專利名稱：一種有機(jī)場效應(yīng)晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)場效應(yīng)晶體管及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于有機(jī)場效應(yīng)晶體管在有機(jī)/分子電子學(xué)方面潛在的應(yīng)用而吸引了人們的注意。有機(jī)場效應(yīng)晶體管主要包括有機(jī)半導(dǎo)體導(dǎo)電層、絕緣層和源、漏、柵電極幾部分，大多采用有機(jī)物薄膜作為導(dǎo)電層。由于薄膜中存在晶格無序和晶界缺陷，有機(jī)半導(dǎo)體的本征性質(zhì)往往被掩蓋，器件遷移率的提高也受到了限制，而且薄膜中較高的缺陷濃度大大提高了有機(jī)場效應(yīng)晶體管的閾值電壓。低遷移率和高閾值電壓掩蓋了有機(jī)場效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢，同時(shí)限制了其在電路中的應(yīng)用。有機(jī)半導(dǎo)體單晶材料由于晶格嚴(yán)格有序排列，缺陷很少，所以用其制得的場效應(yīng)晶體管能夠體現(xiàn)出有機(jī)半導(dǎo)體的本征性質(zhì)，具有高的遷移率和低閾值電壓。目前有機(jī)單晶場效應(yīng)晶體管一般采用較大的單晶作為導(dǎo)電層(R Zeis.；T Siegrist.；Ch Kloca.；Appl.Phys.Lett.2005，86(022103)，V Podzorov.；V M Pudalov.；M E Gershenson.；Appl.Phys.Lett.2003，82(1739))，但是，并不是所有有機(jī)半導(dǎo)體晶體都能生長到足夠大，以滿足制備器件的要求，而目前利用小有機(jī)半導(dǎo)體晶體制備成場效應(yīng)晶體管還未見報(bào)道。
在將有機(jī)物半導(dǎo)體微/納米晶體制備成場效應(yīng)晶體管時(shí)，如何將制得的有機(jī)半導(dǎo)體半導(dǎo)體微/納米晶體與電極良好接觸是一個(gè)難題。無機(jī)納米線器件的制備中，納米線和電極的接觸一般采用兩種方法，分別是聚焦離子束沉積(FIB)(Yunze Long.；NanlinWang.；et al.Appl.Phys.Lett.2003，83(1863))和電子束曝光平板印刷術(shù)(Yu Huang.；Charles M.Lieber.；et al.Nano Lett，2002，2(101))。但是，這兩種方法除了所需設(shè)備非常昂貴外，各自還存在很大缺點(diǎn)。對聚焦離子束來說，在沉積電極的同時(shí)存在很大的鎵離子和有機(jī)物污染，這些污染很容易將有機(jī)納米線的性質(zhì)掩蓋掉；而電子束曝光平板印刷術(shù)中，一方面要使用光刻膠，在處理這些膠時(shí)所用的有機(jī)溶劑容易損壞有機(jī)微晶，另一方面其使用的電子槍電壓較高，高能電子束很容易損壞有機(jī)晶體的晶格，破壞其結(jié)構(gòu)，直接影響所制備器件的性能。
在場效應(yīng)晶體管的制備過程中，將有機(jī)晶體移動(dòng)到電極表面并使之與絕緣層表面良好接觸，也存在一定的困難。常規(guī)使用的移動(dòng)方式是將納米結(jié)構(gòu)置于與之不溶的溶劑中，超聲分散，再滴膜或甩膜，溶劑揮發(fā)后納米結(jié)構(gòu)將分散到基片上。然而，有機(jī)物晶體的機(jī)械性能一般較差，在超聲分散時(shí)很容易斷裂破損，限制了超聲分散的使用。而且，超聲分散的方法存在很大的隨機(jī)性，不能人為控制分散晶體的尺寸和位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有機(jī)場效應(yīng)晶體管及其制備方法。
本發(fā)明所提供的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，包括一作為柵極的基板，一位于基板上的絕緣層，一位于絕緣層上的源電極和漏電極，其中，在所述源電極和漏電極電極間設(shè)有一有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料連接結(jié)構(gòu)，所述連接結(jié)構(gòu)兩端通過二相互間隔的金屬膜與所述源電極和漏電極連接，二金屬膜間距為5-20微米。
其中，所用的有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料優(yōu)選為稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料，一般具有寬度在10納米-5微米、長度在10微米-0.1毫米的一維帶狀或棒狀結(jié)構(gòu)；或者，具有厚度在10納米-5微米，長度在10-20微米的塊狀或片狀結(jié)構(gòu)。常見的稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體化合物有，大環(huán)類有機(jī)半導(dǎo)體化合物，如酞菁類化合物(如銅酞菁、十六氟代銅酞菁等)、卟啉類化合物(如四苯基卟啉等)，和其他多種具有平面分子構(gòu)形的有機(jī)半導(dǎo)體化合物(如苝、并五苯、二氯并四苯、四氟代并四苯、苝-TCNQ等)，這些化合物的單晶材料可以按照實(shí)施例中所介紹的方法進(jìn)行制備。
