用該效應(yīng)來提供垂直型場效應(yīng)晶體管需要的非均勻的或“粗糙”溶液處理電極。可以使用納米尺寸圖案的表面能來影響半導(dǎo)體分子的封裝和膜形成以便增強(qiáng)它們的遷移率(較好的分子封裝和很少不受控制的晶界)?？梢允褂眉{米圖案的表面能來制造具有很高表面覆蓋度的溶液處理的半導(dǎo)體、導(dǎo)體或金屬材料的非連續(xù)膜(非連續(xù)的以防止電性短路)。后者可以用于有效地減小兩個金屬電極之間的距離，即場效應(yīng)晶體管(FET)中的有效溝道長度，以及非均勻的摻雜隨后層。可以進(jìn)一步使用這些效應(yīng)來增強(qiáng)與TFT的非理想接觸的效應(yīng)。例如，可以通過增強(qiáng)光敏電荷注入的效應(yīng)來制造特別有效的探測器。本發(fā)明提供了利用嵌段共聚物來制造實(shí)現(xiàn)上述效應(yīng)中任何一個所需要的表面能改進(jìn)。本發(fā)明在子滲透導(dǎo)電網(wǎng)領(lǐng)域是有用的。已提議使用金屬納米管來制造這種網(wǎng)。然而，該已知方法利用滲透作為驅(qū) 動機(jī)理。為了獲得最好的性能，該網(wǎng)非常接近其閾值但保持在其之下，以避免電性短路。在滲透閾值以下，可僅在非常受限的區(qū)域上獲得短距離，其中在剩余的器件中該距離是相當(dāng)大的且整體效應(yīng)是小的。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)利用嵌段共聚物提供了制造預(yù)先確定的且具有橫跨整個器件具有很小間隙的導(dǎo)電圖案以便該有效間隙實(shí)際上非常小。根據(jù)本發(fā)明，使用了與嵌段共聚物結(jié)合的導(dǎo)電聚合物(代替金屬)。由該嵌段共聚物提供的圖案可以通過其它的通常更復(fù)雜的光刻或印刷/壓模加工法模仿。本發(fā)明人還提供了一種能夠使用常規(guī)的Si基技術(shù)的新α -Si基TFT。本發(fā)明還提供了一種方法來減小雜亂(C1-Si)FET的工作退化，通過放置電荷富含區(qū)(如同在η+摻雜的α-Si中)接近溝道以便在工作期間出現(xiàn)的電子態(tài)通過該電荷儲存器鈍化。在一個方面，電荷富含區(qū)可以是沿著所述溝道分布的大量區(qū)域(島)。在本發(fā)明的另一方面中，這些區(qū)域中的至少一個沒有直接連接至源或漏電極。


為了理解發(fā)明和了解如何進(jìn)行實(shí)踐，參考附圖，現(xiàn)在將描述優(yōu)選實(shí)施例，僅是非限制性的實(shí)例，其中:圖1A-B示出了 [5]中描述的已知柵-源-漏垂直有機(jī)場效應(yīng)晶體管(VOFET)結(jié)構(gòu)；圖1C示出了對于不同的柵極-源極電壓的圖la-b的晶體管結(jié)構(gòu)的VOFET電導(dǎo)特性；圖2A和2B分別示出了 [6]和[7]中描述的已知平面狀晶體管；圖3A至3C舉例說明了在垂直晶體管設(shè)計(jì)中使用的本發(fā)明:圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的源或漏電極的頂視圖，圖3B示出了利用該電極的圖案化源極垂直TFT(PS-VTFT)的側(cè)視圖，以及，圖3C示出了本發(fā)明的圖案化漏極垂直TFT(H)-VTFT)的側(cè)視圖；圖4A-4F舉例說明了本發(fā)明的圖案化源極垂直TFT(PS-VTFT)的結(jié)構(gòu)和操作；圖5示出了由已知技術(shù)制備的PS-b-PMMA嵌段共聚物模板的掃描探針顯微照片圖像；圖6A和6B示出了納米尺寸導(dǎo)電金屬圖案的掃描電子顯微照片圖像:圖6A示出了反射底層嵌段共聚物薄膜的導(dǎo)電納米金屬線網(wǎng)，以及，圖6B示出了通過蒸發(fā)少量金屬到聚合物膜上獲得的網(wǎng)，導(dǎo)致隔離的島，然而，不會模仿嵌段共聚物圖案；圖7示出了嵌段共聚物結(jié)構(gòu)頂部上的幾滴玻璃化的聚(3，4-乙烯二氧噻吩)/聚(4-苯乙烯磺酸酯)(PED0T/PSS)域的掃描探針顯微照片圖像；圖8示出了滲透網(wǎng)在閾值的示意性描述；圖9A和9B分別示出了本發(fā)明的橫向結(jié)構(gòu)晶體管器件的兩個實(shí)例；圖9C和9D示出了實(shí)現(xiàn)圖9B的晶體管器件的實(shí)例；圖1OA和IOB分別更具體地示出了圖案化層矩陣和其上的源極和漏極矩陣；圖1lA至IlC示出了與常規(guī)實(shí)例相比，本發(fā)明的晶體管器件的特性；圖12A和12B分別示出了本發(fā)明的橫向結(jié)構(gòu)晶體管器件的兩個以上的實(shí)例； 圖13A和13B示出了本發(fā)明具有在源和漏電極之間的導(dǎo)電區(qū)的橫向FET的側(cè)視圖和頂視圖14示出了在Vds = 18V測量的暗(藍(lán)色)和亮(粉紅色)樣品的光敏開關(guān)OTFT的跨導(dǎo)特性；圖15A至15E分別示出了本發(fā)明利用用于溝道材料的非晶硅的橫向結(jié)構(gòu)TFT的五個實(shí)例；和圖16A至16E以自說明的方式示出了與晶體管溝道相關(guān)的導(dǎo)電層中的圖案的不同實(shí)例。圖17A示意性地示出了本發(fā)明用于在晶體管溝道內(nèi)制造二維陣列的摻雜技術(shù)的實(shí)例；圖17B示意性地示出了用圖17A的技術(shù)獲得的最終結(jié)構(gòu)；和圖17C示出了本發(fā)明用于在晶體管溝道內(nèi)制造二維陣列摻雜區(qū)的摻雜技術(shù)的另
