專利名稱：用有機和無機雜化材料作半導電溝道的薄膜晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及薄膜場效應晶體管結構，特別涉及使用有機-無機雜化材料(hybrid material)作其中的半導電溝道的晶體管結構。
已知為TFT的薄膜晶體管已廣泛用作電子設備的開關元件，最引人注目的是用于例如有源矩陣液晶顯示器等的大面積應用。TFT的一個例子是場效應晶體管(FET)。最公知的FET是MOSFET(金屬氧化物半導體FET)，為目前用于高速電子應用的常規開關元件。盡管該MOSFET具體稱為SiO2/體Si晶體管，但金屬絕緣體半導體的更一般組合已知為MISFET。這種TFT是一種有源半導電層淀積為薄膜的MISFET。
目前多數器件中的TFTs利用非晶硅作半導體制造。非晶硅是晶體硅的廉價替代品，能夠滿足降低大面積應用中晶體管的成本的要求。由于非晶硅的遷移率是-10-1cm2/V*sec，比晶體硅小15000倍，因而非晶硅的應用僅限為低速器件。盡管淀積非晶硅比晶體硅便宜，但非晶硅的淀積仍需要成本較高的工藝，例如等離子增強化學汽相淀積。
近年來，有機半導體作為TFT的一種潛在半導體成分引起了廣泛關注。例如見授予Garnier等人、題為“具有其絕緣體和半導體由有機材料制造的MIS結構的薄層場效應晶體管(Thin-Layer FieldEffect Transistors With MIS Structure Whose Insulator andSemiconductor Are Made of Organic Materials)”的美國專利5347144。由于可以利用例如溶液的旋涂或浸涂、熱蒸發或絲網印刷等方法簡單加工，所以有機材料(例如小分子、短鏈低聚物和聚合物)可作為TFT結構的無機材料的廉價代用品。然而，盡管有機材料的遷移率已經提高，但它們的遷移率仍很低，最好的材料也只能達到非晶硅的遷移率。
有機半導體比常規非晶硅便宜而且容易淀積。這些有機材料或者是小分子(例如并五苯，金屬-酞菁染料)、短鏈低聚物(例如n-噻吩，其中n＝3-8)或者是長鏈聚合物(例如，聚烷基噻吩，或聚亞苯基乙烯)。相鄰多重鍵合原子間的原子軌道重疊稱為共軛，能夠使電荷沿分子、低聚物和聚合物輸運。相鄰分子間的分子軌道重疊允許分子間電荷輸運。
有機材料中，小分子或短鏈低聚物的薄膜具有最高遷移率。已經用熱蒸發法淀積出具有這種高遷移率的小分子/短鏈低聚物，它們淀積為很有序的薄膜。薄膜中較高的排序程度提供了軌道重疊，因此電荷可以在相鄰分子間輸運。長鏈聚合物的優點是由于它們更易溶，所以可以利用例如旋涂和浸涂法等低成本技術淀積，但由于它們較無序，所以它們的遷移率較低。
盡管有機材料提供了利用例如熱蒸發、旋涂和浸涂等便宜且容易的淀積技術淀積TFT的半導體的可能性，但它們的遷移率仍比要求的低。小分子/短鏈低聚物的典型遷移率為10-3至10-1cm2/V*sec，長鏈合物為10-8至10-2cm2/V*sec。對于并五苯薄膜來說，所報道的最高遷移率為0.7cm2/V*sec，對于二已基，α-六噻吩薄膜來說，最高遷移率為0.13cm2/V*sec。測量單晶α-六噻吩的遷移率為0.3cm2/V*sec，該值表示該材料遷移率的上限。有機半導體的遷移率可與非晶硅相媲美。
有機-無機雜化材料是能夠結合單一材料中有機和無機成分的有益特征的一類特殊材料。這類材料中某些表現出半導電性。為本說明書的目的，一種有機-無機雜化材料是一種由分子級混合在一起的有機成分和無機成分構成的材料，(i)其中該材料的特征在于，每種有機成分與每種無機成分有基本固定的比例；(ii)其中至少一種成分是半導電的；(iii)其中有機和無機成分具有能夠使其間的自組合成為預定的配置的力。
