專利名稱：雙柵極場效應晶體管和生產(chǎn)雙柵極場效應晶體管的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙柵極場效應晶體管，包括第一和第二電介質層、第一和第二柵電極以及由至少一個源電極、至少一個漏電極和至少一個有機半導體構成的組件，其中源電極和漏電極與半導體接觸，組件位于第一電介質層和第二電介質層之間，第一電介質層位于第一柵電極和組件第一側之間，第二電介質層位于第二柵電極和組件第二側之間。
背景技術：
文獻US 2004/0029310A1公開了一種有機場效應晶體管(OFET)，包括上下絕緣體層、兩個柵電極以及由源電極、漏電極和有機半導體構成的組件，其中源電極和漏電極與半導體接觸。所述組件位于所述上下絕緣層之間，所述上絕緣層位于第一柵電極和組件之間， 第二電介質層位于第二柵電極和組件之間。有機場效應晶體管在源電極和漏電極之間實現(xiàn)了多個獨立的電流溝道，電流溝道的長度小于一微米(< 1 μ m)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙柵極場效應晶體管，其特征在于通過調節(jié)施加到第一柵電極和/或第二柵電極的偏壓可調節(jié)特性曲線。為了實現(xiàn)這個目的，所述有機半導體為有機雙極性傳導半導體，其在所述組件的第一側實現(xiàn)至少一個電子注入?yún)^(qū)域并在第二側實現(xiàn)至少一個空穴注入?yún)^(qū)域。這種場效應晶體管為有機雙極性傳導半導體之內的相反電荷極性的載荷子(電子和空穴)實現(xiàn)兩個載荷子溝道，用于雙極性電輸運。溝道，即電子輸運溝道(η溝道)和空穴輸運溝道(ρ溝道)從源電極延伸到漏電極。載荷子溝道優(yōu)選是橫向分層的載荷子溝道。在組件的第一側和第二側之間形成ρη結。雙柵極場效應晶體管適于產(chǎn)生垂直于載荷子溝道的額外電流分量，所述電流分量取決于施加到柵電極的電壓。由于相反電荷極性的載荷子(再次)結合，產(chǎn)生該電流分量?？梢酝ㄟ^柵電極中的至少一個的偏壓控制額外電流分量的幅度。該場效應晶體管適于在不同應用中使用，例如傳感器系統(tǒng)、存儲裝置和光發(fā)射裝置。有機雙極性傳導半導體優(yōu)選是具有棒狀液晶結構的有機雙極性傳導半導體。棒狀液晶由細長，基本棒形的有機分子構成。柵電極優(yōu)選包括體材料和/或電極層的電極板。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，有機雙極性傳導半導體是有機雙極性傳導半導體膜。此外，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，有機雙極性傳導半導體膜包括適于實現(xiàn)電子溝道的第一分層區(qū)域以及用于實現(xiàn)空穴溝道的第二分層區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，有機雙極性傳導半導體膜包括適于實現(xiàn)電子溝道的第一層和用于實現(xiàn)空穴溝道的第二層。包括第一層和第二層的有機雙極性傳導半導體膜為有機雙極性傳導半導體雙層。有機雙極性傳導半導體膜的總厚度優(yōu)選小于20nm，更優(yōu)選小于lOnm。半導體膜的厚度與電子注入?yún)^(qū)域和/或空穴注入?yún)^(qū)域的厚度在相同范圍中。此外，根據(jù)本發(fā)明的更優(yōu)選實施例，有機雙極性傳導半導體膜被形成為有機半導體單層或包括有機半導體單層。有機半導體單層優(yōu)選為有機雙極性傳導半導體單層。包括有機傳導半導體單層的場效應晶體管優(yōu)選是包括用于雙極性傳導的自組裝單層(SAM)的 SAMFET (自組裝單層場效應晶體管)。有機半導體單層是自發(fā)形成于襯底上的自組裝單層(SAM)。所述襯底優(yōu)選是柵電極之一和對應電介質層的集合體。三-氯硅烷或三-烷氧基硅烷被用作SAM的結合團。通過在水解襯底表面上與羥基進行縮合反應形成SAM。為了避免缺陷，單功能結合團是至關重要的。在自縮合作用時形成的二聚物不會干擾襯底(柵極電介質)上的自組裝單層。半導體分子的核心是由α-取代五噻吩構成的噻吩核心?？梢詫AM模型化為具有兩個不同電子密度的雙(子)層。底部子層對應于脂肪鏈，頂部子層對應于單層的噻吩核心。兩個子層的厚度匹配成1.56nm (脂肪鏈)和2.06nm (噻吩核心)。