一實(shí)例。
具體實(shí)施例方式圖la_b 不出了在 L.Ma 和 Y.Yang 的上述文章“Unique architecture andconceptfor high-performance organic transistor，，，Applied Physics Letters 85,5084-5086(2004)]中描述的已知柵-源-漏垂直有機(jī)場效應(yīng)晶體管(VOFET)。圖1c示出了對于不同柵極-源極電壓的VOFET電導(dǎo)特性。圖2a和2b示出了 [6，7]中描述的已知平面狀晶體管。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種具有與晶體管的有源元件相關(guān)的圖案化導(dǎo)電層的新型晶體管結(jié)構(gòu)。該導(dǎo)電層具有限定間隔開導(dǎo)電區(qū)的二維圖案。這考慮到增加通過晶體管的電流，以及其開關(guān)速度。本發(fā)明可以用在垂直結(jié)構(gòu)晶體管和橫向結(jié)構(gòu)晶體管中。以下是本發(fā)明在垂直TFT中的實(shí)現(xiàn)的一些實(shí)例。在垂直晶體管結(jié)構(gòu)中，溝道長度是溝道層(例如多晶硅或非晶硅、或聚合物層)的厚度且不是漏和源電極之間的水平距離。在這樣的器件中，柵電極可放置在源和漏電極下面。該布置的主要障礙是由屏蔽柵極電場透過溝道的源電極產(chǎn)生的。本發(fā)明通過利用作為具有間隔導(dǎo)電區(qū)形式圖案的導(dǎo)電層的源或漏電極例如多孔電極解決了這個問題。該方案能夠使柵極電場透過多孔的源/漏電極，能使其通量控制注入電流從源電極進(jìn)入溝道材料中。參考圖3A-3C，示意性地示出了本發(fā)明用在垂直晶體管設(shè)計(jì)中的實(shí)例。圖3A示出了表示所述圖案化導(dǎo)電層的電極10的頂視圖。圖案化電極10，即形成孔(穿孔)11，以呈現(xiàn)出柵格狀結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)電(金屬)層中制作的這種圖案沿著該層實(shí)際上呈現(xiàn)出非連續(xù)的電導(dǎo)性。圖3B示出了利用該電極10作為源電極(所謂的“PS-VTFT”)的TFT100的側(cè)視圖。TFT 100包括由絕緣體13與源電極層10隔開的柵電極；溝道元件層14(本實(shí)例中的半導(dǎo)體層)；和漏電極層16。選擇源極10金屬以使其具有電荷注入其上方的半導(dǎo)體層14中的勢壘，以便抑制從源極金屬朝著漏電極 16的直接注入。該金屬是已知金屬(鋁、銅、銀、金等)中之一且選擇使得它的功函數(shù)與半導(dǎo)體能級(或能帶)間隔以便形成注入阻擋?？紤]到注入，首先借助柵極電壓由電荷載流子填充(即間隙區(qū))溝道14。一旦在半導(dǎo)體材料14中存在電荷，它們就會自由地移動到收集漏電極16并且晶體管100將位于打開(ON)狀態(tài)。相對源電極10的零(或反向)偏壓將排空這些區(qū)域并且由此晶體管將處于關(guān)閉(OFF)狀態(tài)。圖3C示出了類似的垂直TFT結(jié)構(gòu)200。為了便于理解，對于本發(fā)明的所有實(shí)例中共用的識別部件使用相同的附圖標(biāo)記。在晶體管200中，所述的導(dǎo)電圖案化層由漏電極16組成。這里，使用柵極電場來從現(xiàn)在用作源極的頂電極10引出電荷?？衫贸Ｒ?guī)的光刻形成圖案化的導(dǎo)電層。在多晶硅或非晶硅溝道材料的情況下這是更適合的技術(shù)?？蛇x地，該圖案化可基于在絕緣體層13上選擇性的金屬沉積，在任一情況下絕緣體層13具有朝著沉積金屬(例如，嵌段共聚物例如PS-b-PMMA)可變親和力的有機(jī)材料。在聚合物-材料溝道的情況下優(yōu)選該技術(shù)。參考圖4A-4F，具體說明了發(fā)明的圖案化源極垂直TFT (PS-VTFT) 300的結(jié)構(gòu)和操作。如圖4A所示，PS-VTFT 300包括限定柵電極層12、絕緣體層13、源極格柵層10(組成所述的圖案化導(dǎo)電層)、溝道元件(半導(dǎo)體)層14和漏電極層16的疊層。格柵狀源電極10能使柵極電場通量穿過源電極的導(dǎo)電區(qū)之間間隔的源電極層。