專利名稱：高分子半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制作方法
本申請要求1999年1月15日遞交的美國臨時申請系列號60/116,112優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明涉及晶體管場。更具體地說，本發(fā)明涉及基于高分子半導(dǎo)體的晶體管場。
晶體管是重要的電子器件。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)是人們所熟知的。
場效應(yīng)晶體管包括五個元件。第一元件是絕緣體層，它是一種電絕緣體，并具有第一側(cè)面和第二側(cè)面。第二元件是柵，它是一種導(dǎo)電體，該柵與絕緣體層的第一側(cè)面相鄰。第三元件是半導(dǎo)體層，它包括一種聚合物，這種聚合物中至少10重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元，該半導(dǎo)體層具有第一側(cè)面、第二側(cè)面、第一端和第二端，半導(dǎo)體層的第二側(cè)面與絕緣體層的第二側(cè)面相鄰。第四元件是一個源，它是一種導(dǎo)電體，該源與半導(dǎo)體層的第一端形成電接觸。第五元件是一個漏，它是一種導(dǎo)電體，該漏可與半導(dǎo)體層的第二端電接觸。施加于柵的負(fù)偏壓會在連接源與漏的半導(dǎo)體層中形成空穴傳導(dǎo)通道。施加于柵的正偏壓會在半導(dǎo)體層中形成導(dǎo)電通道。


圖1是本發(fā)明裝置的截面?zhèn)纫晥D。
在這里本發(fā)明被稱為“金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”(MISFET)。MISFET包括與絕緣體層相鄰的半導(dǎo)體層。兩個電極(源和漏)固定在半導(dǎo)體層上，而第三個電極(柵)與絕緣體層的另一側(cè)面相鄰。半導(dǎo)體層包括一種聚合物。該聚合物中至少10重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元。在P型場效應(yīng)晶體管中，向柵電極施加負(fù)DC電壓會在半導(dǎo)體層的絕緣體側(cè)面附近引起“空穴”的累積，從而產(chǎn)生傳導(dǎo)通道，通過在源與漏間空穴的傳輸可使電流流過該傳導(dǎo)通道，以致于使MISFET處于“導(dǎo)通”的狀態(tài)。將柵的電壓調(diào)零以使得在累積區(qū)中的空穴耗盡并中止電流，這時MISFET處于“斷開”的狀態(tài)。MISFET打開和關(guān)閉的速度取決于“空穴”由源移動到漏的速度，并由此取決于“空穴”的遷移率。另一方面，在n型場效應(yīng)晶體管中，施加于柵的正偏壓會在半導(dǎo)體層中形成導(dǎo)電通道。
現(xiàn)在參照圖1，其示出的是本發(fā)明裝置10的截面?zhèn)纫晥D。裝置10包括絕緣體層11，該絕緣體層11是一種電絕緣體，其具有第一側(cè)面12和第二側(cè)面13。裝置10還包括柵14，該柵14是一種導(dǎo)電體，其與絕緣體層11的第一側(cè)面12相鄰(并優(yōu)選與其接觸)。裝置10還包括半導(dǎo)體層15，該半導(dǎo)體層15含有一種聚合物，該聚合物中至少10重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元，該半導(dǎo)體層15具有第一側(cè)面16、第二側(cè)面17、第一端18和第二端19，半導(dǎo)體層的第二側(cè)面17與絕緣體層的第二側(cè)面13相鄰(并優(yōu)選相接觸)。裝置10還包括源20，該源20是一種導(dǎo)電體，它可與半導(dǎo)體層15的第一端18電接觸。裝置10還包括漏21，該漏21是一種導(dǎo)電體，它可與半導(dǎo)體層15的第二端19電接觸。與裝置1O的電連接是通過將電導(dǎo)線22、23和24分別與柵14、源20和漏21相連接實(shí)現(xiàn)的。所示的裝置10還任選的包括基材25，該基材可作為裝置10的結(jié)構(gòu)基底。