有機-無機雜化材料的一個例子采用有機-無機鈣鈦礦結構的形式。層狀的鈣鈦礦自然形成量子阱結構，其中角部共享金屬鹵化物八面體的兩維半導體層和有機層交替層疊。
由于許多有機-無機鈣鈦礦溶于常規的水溶液或有機溶劑，所以這種有機-無機雜化材料的制備適合用旋涂技術。利用這種方法，已得到了高質量高取向性的層狀鈣鈦礦薄膜。還使用了真空蒸發技術生長層狀鈣鈦礦。轉讓給本申請的同一受讓人的其同待審美國專利申請No09/192130和08/935071(題目分別為“Single-Source ThermalAblation Method for Depositing Organic-Inorganic HybridFilms”和“Two-Step Dipping Technique For the Preparation oforganic-Inorganic Perovskite Thin Films”)都介紹了有機-無機雜化材料的替代淀積方法。這里引用上述申請所披露的內容。
因此，本發明的目的是提供一種使用有機-無機雜化材料作半導電溝道的改進FET結構。
本發明再一目的是提供一種可以低成本加工的改進FET結構。
根據本發明的FET結構使用了有機-無機雜化材料作器件的源和漏極間半導電溝道。這種有機-無機雜化材料結合了無機結晶固體和有機材料的優點。無機成分形成延伸的無機一、二或三維網絡，以提供無機結晶固體的高載流子遷移率特性。有機成分有助于這些材料的自組合，并使這些材料能夠利用例如旋涂、浸涂或熱蒸發等簡單的低溫處理條件淀積。有機成分還用于通過限定無機成分的維數和無機單元間的電耦合，控制無機網格的電特性。


圖1表示一種有機-無機雜化材料的一個實例的結構，這種情況下是鈣鈦結構。
圖2是利用旋涂法在TFT器件結構中淀積的碘化苯乙銨錫(PEA)2SnI4膜的X射線衍射圖。
圖3是引入有機-無機雜化材料作半導電溝道的第一TFT結構的剖面圖。
圖4是引入有機-無機雜化材料作半導電溝道的第二TFT結構的剖面圖。
圖5是用無機-有機雜化材料(PEA)2SnI4作有源半導體材料的TFT的IDS與VDS的曲線。
圖6是用無機-有機雜化材料(PEA)2SnI4作有源半導體材料且表現出到目前為止最好特性的TFT的IDS與VDS的曲線。
圖7是用含烷基二銨陽離子(即，BDASnI4(碘化丁基二銨錫))的無機-有機雜化材料作有源半導體材料的TFT的IDS與VDS的曲線。
本發明使用有機-無機雜化材料作薄膜FET中的半導電溝道。包括分子級有機和無機組分的有機-無機雜化材料可以提供比非晶硅高的載流子遷移率，同時淀積也便宜且容易。無機成分提供結晶無機半導體的高遷移率特性，而有機成分提供材料與或者溶液或者汽相的自組合。該有機-無機雜化材料可利用包括旋涂、浸涂或熱蒸發技術等許多技術淀積。關于有機半導體，這些方法滿足用于大面積應用的低成本和大面積淀積的需要。這些淀積技術的低溫處理條件還可以在柔性應用的塑料基片上淀積這些材料。一般情況下，上述所有應用中皆可用有機-無機雜化材料代替有機半導體材料。除加工容易外，這些材料的可能較高遷移率會比目前非晶硅或有機半導體更有可能將它們的應用擴展到更高速器件。
本發明包括具有有機-無機雜化材料作有源半導體層的薄膜FET。圖1展示了一種有機-無機雜化材料10的一個實例，這是一種三維鈣鈦礦結構ABX3。該鈣鈦礦結構包括角部共享的BX6八面體12。每個八面體12由頂點的六個X陰離子和中心的一個B陽離子(見晶體簡圖18)限定。A陽離子位于八面體12的大空間中。