場通量以與填充橫向OFET的溝道非常相似的方式在半導(dǎo)體-絕緣體界面吸引電荷載流子從源極金屬到暴露區(qū)域。由于選擇源電極金屬使得對電荷注入半導(dǎo)體中有阻擋的事實(shí)，所以調(diào)節(jié)柵電極電壓提供了所需要的電場來降低該注入阻擋。圖4B和4C示出了對于PS-VTFT結(jié)構(gòu)在相同的漏極-源極電壓(VDS = 5V)和不同的柵極-源極電壓(圖4A中的Ves = OV和圖4B中的Ves = 5V)接近源極格柵的計(jì)算的電位分布。應(yīng)注意，對于Ves = 5V，接近源極格柵界面會出現(xiàn)越大的電位降。該器件是通過求解柵電極-源電極-漏電極之間電位分布的二維泊松方程設(shè)計(jì)的。假設(shè)源極格柵電極為\ = 0V.1l (頂)電極為Vd = Vds = 5V以及柵電極為Ve = Vgs =OV或Ve = Vgs = 5V進(jìn)行計(jì)算。該計(jì)算示出了柵極會如何影響電荷從源極格柵注入半導(dǎo)體中。如上所述，在該具體實(shí)例中，嵌段共聚物用作絕緣體材料和源或漏電極的模板。如實(shí)例圖4E中更具體示出的，晶體管結(jié)構(gòu)400通常與上述結(jié)構(gòu)300相似，也就是包括柵電極12 (P摻雜的Si)、柵極介質(zhì)層結(jié)構(gòu)13 (SiO2和嵌段共聚物(BCP)薄膜)、圖案化的源極層10 (Ag)、溝道(半導(dǎo)體)層14 (C6tl)和頂部漏電極16 (Ag)。在晶體管400中，電流從圖案化源極10注入到溝道元件14中是通過在溝道14和導(dǎo)電圖案10之間插入薄的非導(dǎo)電層15優(yōu)化的。在垂直的FET中使用該夾層15與以下相關(guān):不希望導(dǎo)電圖案10和半導(dǎo)體溝道14之間的歐姆接觸，而是要提供與場相關(guān)的接觸(確保柵極電場能增強(qiáng)注入)。這是通過利用圖案化的源極10和溝道14之間的薄絕緣體實(shí)現(xiàn)的。圖4D中更具體示出的薄的多孔金屬源電極10，位于BCP模板的頂部上(層13的頂表面)。對于該晶體管的目標(biāo)應(yīng)用之一是用于有機(jī)LED基的大面積顯示器(AM-OLED)的有源矩陣驅(qū)動器。適合于制造這種圖案化電極的方法可基于[8]或[9]中描述的技術(shù)，適當(dāng)?shù)刈罴鸦阅軌蚩刂艬CP膜的表面結(jié)構(gòu)，由此優(yōu)化金屬層的布局和使其制造有很高的再現(xiàn)性。BCP表面圖案的優(yōu)化可包括利用 不同的BCP成分、不同的相對阻擋長度(表示BCP結(jié)構(gòu))和控制襯底的表面性質(zhì)。如上所述，可以使用相似技術(shù)來制造其它垂直晶體管結(jié)構(gòu)的柵電極，例如[3]的靜電感應(yīng)晶體管(SIT)結(jié)構(gòu)。利用BCP薄膜作為模板，發(fā)明人實(shí)現(xiàn)了通過間隙(圖4D)可以透過電場的納米尺寸Ag圖案。由PMMA嵌段的長度規(guī)定的銀圖案的開口尺寸均勻和測量為7nm。如上所述，利用不同的BCP組分和嵌段長度控制BCP膜的表面的外形和化學(xué)性質(zhì)的能力準(zhǔn)備好優(yōu)化金屬層的布局和使其制造非常高的再現(xiàn)性。發(fā)明人獲得了金屬線形成(圖4D)以制作垂直疊置的TFT (圖4E)。圖4F示出了該垂直TFT的輸出特性。其示出了利用BCP技術(shù)可以獲得選通效應(yīng)。二維泊松解的結(jié)果已顯示出可以利用不同尺度的BCP提高器件性能。該器件性能是通過對所得金屬圖案的不同嵌段共聚物組分和域(domain)尺寸的效果確定，和金屬層結(jié)構(gòu)(例如，間隙的外形和尺度)之間的相關(guān)性。IO6的0N/0FF比率是用耐用且可靠的方法的制造獲得的。以下是發(fā)明技術(shù)的描述和其相比該種特定的已知技術(shù)的新特征。圖5示出了通過掃描探針顯微照片獲得的聚苯乙烯-嵌段-聚(甲基丙烯酸甲酯)(PS-b-PMMA)嵌段共聚物模板。左面示出了高度對比度，右面示出了 PS(暗)和PMMA(亮)域之間的相位(硬度)對比；插入物示出了 2D傅里葉變換，其表示周期性結(jié)構(gòu)。這樣的嵌段共聚物模板可以通過例如由以下構(gòu)成的已知技術(shù)中的一種來制備:形成圓柱狀嵌段共聚物(例如具有PMMA體積比為0.3的PS_b_PMMA)的溶液被旋轉(zhuǎn)模鑄在襯底(例如，具有氧化硅頂層的硅晶片)上以形成具有對應(yīng)于一個周期嵌段共聚物厚度的薄膜。隨后大于聚合物的玻璃相變溫度的熱退火幾個小時會導(dǎo)致微相分離和形成對應(yīng)于不同嵌段的分離域。較少的大嵌段會形成由其它嵌段制成的矩陣狀圓柱體。膜的頂部呈現(xiàn)出具有約45nm周期的露出的半圓柱體的圖案，其將用作模板。