[发明专利]使用光活性有机材料的强化晶体管及其制备方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年5月28日提交的美国申请系列第12/790,113号的优先权。

背景技术

本发明涉及半导体器件，例如晶体管、半导体实现的电阻、二极管等的制备。所述晶体管包括薄膜晶体管（TFT），其用于许多技术领域，例如电子应用，包括OLED、液晶显示器（LCD）、光伏器件、集成电路等。

可以根据所用基材技术的类型、制备方法的复杂性以及晶体管所需的功能和特性，使用各种构造来制备所述晶体管，例如场效应晶体管（FET）。在平板显示器工业中，TFT具有以下几种用途，包括：用作对液晶显示器（LCD）的每一个像素进行开关分立式晶体管，或者对有机发光二极管（OLED）显示器的各个像素进行驱动的分立式晶体管。当然，在显示器技术中TFT还有许多其他用途，包括：涉及离散像素电路的电路，例如阵列控制电路，驱动电路以及测试电路，其中许多可以设置在像素显示区域的外围。

可以用无机材料和/或有机材料来制备FET。传统的有机晶体管通常水平地形成在坚固或者挠性的基材上。晶体管结构包括，栅电极、漏电极和源电极，以及有机半导体层和电绝缘层（栅介电层）。有机半导体层起了空穴、电子或者双极电荷传输通道的作用。通过热处理、电子束蒸发或者溅射，并且通常使用金属、金属化合物、透明导电氧化物或者导电有机材料对电极进行沉积。

希望从影响晶体管性能的以下两个重要因素提升FET的电特性：(a)半导体层的通道场效应迁移率，以及(b)从漏-源电极到通道的载体的电荷注入效率。

发明内容

在建立晶体管性能中重要的因素包括：(a)半导体层的通道场效应迁移率，以及(b)从漏-源电极到通道的载体的电荷注入效率。通过沿着电极/通道界面建立的接触电阻来测定电荷注入效率。高性能晶体管应该拥有具备小的亚阈值摆幅、接触电阻以及大开/关比的高迁移率。

显示某些方法有效地提升了晶体管的通道场效应迁移率。一个已知的方法是通过插入缓冲层来降低通道和栅介电之间的界面陷阱或者缺陷。该缓冲层可以是自组建单（多）层或小分子（例如，六甲基二硅氮烷或者六甲基二硅氧烷（HMDS））或聚合物（例如含氟聚合物），它们可以与电介质反应或者使电介质的表面状态钝化以使得某些表面化学状态（例如氧化硅表面的羟基基团）的电荷俘获特性最小化。但是，该方法没有进一步提升通道的本征迁移率，而其迁移率是由通道材料的块特性所决定的。

在另一个已知方法中，可以通过使用强酸对通道进行化学掺杂对场效应迁移率施加外部影响。该掺杂可有目的地导致导电性的增加，但是也造成栅调制的显著下降并降低开/关比。因此，还有待用已知方法来实现具有提升的迁移率并且无需损害开/关比的外部掺杂通道的建立。

由于材料的不匹配，在电极（漏电极、源电极）和有机（或无机）半导体层之间的接触电阻约为K-Ohm或者更高，并且预期会明显限制具有缩短的通道长度（漏电极和源电极之间的距离）的器件中的电荷注入。为了改善从漏-源电极到通道的电荷注入，文献中已知有数种方法。使用自组建单层（SAM）对电介质表面或接触面进行改性，从而改善晶体管的性能。所述单层仅可以在某些电介质或导电表面上组建，并会引起溶液加工的有机材料的去湿问题。此外，可以在漏-源电极和通道中插入强氧化/还原小分子掺杂剂，（例如F4TCNQ）从而降低接触电阻。但是，SAM沉积通常是自限性过程，其可以用于具有某些表面化学官能基团的金属或金属氧化物表面上。因此，SAM沉积适用于具有底接触几何形状的晶体管，其中在SAM沉积之前对漏-源电极进行预沉积和预图案化。但是，SAM沉积并不适用于具有顶接触几何形状的晶体管，因为在有机通道表面上的分子组装不是无关紧要的。除了金属漏-源电极，导电聚合物也可能与通道形成低接触电阻界面，但是对导电聚合物进行图案化作为顶电极需要特定系列的光致抗蚀剂和加工/显影溶剂。激光干涉图案化是对导电聚合物进行图案化的一个选择，用以在有机晶体管上实现小通道长度。

除了降低漏电极和源电极的接触电阻之外，对于有机通道顶部的高导电性电极进行图案化也有巨大的需求。例如，希望制造亚微米通道顶接触有机晶体管。将碳纳米管分散到溶于水中的聚（丙烯酸）或者聚（4-苯乙烯磺酸）可以提供高导电性电极，其也可光图案化。阴影掩模法可以实现最小约为5微米的通道长度，但是该方法无法用于制备更小通道的器件。已知传统的光致抗蚀体系包含腐蚀性有机溶剂和强碱显影剂，并且由于化学损害与有机通道顶部的图案顶接触不相容。