双极型垂直场效应晶体管的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]凭借低静态功耗、高抗噪声性和稳健性，互补晶体管技术成为用于硅基集成电路(ic)的主流技术。近几十年来已经对有机电子学进行了很多研宄，并且可以开始考虑将有机电子学发展到基于有机组分的用于简单应用的ic的集成方面。
【附图说明】
[0002]参照下面的附图可以更好地理解本公开内容的许多方面。附图中的部件不一定是按比例的，而重点在于清楚地示出本公开内容的原理。此外，在附图中，贯穿若干图，相同的附图标记指代对应的部分。
[0003]图1为根据本公开内容的各种实施方案的逆变电路的示意图。
[0004]图2a和图2b为根据本公开内容的各种实施方案的双极型横向沟道有机薄膜晶体管(otft)的实施例的图示。
[0005]图3为根据本公开内容的各种实施方案的横向沟道有机半导体共混晶体管的实施例的图示。
[0006]图4和图5a至图5c为根据本公开内容的各种实施方案的双极型碳纳米管垂直场效应晶体管(cn-vfet)的实例的图示。
[0007]图6为表示根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的电路的示意图。
[0008]图7和图8为根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的输出曲线的曲线图。
[0009]图9a和图9b为根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet运行的示意图。
[0010]图10、图1la和图1lb为包括根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的数字化逆变器的实例的图示。
[0011]图12a至图12b为包括根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的数字化逆变器的输出曲线的曲线图。
[0012]图12c至图12d为包括根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的数字化逆变器的静态泄漏电流特性的曲线图。
[0013]图13a至图13b为包括根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的数字化逆变器的增益特性的曲线图。
[0014]图14为示出制造根据本公开内容的各种实施方案的双极型cn-vfet的实例的流程图。
【具体实施方式】
[0015]本文的公开内容涉及双极型垂直场效应晶体管(vfet)(例如，双极型碳纳米管激活vfet (ambipolar carbon nanotube enabled vfet))的各种实施方案。现在将如附图中所示出的具体地参照对实施方案的描述，其中贯穿若干图，类似的附图标记指代类似的部分。
[0016]在互补电路中，使用p型沟道晶体管和η型沟道晶体管两者。然而，与通过简单地实施合适的接触和沟道掺杂剂而实现单一半导体(例如硅)的p型沟道晶体管和η型沟道晶体管的硅基ic不同，对于p型沟道有机薄膜晶体管和η型沟道有机薄膜晶体管(otft)需要专用半导体材料。分立的η型沟道有机晶体管和p型沟道有机晶体管在适当规模的ic中的集成仍存在挑战。对有机物进行图案化以实现分开限定的p型沟道有源区和η型沟道有源区增加了器件制造的实质的复杂性。这可以通过使用双极型有机晶体管来避免，其得益于具有可以在单一掩模步骤中沉积的沟道。
[0017]通过栅极电压的控制，p型沟道和η型沟道有源区均可以形成在双极型有机晶体管中。然后可以仅使用双极型有机晶体管来制造互补电路，从而大大降低了制造复杂性。使用最高占据分子轨道(homo)和最低未占据分子轨道(lumo)的能级在金属功函数的约0.8ev以内的窄带隙有机半导体可以实现从双极型otft的同一金属电极有效注入电子和空穴两者。在替选实施方案中，可以通过将不一定具有窄带隙的两种有机半导体结合来实现(从同一金属)有效注入电子和空穴两者。通过合理地选择材料，可以将一种有机半导体的homo与另一有机半导体的lumo布置成处于金属功函数的约0.8ev以内。
[0018]可以以各种方式将两种材料进行结合来形成沟道层。例如，可以将两种不同的有机半导体分别沉积为双层(一层在另一层的顶部上)。实际上，可以利用挥发性小分子有机半导体通过分开、顺序气相沉积而实现，并且已得到了以良好性能工作的器件。然而，对于有机电子器件期望基于溶液的处理以从诸如喷墨印刷和辊至辊制造的低成本制造方法中获益。聚合物和一些小分子或改性小分子可以经溶液处理，但是由于对于极大地限制了可使用材料的正交溶剂(即，第二层中的溶剂不应该溶解第一层)的需求，所以双层的沉积是复杂的。在另一实施例中，可以通过在相同的溶剂中将这两种有机半导体共混在一起来将其结合。然后，可以将该共混物沉积为单个沟道层。
[0019]虽然在这样的有机半导体共混物被用作晶体管沟道材料的情况下，可以观测到栅极控制的双极传输，但是最好的半导体共混器件显示的迀移率为比由纯的p型或η型半导体沟道材料制造的器件的迀移率低二至三个数量级。例如，k.szendrei等人在 2010 年(j mater chem, vol 20，1317-1321 (2010))展示了用聚{[n, no-双(2-辛基十二烷基)-萘-1，4，5，8-双(二甲酰亚胺)-2，6- 二基]-alt-5, 50- (2，20-联噻吩)}(p (ndi20d-t2))作为η型材料，用区域规整(reg1regular)的聚(3-已基噻吩)(rr_p3ht)作为p型材料的双极型聚合物共混晶体管。该器件实现了对于电子的4x 1-3cm2v-1s-1的迀移率和对于空穴的sxkt3cmw1的迀移率，这是目前所报导的聚合物共混晶体管的最高记录。然而，当与纯p(ndi20d-t2)器件的0.4501^'-1的迀移率和纯rr_p3ht器件的0.1cmw1的迀移率比较时，其仍然很低。至于在共混材料器件中所获得的低迀移率的原因是:在常规的横向沟道晶体管构造中跨10 μ m至100 μ m距离的源漏电极缺乏逾渗的p型材料和η型材料的纯域。将纯p型或η型的逾渗路径从一个电极延伸穿过整个沟道层到另一电极，器件性能可以提高至更接近单一材料器件的水平。