源電極和漏電極均由鈦層和金層構(gòu)成，距離控制在50-100微米。金屬膜選自金、銀、鋁、鈣和鎂層中的一種或幾種?；鍨楦邠诫sn型硅；絕緣層為二氧化硅絕緣層。
該有機(jī)場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括如下步驟1)在帶有絕緣層的基板上布設(shè)二電極；2)將有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料轉(zhuǎn)移到電極間，使其兩端與電極均不相連接；3)沿平行于電極縫隙方向在所述有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料上固定一金屬絲，然后蒸鍍金屬層，使納米線兩端通過所述金屬層分別與二電極相連接；4)移動(dòng)金屬絲，重新蒸鍍金屬，使兩金屬層間距為5-20微米，得到所述場效應(yīng)晶體管。
其中，步驟2)中移動(dòng)有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料時(shí)可采用機(jī)械探針臺和高倍光學(xué)顯微鏡。
通過多次移動(dòng)金屬絲，然后蒸鍍金屬的方式，可以有效的控制金屬膜的間距，從而控制所制備的場效應(yīng)管的溝道長度。也可以根據(jù)器件需要，在移動(dòng)金屬絲后蒸鍍不同金屬，使晶體的兩端連接不同的金屬。
本發(fā)明有機(jī)場效應(yīng)晶體管具有閾值電壓低而遷移率高的優(yōu)良特性，所采用的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)1)整個(gè)過程中沒有使用有機(jī)溶劑，避免了有機(jī)溶劑對晶體材料表面的破壞；2)所需設(shè)備相對簡單，避免了高能粒子對納米線的輻照和破壞，也避免了在制備電極過程中引入不必要的污染；3)制備過程中，可以人為選擇滿足制備器件要求的晶體材料并將之置于確定的區(qū)域，能夠制備出規(guī)格可控的器件；4)能夠控制場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)并形成良好的電極接觸。


圖1為本發(fā)明有機(jī)場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為納米線制備用管式爐結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為酞菁銅納米線掃描電鏡照片；圖4為實(shí)施例1所制備酞菁銅單晶納米線場效應(yīng)晶體管掃描電鏡照片；圖5A和圖5B分別為實(shí)施例1場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、本發(fā)明場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示兩個(gè)電極35(由一層5納米厚的鈦層351和70納米厚的金層352組成)預(yù)先布設(shè)于帶有絕緣層32的基板31上，這兩個(gè)電極分別作為晶體管的源極和漏極，基板31同時(shí)也是晶體管的柵極；有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料33位于兩個(gè)電極35之間，其兩端通過兩個(gè)金屬膜34分別與兩個(gè)電極相連接，兩個(gè)金屬層之間的距離可以調(diào)整到合適的程度；根據(jù)器件的要求，兩個(gè)金屬層可選擇相同或不同的金屬元素，只需保證金屬膜與有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料33間形成歐姆接觸即可，常見的有金、銀、鋁、鈣和鎂等。
在上述晶體管中，所用的有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料選擇現(xiàn)有的單晶材料，也可以采用如下方法獲得1)在帶有真空系統(tǒng)的兩段控溫管式電阻爐的兩段分別放入蒸發(fā)源和沉積襯底，抽真空到1-10Pa；
2)沿蒸發(fā)源到沉積襯底的方向通入保護(hù)氣，保護(hù)氣氣流量為200-300sccm；3)將蒸發(fā)段溫度升溫，控制其溫度略高于蒸發(fā)源在爐內(nèi)真空度下的沸點(diǎn)溫度；控制沉積段溫度，使其溫度低于蒸發(fā)源在爐內(nèi)真空度下的熔點(diǎn)溫度，保溫后在沉積襯底上得到所述有機(jī)半導(dǎo)體單晶納米材料。
其中，所用的蒸發(fā)源可為稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體化合物，常見的有酞菁類化合物(如銅酞菁、十六氟代銅酞菁等)、卟啉類化合物(如四苯基卟啉等)和其他多種具有平面分子構(gòu)形的有機(jī)半導(dǎo)體化合物(如苝、并五苯、二氯并四苯、四氟代并四苯、苝-TCNQ等)。
