有机场效应晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术涉及有机场效应晶体管，所述有机场效应晶体管包括：第一电极(1)和第二电极(2)，所述电极提供源电极和漏电极，与第一和第二电极(1，2)电接触的本征有机半导体层(3)，栅电极(6)，在栅电极(6)和本征有机半导体层(3)之间设置的栅极绝缘层(5)，和包含有机基质材料和有机掺杂剂的掺杂有机半导体层(4)，其中在栅极绝缘层(5)和本征有机半导体层(3)之间设置掺杂有机半导体层(4)，其中在掺杂有机半导体层(4)中形成第一和第二电极(1，2)之间的电荷载子沟道。此外，本发明专利技术涉及用于制造有机场效应晶体管的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及。
技术介绍
从20世纪80年代专利技术有机场效应晶体管（0FET)到现在，不断地提高它们的性 能。现今，0FET用于驱动电子墨水显示器、印刷RFID标签和柔性电子装置。与硅技术相比， 0FET的优点在于可以在大面积上在低处理温度下实现薄且柔性的电路。 通常，有机场效应晶体管包括栅电极、源电极和漏电极。此外，0FET包括有机半导 体和将栅电极与有机半导体分离开来的栅极绝缘层。 尽管实现了进步，但由于它们的低性能和低稳定性，0FET的广泛应用仍然受限。然 而，通过开发高级的0FET结构，有很大的可能实现改进。 尽管有机掺杂技术已经示为用于高效光电装置的关键技术，但将掺杂有机层用在 有机晶体管中仍然非常罕见。 有三种不同的方法提高0FET的性能。 例如，可使用掺杂来减小在源和漏电极处的接触电阻。金属电极和有机半导体之 间的薄P或η-掺杂层形成增加隧道电流的欧姆接触和增强电荷载子的注入。 -些团队报道了沟道掺杂对0FET性能的影响。例如，可以在氧化物表面使用单 层Ca，将并五苯晶体管从ρ型切换成η型。单层完全覆盖绝缘层的表面，并且充当局部伪 掺杂剂。在Ca和绝缘层之间没有电荷载子转移。而是，通过单层中的Ca原子生成电场。 Ca单层填充有机半导体和栅极绝缘层之间的界面处的电子陷阱。已经表明，通过空气稳定 的η-掺杂剂掺杂 η-OFET的沟道可增加 η型晶体管的空气稳定性。 此外，已经报道了可通过掺杂浓度而改变阈值电压。Meijer等人在Journal of Applied Physics (应用物理期刊），第93卷，第8期，第4831页，2003研究了通过氧气 暴露进行掺杂对聚合物晶体管的作用。尽管观察到接通电压（平带电压）的变化，但该作 用与作者的掺杂无关。类似地，其他作者发现在施加掺杂剂情况下阈值电压的类似变化，但 通常，与沟道掺杂相比，该作用更与接触掺杂的影响有关。 反型FET通常处于OFF(关闭）状态，并且反型沟道必须通过施加的栅电压而形 成，以便接通晶体管。反型FET用在CMOS电路中并且是所有集成电路的最基本的构件。已 知在有机MIS (金属绝缘半导体）电容器中，不能达到反型区（inversion regime)。然而， 通过模拟已经预期可在FET结构中形成反型沟道，条件是在源和漏电极处注入少数载子。 Huang等人在Journal of Applied Physics(应用物理期刊），第100卷，第11期，第 114512页，2006表明，通过电晕放电，在沉积有机层之前，通过对栅极绝缘层充电，可使通 常η型本征导电的材料为ρ型导电的。 文献US 2010/0096625 Α1公开了一种有机场效应晶体管，其包括在其上设置源和 漏电极的基底。半导体层沉积在该电极之上并且与该电极电接触。半导体层由下子层和上 子层形成。在上子层之上，设置介电层和栅电极。半导体层的半导体材料可以包含无机粒 子，例如纳米管或导电硅丝。下子层和上子层可以是η型或p型并且可具有相同类型的掺 杂。 在文献US 5, 629, 530中，公开了具有源区、漏区和插入的η型沟道区的场效应晶 体管。沟道区设置有通过绝缘层与沟道区分隔开来的栅电极。 在文献US 2006/0033098 Α1中描述了一种有机薄膜晶体管。该晶体管包括基底、 栅电极、覆盖整个栅电极的栅极介电层、源电极、源电极、有源沟道层和源界面层。通过将制 剂添加到有源沟道层中，降低源电极和有源沟道层之间的势垒。 文献ΕΡ 2 194 582 Α1描述了一种有机薄膜晶体管，其具有基底、栅电极、源电极、 漏电极、绝缘层、有机半导体层和设置在有机半导体层和绝缘层之间的沟道控制层。沟道控 制层包含具有低于5. 8eV的电离电位的非晶态有机化合物。 在文献US 2003/0092232 A1中，公开了另一种场效应晶体管。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有优化工作参数的有机场效应晶体管及制造该晶体管的 方法。特别地，本专利技术的目的是提供具有可调阈值电压的有机场效应晶体管。通过根据权 利要求1所述的有机场效应晶体管和根据权利要求16所述的制造有机场效应晶体管的方 法，而实现该目的。本专利技术的有利实施方式是从属权利要求的主题。 根据本专利技术的一个方面，提供一种有机场效应晶体管。该晶体管包括：第一电极和 第二电极，所述电极提供源电极和漏电极，与第一和第二电极电接触的本征有机半导体层， 栅电极，在栅电极和本征有机半导体层之间设置的栅极绝缘层，和包含有机基质材料和有 机掺杂剂的掺杂有机半导体层。