[发明专利]低接触电阻的有机薄膜晶体管

说明书

发明领域

本发明涉及有机薄膜晶体管，且特别涉及在所述晶体管、尤其是具有短沟道长度的那些晶体管中的接触电阻的降低。

发明背景

晶体管可分为两种主要类型：双极结型晶体管和场效应晶体管。这两种类型具有共同结构，所述结构包括三个电极且在沟道区中半导体材料设置于它们之间。双极结型晶体管的三个电极被称为发射极、集电极和基极，而在场效应晶体管中，三个电极被称为源极、漏极和栅极。由于发射极和集电极之间的电流受在基极和发射极之间流动的电流控制，因此双极结型晶体管可被描述为电流操作器件。相反，由于在源极和漏极之间流动的电流受栅极和源极之间的电压控制，因此场效应晶体管可被描述为电压操作器件。

晶体管也可根据它们是否包括分别传导正电荷载流子（空穴）或者负电荷载流子（电子）的半导体材料而被分成p-型和n-型。可根据半导体材料接收、传导和施予电荷的能力而对其进行选择。可通过对半导体材料进行掺杂来增强半导体材料接收、传导和施予空穴或电子的能力。用于源极和漏极的材料也可根据其接收和注入空穴或电子的能力来选择。例如，p-型晶体管器件可通过如下方式形成：选择在接收、传导和施予空穴方面有效的半导体材料，以及选择在从该半导体材料注入和接收空穴方面有效的源极和漏极的材料。这些电极中的费米能级与该半导体材料的HOMO（最高已占分子轨道）能级的良好能级匹配可增强空穴注入和接收。相反，n-型晶体管器件可通过如下方式形成：选择在接收、传导和施与电子方面有效的半导体材料，以及选择在向该半导体材料注入电子以及由该半导体材料接收电子方面有效的源极和漏极的材料。所述电极中的费米能级与该半导体材料的LUMO（最低未占分子轨道）能级的良好能级匹配可增强电子注入和接收。

可通过将组分沉积为薄膜从而形成薄膜晶体管来形成晶体管。当使用有机材料作为这种器件中的半导体材料时，其被称为有机薄膜晶体管。

有机薄膜晶体管的各种布置是已知的。一种此类器件是绝缘栅场效应晶体管，其包括源极和漏极，且半导体材料布置在它们之间处于沟道区中，布置在该半导体材料上方的栅极以及布置在栅极和沟道区中的半导体材料之间的一层绝缘材料。

这种有机薄膜晶体管的一个实例示于图1中。所示结构可沉积在衬底（未显示）上并包括源极2和漏极4，所述源极和漏极通过位于其间的沟道区6而隔开。有机半导体8沉积在沟道区6中并可在源极2和漏极4的至少一部分的上方延伸。介电材料的绝缘层10沉积在有机半导体8上方并且可在源极2和漏极4的至少一部分的上方延伸。最后，栅极12沉积在绝缘层10上方。栅极12位于沟道区6上方并且可在源极2和漏极4的至少一部分的上方延伸。

由于栅极位于器件的顶侧，因此上述结构被称为顶栅有机薄膜晶体管。作为替代，还已知的是在器件底侧上提供栅极从而形成所谓的底栅有机薄膜晶体管。

图2中示出了这种底栅有机薄膜晶体管的示例。为了更清楚地显示在图1和图2中所示结构之间的关系，为相应的部件使用了相同的附图标记。图2中所示的底栅结构包括沉积在衬底1上的栅电极12，且介电材料的绝缘层10沉积在其上。源电极2和漏电极4沉积在介电材料的绝缘层10上方。源电极2和漏电极4被位于它们之间处在栅电极上方的沟道区6隔开。有机半导体8沉积在沟道区6中并且可以在源电极2和漏电极4的至少一部分上方延伸。

可通过在栅极处施加电压来改变沟道的导电性。因此，能够利用所施加的栅极电压开启和关断晶体管。对于给定电压可实现的漏电流取决于器件的有源区域（介于源电极与漏电极之间的沟道区）中的有机半导体中的电荷载流子的迁移率。因此，为了利用低的操作电压实现高的漏极电流，有机薄膜晶体管必须具有如下有机半导体：其在沟道区中具有高度迁移性的电荷载流子。

存在近年来已开发出的多种化合物类型，它们潜在地适合用作有机薄膜晶体管中的半导体材料。一种特别重要的类别是所谓的小分子半导体。这些是非聚合的半导体有机分子。典型的实例包括并五苯衍生物和噻吩衍生物。

尽管小分子半导体材料由于它们高度晶态的结构（特别是当为热蒸发的薄膜时）而能够表现出高的迁移率，但是由于它们的成膜性能差从而常常难以从溶液加工的膜获得可重复的结果。与源自衬底的材料网状组织（reticulation）和与衬底附着性相关的问题，膜粗糙度和膜厚度的变化能够限制这些材料器件中的性能。膜粗糙度可以是顶栅有机薄膜晶体管器件的进一步问题，因为在半导体层的最上表面形成累积层。