通過上述方法制備的有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料，可以是一維帶狀或棒狀結(jié)構(gòu)，其寬度范圍為幾十到幾百納米，長度一般超過20微米，最長可達(dá)0.1毫米，也可能是塊或片狀結(jié)構(gòu)，厚度在幾十納米到幾微米，長度10-20微米。獲得的結(jié)構(gòu)均為單晶，原子嚴(yán)格有序排列，能夠體現(xiàn)出材料的本征性質(zhì)，也利于電荷的傳輸。
具體的，該場效應(yīng)晶體管的制備過程如下一、酞菁銅納米線的制備沉積中使用的源材料酞菁銅從Alfa公司購買，經(jīng)過3次升華提純后用于制備納米線。
實(shí)驗(yàn)中使用的電阻爐為北京電爐廠生產(chǎn)的SK4-10型，配備一根可抽真空和充入氣體的石英管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2石英管12位于電阻爐11內(nèi)部，分為兩段，蒸發(fā)段121和沉積段122，兩段的溫度分別由控溫儀171、控溫儀172(北京電爐廠生產(chǎn)的SKY-4型可控硅溫度控制儀)控制其溫度，蒸發(fā)源13放置于蒸發(fā)段121中央，沉積襯底14放置于沉積段122開始處；保護(hù)氣15沿蒸發(fā)源13到沉積襯底14的方向進(jìn)入石英管12內(nèi)部，以泵16控制石英管12內(nèi)部的真空度。
酞菁銅粉末作為蒸發(fā)源13放到石英坩堝中，多孔三氧化二鋁片作為沉積襯底14使用，置于管式爐后封閉石英管12，用機(jī)械泵16抽真空至10Pa以下，然后由蒸發(fā)段121前端通入高純氬氣15，氬氣氣流量為300sccm。在實(shí)驗(yàn)中使用兩個(gè)控溫儀171和控溫儀172控制溫度控溫儀171控制蒸發(fā)段121的溫度，控溫儀172控制沉積段122的溫度，沉積段122的溫度設(shè)定為200℃，保持不變，在蒸發(fā)段121升溫前先升溫到設(shè)定溫度。蒸發(fā)段121的溫度設(shè)定為以7℃/min的速度用50分鐘的時(shí)間將溫度由室溫升到380℃，然后以0.5℃/min的速度用90分鐘緩慢將溫度由380℃升高至425℃，到425℃后保溫30分鐘，之后在保持真空和充氣保護(hù)條件下自然降溫至100℃以下，取出樣品。
所得分散酞菁銅納米線掃描電鏡照片見圖3，表明在多孔鋁基片上生成了大量帶狀納米結(jié)構(gòu)，其表面光潔，粗細(xì)從幾十納米到幾百納米，長度超過20微米。在其選區(qū)電子衍射譜中，可以觀察到清晰的衍射圖案，而且當(dāng)電子束沿納米線移動(dòng)時(shí)衍射圖案不發(fā)生變化，說明整個(gè)一維結(jié)構(gòu)是由一個(gè)單晶組成。
二、場效應(yīng)晶體管的制備預(yù)先沉積場效應(yīng)晶體管中使用的電極基板31選用高摻雜n型硅，并作為晶體管的柵極，表面上熱氧化生長了一層300nm厚的二氧化硅絕緣層32，然后，再在二氧化硅絕緣層32上沉積5nm厚的鈦層351以加強(qiáng)電極對基片的附著能力，然后沉積70nm厚的金層352，構(gòu)成兩個(gè)電極35，作為晶體管的源極和漏極，兩者間縫隙為100微米。
用美國Micromanipulator公司生產(chǎn)的MM6150型探針臺在高倍光學(xué)顯微鏡(400-1000倍)下將所制備酞菁銅納米線33(長為30-40微米，寬為200nm)移到兩個(gè)電極35間的縫隙處，盡量使納米線的兩端指向左右兩電極。然后在顯微鏡下用直徑20微米的金絲垂直于納米線放置在納米線中央，將納米線的兩端露出來，固定金絲；然后，通過真空鍍膜機(jī)在納米線上熱蒸發(fā)一層厚為50納米的金層，將未被金絲覆蓋的納米線兩端以金層分別與兩個(gè)電極連接。由于所使用的金絲較粗，在沉積完以后可以在顯微鏡下將金絲平移一定距離，露出一部分被金絲遮擋的區(qū)域，然后再次沉積金，這樣就可以控制納米線上兩電極之間的距離，也就能夠控制由納米線構(gòu)成的場效應(yīng)晶體管的溝道長度(最終能夠?qū)㈤L度控制為5-10微米)。最后將金絲取下，場效應(yīng)晶體管制備過程結(jié)束。
在制備中使用預(yù)沉積電極的好處是使器件的電極具有很好的附著能力，同時(shí)可通過選擇適當(dāng)?shù)慕饘俦ＷC與納米線接觸的金屬電極的功函與納米線的能帶相匹配，形成良好的歐姆接觸。所制備得到的酞菁銅單晶納米線場效應(yīng)晶體管掃描電鏡照片如圖4所示(圖中41為納米線，42為第一次所沉積金膜，43為第二次所沉積金膜)，其輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線見圖5A和圖5B，器件的溝道寬度(納米線寬度)約為200nm，溝道長度約為10μm，遷移率約為0.1cm2V-1s-1，閾值電壓為-2.9V。此遷移率高于薄膜器件，而閾值電壓則是所見報(bào)道的采用常規(guī)二氧化硅絕緣層的有機(jī)場效應(yīng)晶體管中最低的，表明該晶體管具有優(yōu)良的性能。