[0020]参照图1，示出cmos逆变电路100的实施例。逆变电路100输出与其输入电压106的逻辑电平相反的电压103。因而，处于vdd的输入电压106返回处于接地电平的输出电压103，处于接地水平的输入电压106返回处于vdd的输出电压103。如图1的实施例的数字化逆变器是所有数字电子器件的基础。在图1中所描述的传统的cmos逆变器100由于每个晶体管109和112的单极特性而不经受泄漏电流。在vdd被施加为cmos逆变器100的输入电压106的情况下，p型沟道晶体管109接通而η型沟道晶体管112断开，导致输出电压103处于接地电平。在输入电压106接地的情况下，η型沟道晶体管112接通而ρ型沟道晶体管109断开，导致输出电压103为vdd。在两种逻辑状态下，晶体管109/112之一断开，从而防止了在稳态下电流流经cmos逆变器100。
[0021]相反，用两个双极型横向沟道otft构建的数字逻辑逆变器由于两个晶体管均不能完全断开而消耗过量的能量，导致不断的有泄漏电流流经器件。如图2a所示，在vin接地的情况下，由于晶体管203的源电极连接至vdd，所以跨晶体管203的沟道将感生足够的空穴209并且跨晶体管203的阻抗将像期望的那样小。晶体管206的源电极接地，因此在源极区域附近几乎没有感生出电荷。然而，跨晶体管206的沟道的电势逐渐增加，导致沿着沟道朝向晶体管206的漏电极感生出更多的空穴212。所以晶体管206是部分接通的。晶体管206的阻抗仍大于晶体管203的阻抗，产生几乎等于vdd的高输出电压(v。」。但是由于晶体管206是不完全断开的，所以恒定的电流将流经逆变器。相似地，如图2b所示，在输入电压(vin)被设置为vdd的情况下，晶体管206将完全接通而晶体管203也将部分接通，导致恒定电流流经逆变电路。
[0022]通过使用碳纳米管基垂直场效应晶体管(cn-vfet)可以避免持续的泄漏电流。在一个实施方案中，cn-vfet晶体管包括以下从底层向上依次列出的结构化元件:导电栅电极；电绝缘栅极介电层；纳米管层，其侧面放置于栅极介电表面上，具有跨越栅极介电表面的数密度，形成交叉互联的纳米管的电互联随机网络，但是其中，从上面看，纳米管网络层足够稀疏以露出下层介电表面(例如，露出的下层介电表面至少与被纳米管覆盖的下层介电表面一样多)；半导体沟道层，其覆盖纳米管和位于相邻纳米管之间的露出的介电层的区域；以及最后是导电顶电极层。纳米管网络层被称为纳米管源电极或只是源电极，并且顶电极层被称为漏电极。与纳米管层的电接触可以经由可以位于沿着纳米管网络层的一个边缘(例如，纳米管网络层一小部分的上方或下方)的金属源极接触焊盘进行。除了通过提供栅电极与源电极之间的栅极电压(ve)的电压源之外，栅电极通过栅极介电层电绝缘于纳米管源电极和源极接触焊盘。通过沟道层电隔离的漏电极和纳米管源电极连接至向源电极与漏电极之间施加电压(vsd)的单独的电源。
[0023]在cn-vfet晶体管中，载流子从下面的碳纳米管(cnt)源电极注入，垂直地经过薄膜沟道并且被顶部的漏电极收集。栅极通过调整在源极随机网络中的碳纳米管与有机半导体之间的注入势皇来控制源-漏电流。在p型沟道cn-vfet中，空穴从cnt的费米能级注入到有机半导体的homo能级，而在η型沟道cn-vfet中，电子从cnt的费米能级注入到有机半导体的lumo能级。栅极场调节在源极随机网络中的cnt的费米能级位置来控制cnt与有机半导体之间的注入势皇。为了确保栅极场可以导通和关断源漏电流，用于ρ型沟道应用的有机半导体的homo能级和用于η型沟道应用的有机半导体的lumo能级应该位于cnt的费米能级附近，例如在0.8ev内。
[0024]在横向沟道有机半导体共混晶体管的情况下，迀移率差的最可能的原因是源电极与漏电极之间的两种材料的相分离域的非逾渗特性。参照图3，示出的是横向沟道有机半导体共混晶体管300的图示。如所示出的，不同的图案化的区域303和306表示源极与漏极之间的沟道309中的两种相分离组分。由于在分立的域303/306之间的每个界面处的接触势皇和跨越从源极至漏极的沟道的长度312延伸的很少的纯域(如果有的话)逾渗路径的存在，严重的限制了流经沟道的电流。几十至几百微米的常规横向沟道otft的长沟道长度312使得问题特别严重，导致了非常低的导通态电流。
[0025]相反，通过使用cn-vfet，可以使得沟道长度很短以使得每种材料组分相的单晶晶粒可以从纳米管源电极延伸至上面的漏电极使得获得材料的大迀移率(bulk mobility)。图4为示出了具有在cn源极408和漏极412之间垂直延伸的相分离415和418的cn-vfet的图示。由于其薄沟道层410，相分离膜可以提供双极型cn-vfet 400中跨越沟道层410的单晶路径415/418，实现了高的沟道迀移率。cn源极408和漏极412之间的垂直路径415/418可以通过其中发生两种组分的横向相分离的膜来满足。在许多有机共混物中已经获得了相分离。所产生的低导通态沟道电阻可以提供关于基于双极型cn-vfet的数字化逆变