再參照圖1，裝置10可通過下述步驟形成。首先，在基材25上形成柵14?；?5可選自各種材料，包括硅片、玻璃或塑料。柵14可由任何導(dǎo)電材料(通常為金屬例如銀、金或鋁，但也可使用導(dǎo)電的非金屬，例如銦錫氧化物或重?fù)诫s的硅)形成。柵14優(yōu)選通過適當(dāng)?shù)钠帘?，由任何?biāo)準(zhǔn)技術(shù)來形成，它包括對摻雜硅的離子注入法，對金屬的真空熱蒸發(fā)或?yàn)R射。另外，在由足夠厚的導(dǎo)電材料，例如鋁片形成柵14的情況下，可省去基材25。
然后，將絕緣體層11形成在柵14上。用于絕緣體層11的材料優(yōu)選要有至少為3的介電常數(shù)，它可以是一種聚合物(例如，聚酰亞胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚砜等)，無機(jī)氧化物(例如GeO，GaO，SiO，MgO，SiO2，SnO，SnO2)，無機(jī)氟化物(例如，CsF，CaF2，MgF2，LiF)和無機(jī)氮化物(例如，Si3N4)。當(dāng)在裝置10額定電壓內(nèi)保持柵14與半導(dǎo)體層15間的電絕緣時，絕緣體層11的厚度最優(yōu)選為盡可能的薄。
然后通過例如標(biāo)準(zhǔn)溶液法將半導(dǎo)體層15形成在絕緣層上。半導(dǎo)體層15包括一種聚合物。該聚合物中至少10重量％(優(yōu)選至少20重量％，更優(yōu)選至少30重量％)的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元。
這些聚合物的例子公開在美國專利US5708130；US5777070，美國專利申請?zhí)枮?8/861469，申請日為1997.5.21；US5962631和WO99/54385中。
具體地說，該聚合物優(yōu)選具有下式的基團(tuán) 其中R1獨(dú)立地是C1-20烴基或含一或多個S，N，O，P或Si原子的C1- 20烴基，C4-16烴基羰基氧，C4-16芳基(三烷基甲硅烷氧基)或兩個R1都與芴環(huán)的第9個碳形成C5-20環(huán)結(jié)構(gòu)或含有一或多個S，N或O雜原子的C4-20環(huán)結(jié)構(gòu)；R2獨(dú)立地是C1-20烴基，C1-20烴氧基，C1-20硫醚，C1-20烴基羰基氧或氰基以及A獨(dú)立地是0或1；和/或下式的基團(tuán) 其中R2和a均與上面所限定的一樣，R3獨(dú)立地是C1-20烴基或被二(C1-20烷基)氨基取代的C1-20烴基、C1-20烴基氧或C1-20烴基或三(C1 -10烷基)甲硅烷氧基。
可使用的共聚單體基團(tuán)包括 和 R3獨(dú)立地是羧基，C1-C20烷基，C1-C20烷氧基或式-CO2R4所表示的基團(tuán)，其中R4為C1-C20烷基；以及b獨(dú)立地是O～3的整數(shù)。這種共聚物的例子包括
其它的共聚單體基團(tuán)包括茋，二苯乙炔，C6-20單核/多核芳烴，和C2-10單核/多核雜環(huán)。單核/多核芳烴的例子包括苯，萘，二氫苊，菲，蒽，熒蒽，芘，紅熒烯，和。單核/多核雜環(huán)的例子包括五原子雜環(huán)，例如呋喃，噻吩，吡咯，噁唑，異噁唑，噻唑，異噻唑，咪唑，噁二唑，噻重氮，吡唑；六原子雜環(huán)，例如吡啶，噠嗪，咪啶，吡嗪，三嗪，和四氮烯；苯并稠環(huán)體系，例如苯并噁唑，苯并噻唑，苯并咪唑，喹啉，異喹啉，噌啉，喹唑啉，喹喔啉，酞嗪，苯并噻重氮，和苯并三嗪；以及多核稠環(huán)體系，例如吩嗪，菲啶，吖啶，咔唑，和二苯并呋喃。通常含有最多30個碳原子的共軛化合物也可用于此目的。任選的，它們可被一個或多個不會對聚合物組合物的熒光性質(zhì)造成損害的取代基取代。取代基的例子包括C1-20烴基，C1-20(硫代)烷氧基，C1-20(硫代)芳氧基，氰基，氟，氯，C1-20烷氧基羰基，C1- 20芳氧基羰基，C1-20羧基和烷基(芳基)磺?；Ｒ阎臒晒忖鐒┑娜〈绶蓟驶拖趸遣幌Ｍ嬖诘?。也可使用由結(jié)構(gòu)(1)-(8)所例舉的多個配合物結(jié)構(gòu)的共軛單體單元。
Y＝S或O 優(yōu)選的含芴的聚合物是具有高載流子遷移率的那些聚合物，該載流子的遷移率是通過標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)測量的，例如在Van der Auweraer等人的高級材料(Advanced Materials)第6卷第199頁(1994年)中描述的飛行時間實(shí)驗(yàn)。更優(yōu)選的為具有非耗散的載流子輸送性能的含芴聚合物，例如在Redecker等人的Applied Physics Letters第73卷第1565頁(1998年)中描述的聚(9，9-二辛基芴-2，7-二基)。還優(yōu)選的是，上述US’469和’187中描述的與叔芳胺交替的芴共聚物。這些聚合物的載流子遷移率至少為1×10-4厘米2/伏特-秒。
半導(dǎo)體層15可包括聚合物混合物。半導(dǎo)體層15的聚合物為均勻的或是相分離的；它的形態(tài)也可是無定形的，半結(jié)晶的，或液晶的。如Grell等人在高級材料第9卷第798頁(1997年)中描述的，為了增強(qiáng)載流子的遷移率，該聚合物也可呈液晶態(tài)。半導(dǎo)體層15的厚度不是關(guān)鍵的，它可在例如1nm～1000nm，優(yōu)選10nm～500nm，最優(yōu)選20nm～100nm之間變化。
然后，用濺射或在真空中的熱蒸發(fā)，通過諸如屏蔽來沉積源20和漏21。用于源20和漏21的優(yōu)選材料為金，銀或鋁。施加于柵的負(fù)偏壓會在半導(dǎo)體層15和絕緣體11的界面處或其附近形成傳導(dǎo)通道。當(dāng)漏21相對于源20呈負(fù)壓時，電流會從源20流到漏21。本發(fā)明的MISFET的特征在于具有高的開閉比以及場效應(yīng)遷移率。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括(a)絕緣體層，它是一種電絕緣體，并具有第一側(cè)面和第二側(cè)面；(b)柵，它是一種導(dǎo)電體，該柵與絕緣體層的第一側(cè)面相鄰；(c)半導(dǎo)體層，它包括一種聚合物，這種聚合物中至少10重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元，該半導(dǎo)體層具有第一側(cè)面、第二側(cè)面、第一端和第二端，半導(dǎo)體層的第二側(cè)面與絕緣體層的第二側(cè)面相鄰；(d)源，它是一種導(dǎo)電體，該源與半導(dǎo)體層的第一端電接觸；(e)漏，它是一種導(dǎo)電體，該漏可與半導(dǎo)體層的第二端電接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管，其中半導(dǎo)體層基本上由一種聚合物組成，該聚合物中至少10重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的晶體管，其中該聚合物中至少20重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的晶體管，其中該聚合物中至少30重量％的單體單元選自9位取代的芴單元和9，9位取代的芴單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的晶體管，其中半導(dǎo)體層與絕緣體層直接接觸，且其中柵與絕緣體層直接接觸。
全文摘要
場效應(yīng)晶體管由五個元件組成。第一元件是絕緣體層,它是一種電絕緣體,例如二氧化硅,并具有第一側(cè)面和第二側(cè)面。第二元件是柵,它是一種導(dǎo)電體,例如銀,該柵定位在絕緣體層的第一側(cè)面上。第三元件是半導(dǎo)體層,它包括一種聚合物,這種聚合物中至少10重量%的單體單元選自9位取代的芴單元和/或9,9位取代的芴單元,該半導(dǎo)體層具有第一側(cè)面、第二側(cè)面、第一端和第二端,半導(dǎo)體層的第二側(cè)面位于絕緣體層的第二側(cè)面上。第四元件是一個源,它是一種導(dǎo)電體,例如銀,該源與半導(dǎo)體層的第一端電接觸。第五元件是一個漏,它是一種導(dǎo)電體,例如銀,該漏可與半導(dǎo)體層的第二端電接觸。施加于柵的負(fù)偏壓會在連接源與漏的半導(dǎo)體層中形成傳導(dǎo)通道。另一方面,施加于柵的正偏壓會在半導(dǎo)體層中形成導(dǎo)電通道。
文檔編號H01L51/00GK1333926SQ99815616
公開日2002年1月30日 申請日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月15日
發(fā)明者M·T·比爾紐斯, E·P·伍 申請人:陶氏化學(xué)公司