在栅极绝缘层和本征有机半导体层之间设置掺杂有机半导 体层。在掺杂有机半导体层中形成第一和第二电极之间的电荷载子沟道。 根据本专利技术的另一方面，提供制造有机场效应晶体管的方法，其中，该方法包括下 述步骤：提供基底，用电极材料涂覆基底以形成栅电极，沉积绝缘材料以形成绝缘层，共蒸 发有机基质材料和有机掺杂剂材料以形成掺杂有机半导体层，沉积有机材料以形成本征有 机半导体材料，沉积另外的电极材料以形成与本征有机半导体层电接触的第一电极和第二 电极。 通过本专利技术，可以调节晶体管的阈值电压。两个参数确定阈值电压：掺杂有机半导 体层的厚度和掺杂有机半导体层中的有机掺杂剂的浓度。通过在制造晶体管期间选择这些 参数中的一者或二者的特定值，可在宽范围中调节阈值电压。所述层的厚度和掺杂浓度之 间存在相互作用。高掺杂浓度导致沟道中的大量电荷载子。在这种情况下，优选所述掺杂 有机半导体层是薄的，以能够实现晶体管的关闭状态。 掺杂有机半导体层的厚度和掺杂有机半导体层中的有机掺杂剂的浓度优选被配 置成能够在栅极界面处实现电荷载子的导电沟道。掺杂有机半导体层被配置成能够实现 可变阈值电压。可以通过掺杂浓度自由地设定晶体管的阈值电压。掺杂有机半导体层 的厚度应当优选足够厚以形成渗透层（percolated layer),更优选封闭层。渗透层是包 含层材料的岛状区（island)的层，其中岛状区的密度足够高以能够实现层内的电气通路 (electrical pathway)。例如，在掺杂有机半导体层中，由有机基质材料和有机掺杂剂制 成的岛状区的密度必须足够高以能够在第一和第二电极之间实现导电通路，从而形成渗透 层。封闭层是层材料中没有中断的层。封闭层没有无层材料的区域。 掺杂有机半导体层的厚度和掺杂有机半导体层中的掺杂剂的浓度还可被配置成 能够实现高I DS (漏和源电极之间的电流）和标准电压操作条件下至少四个数量级的开/关 比率（0N/0FF ratio)。优选地，所述开/关比率高于五个数量级。 优选地，在掺杂有机半导体层的基质材料中空间地（spatially)分布有机掺杂 齐U，而不是累积在层的界面处。更优选地，掺杂剂的分布沿层的维度是均匀的。相比之下， 在现有技术中，仅已知将单层掺杂剂材料施加在掺杂有机半导体层和栅极绝缘层之间的界 面处。这导致阈值电压的恒定变化，例如5V的变化。因为在单层中，掺杂剂材料的浓度是 固定的，因此不可能实现阈值电压的其它变化值或更精细的调节。 通常相对于基质和掺杂剂材料的能级，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机场效应晶体管，其包括：‐第一电极(1)和第二电极(2)，所述电极提供源电极和漏电极，‐与所述第一和第二电极(1，2)电接触的本征有机半导体层(3)，‐栅电极(6)，‐在所述栅电极(6)和所述本征有机半导体层(3)之间设置的栅极绝缘层(5)，和‐包含有机基质材料和有机掺杂剂的掺杂有机半导体层(4)，其中在所述栅极绝缘层(5)和所述本征有机半导体层(3)之间设置所述掺杂有机半导体层(4)，其中，在所述掺杂有机半导体层(4)中形成所述第一和第二电极(1，2)之间的电荷载子沟道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.05 EP 12163472.9;2012.04.27 EP 12166029.41. 一种有机场效应晶体管，其包括： -第一电极⑴和第二电极（2)，所述电极提供源电极和漏电极， -与所述第一和第二电极（1，2)电接触的本征有机半导体层（3)， -栅电极（6)， -在所述栅电极（6)和所述本征有机半导体层（3)之间设置的栅极绝缘层（5)，和 -包含有机基质材料和有机掺杂剂的掺杂有机半导体层（4)，其中在所述栅极绝缘层 (5)和所述本征有机半导体层（3)之间设置所述掺杂有机半导体层（4)， 其中，在所述掺杂有机半导体层（4)中形成所述第一和第二电极（1，2)之间的电荷载 子沟道。2. 根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述本征有机半导体层（3)和所述掺杂有机半 导体层（4)包含相同的有机基质材料。3. 根据权利要求1或2所述的晶体管，其中，以与所述第一和第二电极（1，2)的至少一 个电接触的方式设置包含空穴传输材料和电子传输材料的混合层。4. 根据前述权利要求中的至少一项所述的晶体管，其中，所述掺杂有机半导体层（4) 的厚度在lnm和20nm之间。5. 根据前述权利要求中的至少一项所述的晶体管，其中，所述本征有机半导体层（3) 和所述掺杂有机半导体层（4)彼此直接接触。6. 根据前述权利要求中的至少一项所述的晶体管，其中，选自以下电极的至少一个电 极由金属材料制成：所述第一电极（1)、所述第二电极（2)和所述栅电极（6)。7. 根据前述权利要求中的至少一项所述的晶体管，其中，所述掺杂有机半导体层（4) 具有最高达4wt %的掺杂剂浓度。8. 根据前述权利要求中的至...

【专利技术属性】
技术研发人员：比约恩·吕塞姆，亚历山大·扎希多夫，汉斯·克勒曼，卡尔·利奥，
申请(专利权)人：诺瓦尔德股份有限公司，德累斯顿工业技术大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE