一种纳米级沟道有机场效应晶体管及其制备方法

摘要

本发明属于有机电子技术领域，特别涉及一种纳米级沟道有机场效应晶体管及其制备方法。为了克服现有技术中成本高的缺陷，本发明提供一种纳米级沟道有机场效应晶体管，包括绝缘衬底上的源电极、绝缘层、漏电极、有机半导体层、栅介质层和栅电极，所述源电极、有机半导体层、栅介质层和栅电极从左至右依次设置在绝缘衬底的上表面上；所述源电极上方从下到上依次设有绝缘层和漏电极，分别与有机半导体层接触；所述源电极、绝缘层和漏电极合起来的厚度与有机半导体层、栅介质层和栅电极的厚度相同。本发明通过控制绝缘层的厚度来控制器件的沟道长度，避免了昂贵的电子束光刻，大幅度地降低制备纳米级沟道有机晶体管的难度，从而减少了制备的成本。

说明书

技术领域

本发明属于有机电子技术领域，特别涉及一种纳米级沟道有机场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

随着信息技术的不断深入，电子产品已经进入人们生活工作的每个环节；在日常生活中人们对低成本、柔性、低重量、便携的电子产品的需求越来越大；传统的基于无机半导体材料的器件和电路很难满足这些要求，因此可以实现这些特性的基于有机聚合物半导体材料的有机微电子技术在这一趋势下得到了人们越来越多的关注。

有机场效应晶体管作为有机电路的基础元器件，其性能对电路的性能起着决定性的作用。其中迁移率决定了器件工作的快慢，进而影响电路的工作频率；电压，包括工作电压和阈值电压，决定了器件以及电路的功耗。由于信息量爆炸式的增长，人们一直以来都希望信息处理技术能够越来越快，能够处理的内容越来越多。制约信息处理技术快慢的因素有很多，包括硬件方面，也包括软件方面。单元器件的工作频率是硬件方面根本的问题。提高器件的工作频率主要有两条路径：一条路是减小沟道长度，另一条路是提高载流子的迁移率。在当前材料方面没有重大突破的情况下，载流子的迁移率提高非常有限，因此提高器件工作频率的方法主要就是减小沟道的长度。制约信息处理技术容量的因素同样也有很多，在硬件方面主要是电路的集成度，提高电路的集成度需要减小单元器件的面积。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种成本低、易集成的纳米级沟道有机场效应晶体管。

本发明的另一个目的在于提供一种纳米级沟道有机场效应晶体管的制备方法，能够充分利用现有设备，降低新器件制备的成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种纳米级沟道有机场效应晶体管，包括：绝缘衬底、源电极、绝缘层、漏电极、栅电极、栅介质层和有机半导体层，其特殊之处在于：所述源电极、有机半导体层、栅介质层和栅电极从左至右依次设置在绝缘衬底的上表面上，且相互接触，其中有机半导体层处于中心位置；所述源电极上方从下到上依次设有绝缘层和漏电极，且相互接触，并与有机半导体层接触；所述源电极、绝缘层和漏电极合起来的厚度与有机半导体层、栅介质层和栅电极的厚度相同。

上述绝缘衬底包括长有氧化硅或氮化硅绝缘薄膜的硅片、绝缘玻璃和绝缘塑料薄膜。

上述源电极、漏电极的材料为高公函数金属材料或导电有机物。

上述绝缘层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料，其厚度小于1微米。

上述绝缘层厚度小于1微米。

一种纳米级沟道有机场效应晶体管的制备方法，其步骤如下：

(1)在绝缘衬底上制备图形化的平面栅电极；

(2)沉积栅介质层，并去除侧墙以外的介质材料。

(3)制备平面源电极；

(4)在源电极层上沉积绝缘层，使其图形化以去除多余的绝缘材料；

(5)在步骤(4)所述的绝缘层上制备平面漏电极；

(6)沉积有机半导体层，使其图形化以去除多余的有机半导体材料，完成器件的制作。

上述步骤(1)中栅电极的材料是金属导体或有机导体。

上述栅电极的材料为金属电极时，其制备方法为真空热物理沉积，电子束沉积或者溅射金属电极，图形化方法为光刻加金属剥离。

上述栅电极的材料为有机电极时，其制备方法为喷墨打印。

上述步骤(2)中栅介质层的材料是无机金属氧化物或有机介质。

上述栅介质层的材料为无机金属氧化物时，其制备方法为通过低压化学气相沉积法，溅射或者原子层沉积法来沉积，使其具有很好的台阶覆盖性，从而能够覆盖在栅电极侧壁上；然后通过各向异性的干法刻蚀把侧壁以外的介质材料去除。

上述栅介质层的材料为有机介质时，其制备方法为首先通过光刻技术定义其图形，其次通过旋涂技术来沉积介质薄膜，经过退火处理后再通过剥离技术把侧壁以外的介质材料去除。

上述步骤(3)中源电极的制备首先通过光刻技术把栅电极和介质用光刻胶保护起来，然后通过真空热物理沉积，电子束沉积或者溅射技术来沉积金属电极薄膜，或者喷墨打印或旋涂技术来沉积有机物电极薄膜，然后去通过剥离的方法去除栅电极区的光刻胶及多余的电极材料，完成源电极的制备。