本發(fā)明可以利用上述的已知技術(shù)來制造表面能圖案化膜，其在本發(fā)明的實(shí)例中還用作電絕緣體(晶體管中的柵極介質(zhì))?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來指引圓柱體的定向和增加它們的排序，包括使用電場、圖案化的表面和空間限制。例如在[10]中公開了這種技術(shù)。應(yīng)理解，示例性的嵌段共聚物可由用于圖案化模板的可選嵌段共聚物替代。合適的嵌段共聚物例如包括以下:聚苯乙烯-嵌段-聚(甲基丙烯酸甲酯)(PS-PMMA)、聚苯乙烯-嵌段-聚(環(huán)氧乙烷)(PS-PEO)、聚苯乙烯-嵌段-聚(4-乙烯基吡啶)(PS-P4VP)(以及PS-P2VP)、聚苯乙烯-嵌段-聚(二茂鐵基二甲基硅烷)(PS-PFES)等等。PMMA提供了朝著聚苯乙烯(PS)疇的高度選擇性的蒸發(fā)金屬(例如銀(Ag)、金(Au)等等；某些金屬需要的隨后的簡要退火步驟[9])，其是用于制造圖案化襯底的有用特性。另外，PMMA是極性的且為了相同的目的提供了對于PED0T/PSS的良好的粘合性。PMMA嵌段可以由任何其它的聚丙烯酸酯或者甚至由聚(丙烯酸)(PAA)替代。PEO是水溶性的，由此能夠形成PED0T/PSS納米線，其需要用于制造垂直的FET。P4VP容易給嘧啶單元加質(zhì)子，由此可利用靜電相互作用提供PED0T/PSS與它的域的增強(qiáng)的粘合性。至于PS-PFES，PFET域中的Fe原子可以轉(zhuǎn)換成Fe納米顆粒，其可用作制造形成它們的圖案有機(jī)化的導(dǎo)電島的可選物。在所有的這些選項(xiàng)中，作為第一嵌段的PS可以用聚異戍二烯[polyisoprene](PI)、聚丁二烯[polybutadiene] (PBD)或聚乙烯丙稀[poly (ethylene-propylene) ] (PEP)替代，它們本質(zhì)上都是疏水性的且提供了與第二嵌段的化學(xué)對比。現(xiàn)在讓我們考慮制造 導(dǎo)電納米尺寸金屬圖案的已知技術(shù)。在這一點(diǎn)上，參考圖6A和6B，示出了納米尺寸導(dǎo)電金屬圖案的掃描電子顯微照片圖像。金屬原子(例如銀)熱蒸發(fā)到微相分離的嵌段共聚物膜上會導(dǎo)致在一種類型的嵌段共聚物疇的頂部上優(yōu)先分離金屬原子，形成具有典型尺寸為約10-30nm的金屬島或線網(wǎng)。蒸發(fā)金屬的量規(guī)定了最終網(wǎng)的外形和導(dǎo)電性。圖6A示出了反射底層嵌段共聚物薄膜的導(dǎo)電納米尺寸金屬線網(wǎng)。圖6B是通過將少量金屬蒸發(fā)到聚合物膜上獲得的，導(dǎo)致隔離的島，然而，模仿嵌段共聚物。本發(fā)明提供了例如利用與上述實(shí)例中相同的模板制造導(dǎo)電納米尺寸的PED0T/PSS圖案。導(dǎo)電聚合物聚(3，4-乙烯二氧噻吩)/聚(4-苯乙烯磺酸酯)的水溶液通過過濾器沉積并旋涂在薄膜的頂部上。多滴燒結(jié)的PED0T/PSS，8nm高，形成在根據(jù)嵌段共聚物的圖案排列成一行的親水性嵌段共聚物疇的頂部上，如圖7所示。該圖示出了 20nm高度對比的掃描探針顯微照片圖像；插入物示出了具有對應(yīng)于48nm窄環(huán)的2D傅里葉變換。通過改變?nèi)芤簠?shù)、嵌段共聚物和其組分的長度尺寸，能夠調(diào)節(jié)PEDOT結(jié)構(gòu)從小滴到延長線并且最后到非晶網(wǎng)。如上所述，本發(fā)明提供了利用晶體管中的嵌段共聚物膜來增強(qiáng)電荷遷移率。當(dāng)前微電子中的努力集中在發(fā)展用于將增強(qiáng)器件性能[11，12]的OTFT的新介質(zhì)絕緣體材料上。發(fā)明人使用PS-b-PMMA嵌段共聚物來限定OTFT介質(zhì)絕緣體(其位于薄SiO2層的頂部上)的頂表面。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)遷移率增強(qiáng)了并且超過了 Icm2V-1S'伴隨的效果是閾值電壓縮減了5分之一(與單獨(dú)利用SiO2作為介質(zhì)絕緣體相比)。應(yīng)注意，可以使用嵌段共聚物絕緣層作為附加絕緣層或單絕緣層。嵌段共聚物膜會影響最近的有機(jī)半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)或排序(或晶粒尺寸)，和增強(qiáng)TFT溝道中的電荷載流子遷移率。對于具有SiO2/嵌段共聚物絕緣體的C6tlOTFT,結(jié)果好于文獻(xiàn)[13]中報道的最好的C60OTFT,并且在公布的已知最好的N型有機(jī)晶體管之中。如上所述，本發(fā)明還提供了一種新型橫向結(jié)構(gòu)晶體管，其中隔開的導(dǎo)電區(qū)形式的圖案化導(dǎo)電層與晶體管溝道元件結(jié)合使用。關(guān)于這一點(diǎn)，參考圖8，示出了滲透網(wǎng)在閾值的示意性描述。