這一單層的厚度因此為3-4nm。 分子的橫向次序是由自組裝單原子層中分子之間的分子間η-η耦合導致的。通常，源電極和/或漏電極是由同樣的金屬或具有不同逸出功的不同金屬制成的金屬電極。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，源電極和/或漏電極為金電極，優(yōu)選為金電極層。使用常規(guī)光刻方法制造金源電極和/或金漏電極。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，第一電介質層和/或第二電介質層為有機鐵電層。因此，雙柵極SAMFET作為非易失性存儲器而工作。優(yōu)選地，場效應晶體管還包括至少一個透射窗口，使得能夠從有機雙極性傳導半導體向晶體管外部區(qū)域發(fā)射光。由于有機雙極性傳導半導體之內電子和空穴復合導致的輻射或光可以通過這個窗口離開晶體管。本發(fā)明的另一個方面是一種包括至少一個上述雙柵極場效應晶體管的光發(fā)射裝置，尤其是激光裝置。雙柵極場效應晶體管的有機雙極性傳導半導體為有機雙極性傳導半導體膜，其在組件的第一側實現(xiàn)至少一個電子注入?yún)^(qū)域，在第二側實現(xiàn)至少一個空穴注入?yún)^(qū)域，其中所述有機雙極性傳導半導體膜的厚度處于累積層的厚度量級上，優(yōu)選小于lOnm。 具體而言，有機雙極性傳導半導體層是有機雙極性傳導半導體單層，優(yōu)選是實現(xiàn)雙極性傳導的SAM。為了獲得橫向電荷遷移，單層是高度有序的并盡可能地類似于單晶。這樣的裝置是自組裝單層場效應晶體管(SAMFET)，其中雙極性傳導半導體為自發(fā)形成于柵極電介質上的單層。光發(fā)射裝置優(yōu)選是還包括用于產(chǎn)生受激發(fā)射的激光腔的激光裝置(激光受激輻射發(fā)射的光放大)。本發(fā)明的另一方面是包括至少一個上述雙柵極場效應晶體管的傳感器系統(tǒng)。第二電介質層的外部外表面包括能夠結合到被分析物的受體分子，優(yōu)選從包括陰離子受體、陽離子受體、芳烴受體、碳水化合物受體、脂類受體、類固醇受體、肽受體、核甘酸受體、RNA受體和/或DNA受體的組中選擇。受體分子可以通過共價鍵、離子鍵或非共價鍵，例如范德瓦耳斯相互作用結合到第二電介質層的表面。通過上述受體分子結合的被分析物表示醫(yī)療應用的感興趣目標。知道這些被分析物的存在或濃度給疾病的形成或發(fā)生提供了寶貴的認識。陰離子和陽離子不限于簡單的類別，例如堿、堿土、鹵化物、硫酸鹽和磷酸鹽，而且擴展到像細胞中的代謝過程期間形成的氨基酸或羧酸那樣的物質。如果懷疑有例如像多環(huán)芳烴(PAH)的致癌芳烴，可以采用芳烴受體。可以在治療糖尿病那樣的領域中使用碳水化合物受體。如果要研究與脂肪過多相關的代謝疾病，可以應用脂類受體。對類固醇激素敏感的類固醇受體可用于各種指示領域，包括妊娠試驗和商業(yè)體育中的興奮劑檢查。檢測縮氨酸、核苷酸、RNA和DNA對于研究和治療遺傳性疾病和癌癥而言是重要的。在被分析物結合到受體分子時，可以觀測到受體分子偶極矩的變化。這又導致控制源電極和漏電極之間電流的電場的變化。因此，可以觀測到信號并與被分析物相關。盡管這種特性最容易與帶電被分析物相關聯(lián)，但在諸如生理水溶液的周圍極性介質中檢測不帶電被分析物也是可能的。在中性被分析物結合到受體分子時，從受體分子或表面替換了水分子。這導致受體分子或電介質的介電常數(shù)的變化。本發(fā)明的另一個方面是一種包括至少一個上述雙柵極場效應晶體管的存儲裝置。 根據(jù)所用材料的選擇和幾何結構，可以直接將場效應晶體管用作存儲器。在優(yōu)選實施例中， 將場效應晶體管的至少一個電介質層選作有機鐵電物質。雙柵極場效應晶體管作為非易失性存儲器而工作。本發(fā)明的又一方面是一種生產(chǎn)雙柵極場效應晶體管的方法，所述方法包括以下步驟-向柵電極的表面施加電介質層；-利用至少一個光刻掩模向電介質層施加源電極和漏電極；-激活至少所述源電極和所述漏電極之間的有源區(qū)中的電介質層；-利用半導體分子溶液潤濕電介質層、柵電極、源電極和漏電極的集合體以在所述有源區(qū)中形成自組裝半導體單層；-向所述自組裝半導體單層施加另一電介質層；以及-向另一電介質層施加另一柵電極。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，自組裝半導體單層是自組裝雙極性傳導半導體單層。