上述步骤(4)中绝缘层的制备首先通过光刻技术把栅电极和介质用光刻胶保护起来，然后通过常压化学气相沉或电子束蒸发方法沉积薄膜，接着通过剥离的方法去除栅电极区的光刻胶及多余的绝缘材料，完成绝缘层的制备。

上述步骤(5)中漏电极的制备首先通过光刻技术把栅电极和介质用光刻胶保护起来，然后通过真空热物理沉积，电子束沉积或者溅射技术来沉积金属电极薄膜，或者喷墨打印或旋涂技术来沉积有机物电极薄膜，然后去通过剥离的方法去除栅电极区的光刻胶及多余的电极材料，完成漏电极的制备，形成三明治结构，此三明治结构为源电极、绝缘层和漏电极叠加起来的结构。

上述步骤(6)中有机半导体层通过慢速的真空热沉积方法或着旋涂方法来制备薄膜，使其能够很好地填充在栅介质层和三明治结构之间；然后通过各向异性的干法刻蚀把侧壁以外的有机半导体材料去除，形成图形化的有源层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明通过采用源电极、漏电极堆叠在一起形成三明治结构，从而把沟道由传统的平面型改进为垂直型，只要通过控制源漏电极之间的绝缘层薄膜的厚度就能够控制晶体管的沟道长度，避免了使用效率较低的电子束光刻技术，大幅度地降低制备纳米级沟道有机晶体管的难度，从而减少了制备的成本。

2、本发明中电极全部采用了平面型，易于集成。

3、本发明采用低温工艺，能够和现有的硅微加工技术兼容，能够充分利用现有设备，降低新器件制备的成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明制备方法的流程图；

图3-1为本发明在绝缘衬底上制备平面栅电极的示意图；

图3-2为本发明在栅电极层上沉积栅介质层的示意图；

图3-3为本发明在绝缘衬底上制备平面源电极的示意图；

图3-4为本发明在源电极上制备绝缘层的示意图；

图3-5为本发明在绝缘层上制备平面漏电极的示意图；

图3-6为本发明沉积有机半导体层的示意图；

图4为本发明一具体实施例制备方法的工艺流程图；

图5-1～图5-11为本发明一具体实施例制备过程的结构示意图。

附图标记：

101-绝缘衬底，102-栅电极，103-栅介质层，104-源电极，105-绝缘层，106-漏电极，107-有机半导体层；

501-SiO₂绝缘衬底，502-Au栅电极，503-栅介质层，504-源电极胶图形，505-Au平面源电极，506-绝缘层胶图形，507-SiO₂绝缘层，

508-漏电极胶图形，509-Au平面漏电极，510-有机半导体薄膜。

具体实施方式

参见图1，一种纳米级沟道有机场效应晶体管，包括：绝缘衬底101、源电极104、绝缘层105、漏电极106、栅电极102、栅介质层103、有机半导体层107。所述源电极104、有机半导体层107、栅介质层103和栅电极102从左至右依次设置在绝缘衬底101的上表面上，且相互接触，其中有机半导体层107处于中心位置；所述源电极104上方从下到上依次设有绝缘层105和漏电极106，且相互接触，并与有机半导体层107接触；所述源电极104、绝缘层105和漏电极106合起来的厚度与有机半导体层107、栅介质层103和栅电极102的厚度相同。

参见图2和图3-1～图3-6，一种纳米级沟道有机场效应晶体管的制备方法，其步骤如下：

(1)在绝缘衬底上制备图形化的平面栅电极；

(2)沉积栅介质层，并去除侧墙以外的介质材料。

(3)制备平面源电极；

(4)在源电极层上沉积绝缘层，使其图形化以去除多余的绝缘材料；

(5)在步骤(4)所述的绝缘层上制备平面漏电极；

(6)沉积有机半导体层，使其图形化以去除多余的有机半导体材料，完成器件的制作。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明由热氧化硅绝缘衬底，平面Au金属栅电极，SiO₂介质层，平面Au源电极，平面SiO₂绝缘层，平面Au漏电极，并五苯有机半导体层构成。

参见图4，图4是本发明具体实施例的工艺流程图；参见图5-1～图5-11，图5-1～图5-11是结合图4的工艺步骤做出的制作流程图，其所表述的步骤如下：

图5-1为在热氧化生长的SiO₂绝缘衬底501上通过光刻加金属剥离技术制备平面Au栅电极50₂的示意图；

图5-2为在栅电极层上通过低压化学气相沉积制备栅介质层503的示意图；

图5-3为通过刻蚀技术图形化栅介质层503的示意图；

图5-4为在绝缘衬底上通过光刻技术制备平面源电极的胶图形504的示意图；

图5-5为电子束蒸发沉积Au薄膜，然后通过剥离技术在绝缘衬底501上制备Au平面源电极505的示意图。

图5-6为在样品上通过光刻技术制备绝缘层胶图形506的示意图；

图5-7为通过电子束蒸发技术制备SiO₂绝缘层507，其厚度小于1微米，并通过剥离技术去除源电极区以外的绝缘层的示意图；

图5-8为在平面绝缘层上制备平面漏电极的胶图形508的示意图；

图5-9为通过为电子束蒸发沉积Au薄膜，然后通过剥离技术在绝缘衬层597上制备Au平面漏电极509的示意图；

图5-10为在样品表面通过真空热沉积技术制备有机半导体薄膜510的示意图；

图5-11为通过反应离子刻蚀技术图形化有机半导体薄膜，去除沟道区以外的有机半导体的示意图。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。