子滲透導(dǎo)電網(wǎng)的最好性能需要該網(wǎng)非常接近它的閾值，但保持在該閾值以下以避免電短路。如圖8所示，形成的第一滲透路徑一般很薄且占用很少的空間。在本發(fā)明的橫向晶體管結(jié)構(gòu)中，在源和漏電極之間的溝道區(qū)(間隙)附近提供了圖案化導(dǎo)電層。關(guān)于這一點(diǎn)，參考圖9A和9B，分別示出了根據(jù)本發(fā)明的橫向晶體管結(jié)構(gòu)的兩個實(shí)例。在圖9A的實(shí)例中，晶體管結(jié)構(gòu)500包括襯底層18 (例如SiO2);襯底頂部上的柵電極12 ;絕緣體層13 ;溝道層14(例如半導(dǎo)體或聚合體)；溝道14上方的間隔金屬島形式的圖案化導(dǎo)電層20 ;和上層中的源和漏電極10和16。該島可直接位于溝道層14的頂部上，或者可由此與薄絕緣體層15隔開。如上所述，提供的該薄絕緣體能最佳化電流從島注入到溝道中。島之間的間隔橫跨圖案化區(qū)域變化，以便長度效應(yīng)最小化和/或達(dá)到均衡。圖9B示出了常用的類似橫向晶體管結(jié)構(gòu)600，其與上述實(shí)例的區(qū)別在于圖案化的導(dǎo)電層20位于溝道層14下面。該晶體管600包括襯底層18(例如SiO2);襯底頂部上的柵電極12 ;絕緣體層13 ;間隔金屬島形式的圖案化導(dǎo)電層20 ;溝道層14(例如半導(dǎo)體或聚合體);和上層中的源和漏電極10和16。圖9C-9D更具體地示出了與圖9B類似的晶體管器件的制備。如圖9C所示，首先提供柵電極12，然后在柵極 層12上沉積SiO2的絕緣層13。其后，或者通過直接沉積和通過光刻圖案化，或者通過使用合適的有機(jī)層和如上所述的選擇性沉積，在絕緣體13上提供圖案化的導(dǎo)電層20。在本實(shí)例中，該層20由鉬制成，島尺寸為10x，其中X是島之間的距離。然后，如圖9D所示，在圖案化層20上沉積半導(dǎo)體(溝道)層14。圖1OA和IOB分別示出了島矩陣20和其上具有源/漏極層的島矩陣20的顯微照片圖象。圖11A-11C比較了用本發(fā)明的橫向晶體管結(jié)構(gòu)獲得的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的橫向FET獲得的結(jié)果。圖1lA示出了通過晶體管的電流作為利用27000 μ m寬度和IOOym長度矩陣的本發(fā)明的FET的漏極/源極電壓的函數(shù)，圖1lB示出了用于利用10000 μ m寬度和5 μ m長度的矩陣的標(biāo)準(zhǔn)FET的類似函數(shù)。圖1lC示出了寬度/長度比的標(biāo)準(zhǔn)化電流。發(fā)明人希望獲得10倍的增益，但與常規(guī)晶體管相比，結(jié)果顯示出甚至16倍的增益。在溝道上方或下方的層中的間隔導(dǎo)電區(qū)的圖案優(yōu)選是二維圖案。該目的在于防止對整個結(jié)構(gòu)的局部缺陷的影響?，F(xiàn)在參考圖12A和12B，示出了本發(fā)明的橫向晶體管的兩個以上的實(shí)例。這些實(shí)例與前述實(shí)例不同在于晶體管溝道的有效長度是通過減小源和漏電極之間的間隙G而減小的。晶體管700包括柵電極12、絕緣體13、溝道層14、絕緣體15、與溝道層14直接接觸的源和漏電極10和16、和通過絕緣體15隔開的圖案化導(dǎo)電層30。圖案化的導(dǎo)電層30是通過由絕緣體15與溝道隔開的源和漏電極的區(qū)域10'和16'、和其之間的相同層的導(dǎo)電區(qū)12'形成的。該區(qū)域12'呈現(xiàn)出所謂的“浮置柵”，其不是用于任何的有源潛在電源，但由于器件的2D性質(zhì)而用于短接溝道14中的電位。由此通過源極和漏極和浮置柵之間的間隙Gl和G2形成源極和漏極之間的間隙G。重要的是與源極-漏極距離相比頂部絕緣體15以及溝道14很薄，以便制造真正的2D結(jié)構(gòu)。例如，對于5微米的源極-漏極距離，該厚度優(yōu)選在500nm以下且更優(yōu)選在IOOnm以下。應(yīng)注意頂部絕緣體15不必是理想的絕緣體,其對OFF狀態(tài)的漏電流是沒有作用的。圖12B示出了晶體管800，其中，由于提供的頂部絕緣體15，間隙G是通過在絕緣體15上方制造圖案化的導(dǎo)電層40減小的，其中在絕緣體15處該層40是通過彼此朝著層15上方延伸漏極和源極層區(qū)域中的一個或兩個來形成的。應(yīng)注意，設(shè)計(jì)溝道和源極/漏極層之間的絕緣體層15來制造接觸溝道的場以便延伸的源/漏區(qū)會在ON狀態(tài)注入且在OFF狀態(tài)隔離。如上所述，在某些實(shí)施例中本發(fā)明利用嵌段共聚物來制造預(yù)先確定的且橫跨整個器件具有很小間隙的導(dǎo)電圖案以便有效間隙實(shí)際上很小。