沿鈣鈦礦的<100>或<100>面，取n層厚“切割”(n＝1到無窮大)，可以觀察三維鈣鈦礦結構的層狀無機化合物。在有機-無機雜化材料中，鈣鈦礦片的陰性無機BX6八面體被構成交替層和/或位于A陽離子空間位置的陽性有機分子20電荷平衡。這些材料的實例包括B＝族14(IV A)過渡金屬和稀土元素；X＝鹵素(Cl，Br，或I)，A＝有機銨或二銨陽離子。有機銨或二銨陽離子可以是脂族，例如烷烴或芳香族，例如該實例中提供的。其它芳香族分子包括雜環分子。有機分子可以是絕緣的，再如該實例中提供的，或是半導電的，例如低聚噻吩。
無機鈣鈦礦片12和有機層20通過強離子氫鍵鍵合在一起。離子鍵合需要有機-無機化合物具有特定的化學計量比，有機分子位于很好限定的結晶學位置。有機和無機層間的鍵合使這些雜化材料淀積為晶體、薄膜或生長為單晶。
圖2是淀積于TFT器件結構中的有機-無機雜化材料碘化苯乙銨錫(PEA)2SnI4膜的X射線衍射圖。只有存在(001)反射時表明該材料淀積為很好取向的結晶薄膜，有機和無機片平行于(或該結構的C軸垂直于)半導體基片。
上述有機-無機鈣鈦礦及其它有機-無機雜化材料結合了無機結晶半導體與有機材料的優點。無機成分構成延伸的無機一維、二維或三維網絡，從而可以提供無機結晶固體的高載流子遷移率特性。有機成分有助于這些材料的自組合。這使這些材料能夠利用例如旋涂、浸涂或熱蒸發等簡單的低溫處理條件淀積。有機成分還用于通過限定無機成分的維數和無機單元間的電耦合，控制無機網格的電特性。
圖3展示了典型TFT器件結構30的剖面圖。TFT30包括有機-無機雜化材料層32，層32是有機-無機鈣鈦礦，用作源和漏極34和36間的半導電溝道。可以利用X射線衍射看到，該材料的取向為二維無機片12提供源和漏極34和36間的電連接。有機-無機半導體的導電性由柵極40(例如簡并摻雜的，n++硅層)穿過絕緣層38例如薄SiO2膜調節，上述各層都由基片42支撐。
有機-無機雜化材料32可在源和漏極34和36的金屬淀積前或后淀積。后淀積有機-無機雜化材料32可減少材料暴露于金屬化期間的可能有害的高溫中。
盡管圖3展示了一種典型FET結構配置，但本發明的可以具有其它結構。圖4展示了另一FET結構的各部件，其參考數字與圖3相同。替代的基片包括例如聚酰亞胺和聚碳酸酯等塑料，可用于構成柔性器件。這種配置中，已構圖的金屬柵極通過掩蔽掩模或通過光刻法淀積于基片上。然后，柵絕緣體利用包括旋涂、化學汽相淀積、濺射或真空淀積等的各種方法之一淀積，但不限于這些方法。然后，如上所述淀積有機-無機雜化材料及源和漏極。
圖5示出了表示利用有機-無機雜化材料(PEA)2SnI4制備的TFT所需要的場調節導電性和電流飽和的原始數據。在所測量的器件中，利用乙腈，在5000A厚的SiO2柵氧化物上旋涂～100A的(PEA)2SnI4層。半導體溝道由金電極限定為70微米長，1500微米寬。一般情況下，高功函數的金屬例如Au、Pd和Pt構成與該有機-無機雜化材料的“良好”歐姆接觸。由于(PEA)2SnI4通過半導體層傳輸空穴，所以它是“P型”材料。由于流過半導電溝道的電流(ID)隨負柵偏壓(VG)和源-漏電壓(VDS)的增大而增大，這是很顯然的。圖6是用無機-有機雜化材料(PEA)2SnI4作有源半導體材料且表現出到目前為止最好特性的TFT的IDS與VDS的曲線。
圖7是用含烷基二銨陽離子(即，BDASnI4(碘化丁基二銨錫))的無機-有機雜化材料作有源半導體材料的TFT的IDS與VDS的曲線。
盡管0.06-0.25cm2/V*sec的遷移率比希望的固有值低，但它們已達到了非晶硅和最好的有機半導體的遷移率。注意，這些遷移率高于旋涂有機半導體。預計可以實現較高固有遷移率。盡管沒有測量場效應遷移率，但據報道霍爾效應遷移率在～1-100cm2/V*sec。盡管霍爾遷移率和場效應遷移率的關系會很復雜，根據很簡單的理論，希望它們成比例。因此，這些大霍爾效應遷移率提出了可實現超過非晶硅的類似的大場效應遷移率。除具有高遷移率的有機-無機雜化材料外，還可以利用比用于普通無機固體便宜的加工技術淀積它們。這些技術包括旋涂、浸涂或熱蒸發。