采用相同的方法可以制備得到十六氟代酞菁銅納米線、并五苯納米線，采用以上方法制作出場效應(yīng)晶體管，經(jīng)測試，所得晶體管具有相同的性能。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)場效應(yīng)晶體管，包括一作為柵極的基板，一位于基板上的絕緣層，一位于絕緣層上的源電極和漏電極，其特征在于在所述源電極和漏電極電極間設(shè)有一有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料連接結(jié)構(gòu)，所述連接結(jié)構(gòu)兩端通過二相互間隔的金屬膜與所述源電極和漏電極連接，二金屬膜間距為5-20微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料為稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體化合物為酞菁化合物、卟啉化合物，或具有平面分子構(gòu)形的有機(jī)半導(dǎo)體化合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述源電極和漏電極均由鈦層和金層構(gòu)成，電極間距離為50-100微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述金屬膜選自金、銀、鋁、鈣和鎂層中的一種或幾種；所述基板為高摻雜n型硅；所述絕緣層為二氧化硅絕緣層。
6.權(quán)利要求1所述有機(jī)場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括如下步驟1)在帶有絕緣層的基板上布設(shè)二電極；2)將有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料轉(zhuǎn)移到電極間，使其兩端與電極均不相連接；3)沿平行于電極縫隙方向在所述有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料上固定一金屬絲，然后蒸鍍金屬層，使納米線兩端通過所述金屬層分別與二電極相連接；4)移動(dòng)金屬絲，重新蒸鍍金屬，使兩金屬層縫隙為5-20微米，得到所述場效應(yīng)晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料為稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于所述稠環(huán)芳香族有機(jī)半導(dǎo)體化合物為酞菁化合物、卟啉化合物，或具有平面分子構(gòu)形的有機(jī)半導(dǎo)體化合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的制備方法，其特征在于所述基板為高摻雜n型硅；所述絕緣層為二氧化硅絕緣層；所述電極由鈦層和金層構(gòu)成，電極間距離為50-100微米；所述金屬膜選自金、銀、鋁、鈣和鎂層中的一種或幾種。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的制備方法，其特征在于移動(dòng)有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料采用機(jī)械探針臺和高倍光學(xué)顯微鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)場效應(yīng)晶體管及其制備方法。本發(fā)明所提供的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，包括一作為柵極的基板，一位于基板上的絕緣層，一位于絕緣層上的源電極和漏電極，其中，在源電極和漏電極電極間設(shè)有一有機(jī)半導(dǎo)體單晶微/納米材料，其兩端通過二相互間隔的金屬膜與源電極和漏電極連接，二金屬膜間距為5－20微米。本發(fā)明的有機(jī)場效應(yīng)晶體管具有遷移率高而閾值電壓低的優(yōu)良特性，所采用的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)1)整個(gè)過程中沒有使用有機(jī)溶劑，避免了對納米材料表面的破壞；2)所需設(shè)備相對簡單，避免了高能粒子對納米線的輻照和破壞；3)能夠制備出規(guī)格可控的器件；4)能夠控制場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)并形成良好的電極接觸。
文檔編號H01L51/10GK1953231SQ20051010907
公開日2007年4月25日 申請日期2005年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者胡文平, 李洪祥, 湯慶鑫 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所