由此本發(fā)明采用通過嵌段共聚物薄膜技術(shù)提供的控制圖案，其依靠粘合力而不是基于常規(guī)的滲透法。這能夠制造高密度(填充系數(shù))的導(dǎo)電區(qū)，其制造了非均勻納米尺寸的圖案，但均勻出現(xiàn)在微米尺寸上(低成本晶體管的相應(yīng)尺寸)。這示于圖13A和圖13B中，其示出了具有源和漏電極10和16之間的導(dǎo)電區(qū)50的橫向FET 900的側(cè)視圖和頂視圖。溝道14和島50之間的絕緣體15是嵌段共聚物。圖13B是小區(qū)域的圖象放大，其示出了導(dǎo)電區(qū)占很大的空間而非導(dǎo)電區(qū)占很小的空間。本發(fā)明可以用在光敏可開關(guān)的有機(jī)TFT(OTFT)中。橫向的C6tl OTFT是光敏的。光子能增強(qiáng)了絕緣體-半導(dǎo)體界面中的電流注入到C6tl有源層和/或釋放的俘獲電荷。照明能增強(qiáng)OTFT電流三個數(shù)量級， 而器件導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)是由柵電極控制的。通過采用非連續(xù)金屬膜(“金屬的”還表示導(dǎo)電聚合物)，增強(qiáng)了溝道的導(dǎo)電性并且顯著增強(qiáng)了接觸的效果使器件“有用性”。光敏可開關(guān)的OTFT可用于大面積傳感器陣列作為全頁片型掃描儀或數(shù)字的X射線板。圖14示出了在Vds = 18V測量的用于暗(藍(lán))和亮(粉紅)樣品的光敏可開關(guān)OTFT跨導(dǎo)特性。參考圖15A至15E，分別示出了本發(fā)明利用用于溝道材料的非晶硅的橫向結(jié)構(gòu)TFT的五個實(shí)例。圖15A中所示的TFT 1000A包括玻璃襯底18、被介質(zhì)(絕緣體)層13 (例如氮化硅或氧化硅)覆蓋的襯底頂部上的柵電極12、非晶硅的溝道層14、圖案化以在溝道層上方限定源電極10和漏電極16的金屬層60、和上保護(hù)層66 (例如由聚合物或氧化硅制成的鈍化物)。如圖所示，提供η+α-Si層62并且適當(dāng)?shù)貓D案化以在a-Si溝道層和源和漏電極之間限定n+a-Si。該層62改善了 a-Si層14和金屬層60之間的歐姆接觸。如圖中進(jìn)一步示出的，圖案化層60和62以在源和漏電極區(qū)域之間限定電性隔開的導(dǎo)電區(qū)(島)64。由此，在該實(shí)例中，與晶體管溝道有關(guān)的圖案化導(dǎo)電層是通過層結(jié)構(gòu)形成的，源和漏電極和n+a-Si區(qū)是由該層結(jié)構(gòu)形成的。區(qū)域64是兩層疊層。圖15B示出了晶體管1000B，其通常配置得與圖15A中的類似，但區(qū)域64是由n+a-Si材料形成的單層區(qū)域。該層62—般具有比a _Sil4高且比金屬60低的電導(dǎo)率。圖15C示出了晶體管1000C，其不同于圖15B的結(jié)構(gòu)在于，在溝道上方和源和漏電極之間的導(dǎo)電區(qū)64是由位于溝道層頂部上的電極材料形成的單層區(qū)域(其下面沒有n+a-Si材料)。例如這可以通過雙蝕刻來實(shí)現(xiàn)，以首先移除源和漏電極之間的區(qū)域內(nèi)的n+a-Si材料，然后圖案化所述區(qū)域中的金屬層。圖1 示出了晶體管1000D，包括玻璃襯底18、在其頂部上且被絕緣體13覆蓋的柵電極12、圖案化以限定隔開的n+ a -Si區(qū)域64的第一 n+ a -Si層62'、溝道層14、第二n+ a -Si層62和其上方的金屬層60。圖案化層60和62以通過n+ a -Si層62的區(qū)域限定源和漏電極10和16與溝道層14隔開。由此，在該實(shí)例中，與溝道區(qū)相關(guān)的圖案化導(dǎo)電層位于溝道區(qū)下面。圖15E示出了晶體管結(jié)構(gòu)1000E，其通常與圖15A-15C的結(jié)構(gòu)類似，其中與溝道14相關(guān)的圖案化的導(dǎo)電層64位于溝道區(qū)上方，但其具有溝道層14和所述的圖案化導(dǎo)電層64之間的薄絕緣層15。參考圖16A至16E，以自說明的方式示出了與晶體管溝道相關(guān)的導(dǎo)電層的圖案的不同實(shí)例。在這些實(shí)例中，圖案化的導(dǎo)電層為網(wǎng)孔(格柵)形式，其中格柵元件可包括沿著溝道延伸(圖16A、16B和16E)或以關(guān)于溝道軸的某一斜角(約45° )延伸(圖16C、16D)或二者(圖16E)延伸的元件Ml。應(yīng)注意，延伸過溝道(圖16A、16B、16C和16E中的區(qū)域M2，和圖16C和16D中的區(qū)域札)的導(dǎo)電區(qū)還用作能鈍化包括在器件操作期間產(chǎn)生的深陷阱的電荷儲蓄器，由此增強(qiáng)了它的穩(wěn)定性(在a-Si中知道缺陷例如缺氫會出現(xiàn)在器件操作器件并會產(chǎn)生閾值電壓偏移)。以下是適合用于本發(fā)明中的圖案化技術(shù)來限定與橫向晶體管結(jié)構(gòu)的溝道最近的隔開導(dǎo)電區(qū)的一些實(shí)例。該圖案可通過圖案化 溝道上方的抗蝕劑層來制造，利用激光干涉顯影抗蝕劑和實(shí)現(xiàn)微米或亞微米圖案而沒有掩?；蚪佑|；或者利用模壓加工硬或軟掩模來形成高分辨蝕刻掩模。在一些其它實(shí)施例中，可以利用子連續(xù)液體沉積層的去濕形成蝕刻掩?；蚩刮g劑圖案化掩模?？赏ㄟ^以一厚度、速率、襯底溫度等蒸發(fā)或?yàn)R射金屬制造隔離金屬島作為導(dǎo)體和/或蝕刻掩模，以便保持沉積金屬的非連續(xù)島生長?？衫枚嘟M分的、相位差混和抗蝕劑材料以便在2D布置的第二相位矩陣中一個相位形成隔離島。矩陣可以被選擇性地溶解、蝕刻或以其它方式移除且剩余的島用作圖案。在一些其它實(shí)施例中，可使用類似的混合技術(shù)但一個相位是導(dǎo)體；或一個相位包含金屬納米顆粒?？衫梦⒔佑|印刷對溝道上方的金屬和/或η+層進(jìn)行圖案化。在一些其它實(shí)施例中，可以使用類似技術(shù)，但接觸圖案化材料是自組裝的單層(SAM)?？梢岳米越M裝嵌段共聚物對溝道導(dǎo)體進(jìn)行圖案化來形成薄層狀或2D結(jié)構(gòu)的島形網(wǎng)，以用作光掩?；騺盹@影抗蝕劑，或選擇性地蝕刻并用于隨后的蝕刻圖案轉(zhuǎn)印。在有機(jī)聚合物半導(dǎo)體或溶液處理的無機(jī)晶體管的一些其它實(shí)施例中，溝道可以是半導(dǎo)體矩陣中的隔離導(dǎo)電域的相位差混合。如上所述，本發(fā)明在其第二方面，提供了通過以具有比溝道材料的電導(dǎo)率高的材料的隔開區(qū)的二維陣列形式在溝道內(nèi)制造圖案來減小晶體管溝道的有效長度?？梢酝ㄟ^附加工藝?yán)鐡诫s將這樣的二維導(dǎo)電圖案壓印成溝道材料。圖17Α舉例說明了通過利用已知機(jī)理的摻雜擴(kuò)散或離子轟擊制造二維導(dǎo)電圖案的α-Si遮光板的摻雜。該掩模不必是物理遮光板，且可以利用其它的光刻法實(shí)現(xiàn)相同的效果。在硅類型(無機(jī)結(jié)晶)的情況下，利用從鄰近存在Si的那些列的列的元素周期表選擇摻雜劑原子(Al或P)。所得結(jié)構(gòu)的實(shí)例示于圖17Β中。

可選地，尤其是在有機(jī)材料的情況下，作為實(shí)例可以將摻雜劑直接印刷到半導(dǎo)體溝道上并使其在內(nèi)部擴(kuò)散。這以自說明的方式示于圖17C中。在有機(jī)分子的情況下，摻雜劑一般是電子(空穴)豐富且具有關(guān)于溝道材料提供(收回)電子的趨勢的分子。對于各種有機(jī)半導(dǎo)體的合適的摻雜劑在科技文獻(xiàn)中是豐富的。作為實(shí)例，研究了陽離子染料焦寧B氯化物作為1，4，5，8_四羧酸雙酐萘(NTCDA)膜中的摻雜劑。另一實(shí)例是噻吩材料的情況，其中可以使用磺化化合物，例如氧等。由此，本發(fā)明提供了一種用于改善晶體管結(jié)構(gòu)性能的新方式和由此利用這種晶體管的器件。本發(fā)明由提供通過隔開導(dǎo)電區(qū)的陣列(優(yōu)選二維陣列)形成的層組成，呈現(xiàn)出非連續(xù)電導(dǎo)性的層，與晶體管有源元件有關(guān)；或在低電導(dǎo)率的溝道材料內(nèi)提供二維陣列的高電導(dǎo)率材料的隔開區(qū)形式的圖案。在垂直晶體管結(jié)構(gòu)中，在晶體管電極(例如源電極)中實(shí)現(xiàn)了這種不連續(xù)的電導(dǎo)性，其被制作成多孔的(圖案化以限定由金屬區(qū)圍繞的孔)，也就是呈現(xiàn)出金屬條網(wǎng)(格柵)。該方案能使得柵極電場穿透源電極，能夠使其通量控制從源電極到半導(dǎo)體材料中的注入電流。優(yōu)選地，使用嵌段共聚物來制造該網(wǎng)絡(luò)圖案的源電極:使用嵌段共聚物作為絕緣體材料和用于源(或漏)電極的模板；該薄和多孔金屬源電極位于嵌段共聚物模板的頂部上。在橫向晶體管結(jié)構(gòu)中，與晶體管溝道有關(guān)實(shí)現(xiàn)了非連續(xù)的電導(dǎo)性，且非連續(xù)的電導(dǎo)性是通過提供最接近溝道的間隔導(dǎo)電區(qū)陣列來實(shí)現(xiàn)的。這些區(qū)域可以是溝道上方或下方的層；其中層可直接在溝道上方或上方或通過薄絕緣體層由此隔開；這些區(qū)域可以是溝道和包含層的源/漏之間的層或者可以用相同的包含層的源/漏制作的。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易意識到，可以對如上文舉例說明的本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和改變，而不脫離由所附權(quán)利要求定義的范圍。
權(quán)利要求
1.一種晶體管器件，包括不同導(dǎo)電層中的源電極和漏電極、所述導(dǎo)電層之間的溝道層和絕緣體結(jié)構(gòu)上的柵電極，該絕緣體結(jié)構(gòu)附著到源電極或漏電極中的一個，以及絕緣體使該柵電極與所述源電極與漏電極中的一個分隔，其中: 所述源電極與漏電極中的一個是圖案化的，圖案是間隔開的穿孔的形式，使得每個穿孔被電極層材料包圍，由此提供電極層內(nèi)不連續(xù)的電導(dǎo)性；以及 源電極層和溝道的材料組成選擇為用以產(chǎn)生電荷注入溝道中的勢壘，由此抑制電荷從源電極向漏電極的直接注入。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管器件，配置為薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管器件，其中所述溝道層結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體層。
4.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管器件，其中源電極層和溝道的材料組成選擇為使源電極層材料的功函數(shù)與溝 道層結(jié)構(gòu)的能帶輪廓間隔，從而形成注入勢壘。
5.如權(quán)利要求4所述的晶體管器件，其中柵電壓經(jīng)由所述電極中的一個中的穿孔通過電荷載流子引起溝道半導(dǎo)體材料的填充，由此允許電荷載流子自由地移動到另一電極，弓丨起晶體管的打開狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管器件，包括柵電極與所述圖案化電極之間的嵌段共聚物層，該嵌段共聚物層作為用于電極層中所述圖案的模板。
7.如權(quán)利要求6所述的晶體管器件，其中該嵌段共聚物層是柵電極與圖案化電極之間的絕緣體的一部分。
8.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管器件，其中圖案化電極中穿孔的特征直徑與溝道結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體層的厚度相當(dāng)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管器件，其中所述圖案化電極配置為由表面能的納米尺寸圖案化產(chǎn)生的多孔金屬層。
10.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管器件，包括所述圖案化電極層與溝道之間的附加層結(jié)構(gòu)，所述附加層結(jié)構(gòu)配置為使電荷注入性質(zhì)最大化和/或增強(qiáng)圖案化電極和溝道結(jié)構(gòu)的化學(xué)相容性。
11.如權(quán)利要求10所述的晶體管器件，其中所述附加層結(jié)構(gòu)是介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11所述的晶體管器件，其中所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)防止圖案化電極與溝道之間的歐姆接觸，并且提供圖案化電極與溝道之間的與場相關(guān)的接觸，由此能夠通過柵電壓產(chǎn)生的電場增強(qiáng)電荷注入。
13.一種晶體管器件，包括如下層的疊層:柵電極層、所述柵電極層頂部上的電絕緣體、所述電絕緣體頂部上的作為源電極和漏電極中的一個的圖案化電極層、所述圖案化電極層上方的溝道層結(jié)構(gòu)和溝道層結(jié)構(gòu)頂部上的漏電極和源電極中的另一個的層，其中: 所述圖案化電極中的圖案是間隔開的穿孔的形式，每個穿孔被各自電極層材料包圍，由此提供電極層內(nèi)不連續(xù)的電導(dǎo)性；以及 源電極層的材料組成根據(jù)溝道層結(jié)構(gòu)的能帶選擇，從而產(chǎn)生電荷注入溝道中的勢壘，由此抑制從源電極向漏電極直接注入電荷，利用柵電極上的電壓降低注入勢壘，從而能在所述穿孔中填充電荷載流子。
全文摘要
本發(fā)明提出一種晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法，其中提供一種晶體管器件，例如薄膜晶體管。該器件包括與電子器件的有源元件相關(guān)的圖案化導(dǎo)電層。該導(dǎo)電層具有限定間隔導(dǎo)電區(qū)陣列的圖案。該技術(shù)能增加通過器件的電流。
文檔編號H01L51/10GK103219465SQ201310008669
公開日2013年7月24日 申請日期2007年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月9日
發(fā)明者尼爾·泰斯萊, 莫迪·馬格利特, 奧代德·格洛伯曼, 羅伊·謝哈爾 申請人:技術(shù)研究及發(fā)展基金有限公司