有機-無機雜化材料的電特性可通過化學方法控制。存在一個可用作有機-無機雜化材料的很大有機和無機成分范圍。該應用的唯一需要是有機和無機成分之一或兩者是半導電的。可以通過選擇無機成分的化學性質、晶體結構和維數及有機成分的長度和化學功能，來設計具有所需要特性的材料。有機-無機雜化材料化學方面的靈活性可用于制備n型和p型傳輸材料，可用于互補邏輯和普通開或關TFT。
應理解，上述介紹只是例示本發明。所屬領域的技術人員在不背離本發明的情況下可以做出各種替換和改進。因此，本發明意在函括這些落入所附權利要求書的范圍內的替換、改進和變化。
權利要求
1.一種場效應晶體管，包括源區和漏區；在所說源和所說漏區間延伸的溝道層，所說溝道層包括半導電的有機-無機雜化材料；與所說溝道間隔相鄰設置的柵區；及所說柵區和所說源區及溝道區之間的電絕緣層。
2.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所說源區、溝道層和漏區設置于基片的表面上，所說電絕緣層設置于所說溝道層上，并從所說源區延伸到所說漏區，所說柵區設置于所說電絕緣層上。
3.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所說柵區設置為所說基片表面上的柵層，所說電絕緣層設置于所說柵層上，所說源區、溝道層和漏區設置于所說電絕緣層上。
4.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所說有機-無機雜化材料是一種由分子級混合在一起的有機成分和無機成分構成的材料，(i)其中該材料的特征在于，每種有機成分與每種無機成分有基本固定的比例；(ii)其中至少一種成分是半導電的；(iii)其中有機和無機成分具有能夠使其間的自組合成為預定的配置的力。
5.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所說半導電有機-無機雜化材料包括具有鈣鈦礦結晶結構的無機成分。
6.根據權利要求5的場效應晶體管，其中所說半導電有機-無機雜化材料包括烷基單銨陽離子。
7.根據權利要求5的場效應晶體管，其中所說半導電有機-無機雜化材料是碘化苯乙銨錫，(PEA)2SnI4。
8.根據權利要求5的場效應晶體管，其中所說半導電有機-無機雜化材料包括烷基二銨陽離子。
9.根據權利要求8的場效應晶體管，其中所說半導電有機-無機雜化材料是BDASnI4(碘化丁基二銨錫)作半導體材料。
10.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所說基片包括柔性材料。
11.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所說基片包括塑料材料。
全文摘要
根據本發明的FET結構使用一種有機－無機雜化材料作器件的源和漏極之間的半導電溝道。該有機－無機雜化材料結合了無機結晶固體與有機材料的優點,無機成分構成延伸的無機一維、二維或三維網絡,從而提供無機結晶固體的高載流子遷移率特性。有機成分有助于這些材料的自組合,并使這些材料能夠利用例如旋涂、浸涂或熱蒸發等簡單的低溫處理條件淀積。有機成分還用于通過限定無機成分的維數和無機單元間的電耦合,控制無機網格的電特性。
文檔編號H01L35/24GK1266287SQ0010188
公開日2000年9月13日 申請日期2000年2月2日 優先權日1999年3月3日
發明者K·肖德魯迪斯, C·D·蒂米特拉科普洛斯, C·R·卡干, I·克米斯斯, D·B·米特茲 申請人:國際商業機器公司