優(yōu)選利用熱生長/蒸鍍或濺射執(zhí)行電介質層、源電極、漏電極和/或柵電極的施加。電介質層中的至少一個優(yōu)選為熱生長于柵電極上的SiO2層。所述柵電極優(yōu)選是摻雜的Si單晶(晶片)。源電極和/或漏電極為金電極，尤其是金層(金接觸層)。優(yōu)選通過氧等離子體處理，繼之以酸水解來激活所述有源區(qū)中的電介質層的表面。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，通過將襯底浸入半導體分子的干甲苯溶液中實現(xiàn)集合體的潤濕。在形成自組裝半導體單層之后，徹底漂洗并干燥襯底。對于形成為基于噻吩的有機雙極性傳導半導體單層的膜，優(yōu)選將另一電介質層構建為聚異丁基單丙烯酸酯(PIBMA)薄膜，其中薄膜的厚度優(yōu)選介于300nm和600nm之間。對于包括有機傳導半導體單層和第二薄層(尤其是薄二萘嵌苯層)(所述薄層覆蓋有機雙極性傳導半導體單層)的膜，使用正交溶劑形成另一電介質。在這種情況下，像FC40的氟化溶劑是適當?shù)摹?br>

參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將顯而易見并得到闡述。在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的雙柵極場效應晶體管的示意器件幾何結構的垂直截面6
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的自組裝半導體單層(SAM)的化學結構和自組裝半導體單層場效應晶體管(SAMFET)的傳遞曲線；圖3示出了針對相對于施加到第一柵電極的偏壓的施加到第二柵電極的不同偏壓，雙柵極自組裝半導體單層場效應晶體管(SAMFET)的傳遞曲線；以及圖4示出了針對相對于施加到第二柵電極的偏壓的施加到第一柵電極的不同偏壓，雙柵極自組裝半導體單層場效應晶體管(SAMFET)的傳遞曲線。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的雙柵極場效應晶體管1，包括由源電極3、漏電極4和有機半導體5構成的組件2。在組件2之內，源電極3和漏電極4與所述半導體5接觸。組件 2位于第一電介質層6和第二電介質層7之間。第一電介質層6位于第一柵電極9和組件 2之間，組件2的第一側(圖1中的底側)8下方。第二電介質層7位于第二柵電極11和組件2之間，組件2的第二側(圖1中的上側)10上方。有機半導體5是形成為有機雙極性傳導半導體膜13的有機雙極性傳導半導體12，更確切地說是有機雙極性傳導自組裝半導體單層14。有機雙極性傳導半導體膜13由被界面17分開的兩個分層區(qū)域15、16構成。 第一分層區(qū)域15(圖1實施例中的底部區(qū)域)實現(xiàn)了組件2第一側8的電子注入?yún)^(qū)域18， 第二分層區(qū)域16(圖1實施例中的上方區(qū)域)實現(xiàn)了組件2第二側10的空穴注入?yún)^(qū)域19。 或者，底部區(qū)域是實現(xiàn)空穴注入?yún)^(qū)域19的第二分層區(qū)域16，上方區(qū)域是實現(xiàn)電子注入?yún)^(qū)域 18的第一分層區(qū)域15。在區(qū)域15，16之間，在界面17處形成pn結。優(yōu)選地，第二電介質層7被形成為電介質SiO2層。在這種構造中使電荷俘獲問題最小化，空穴和電子可以移動通過有機雙極性傳導半導體12，而由電介質層6、7導致的問題得到最小化。圖1中所示的場效應晶體管優(yōu)選用于根據(jù)本發(fā)明的光發(fā)射裝置20中。有機雙極性傳導半導體13使得能夠在底側(第一側8)注入電子，在頂側(第二側10)注入空穴。載荷子累積區(qū)的厚度處在有機雙極性傳導半導體膜13的厚度量級。在這種情況下，施加到柵電極9、11的偏壓導致電子注入到組件2第一側8的電子注入?yún)^(qū)域18中，空穴注入到組件 2第二側10的空穴注入?yún)^(qū)域19中。由于有機雙極性傳導半導體膜13的厚度低于lOnm，累積在半導體膜13兩側8、10的電子和空穴的波函數(shù)交疊，電子和空穴能夠彼此復合。這種復合是一種輻射復合。通過增加柵電極9、11之間的偏壓，可以增大注入的載荷子(電子和空穴)的密度，導致受激的光發(fā)射。因此，可以使用具有厚度小于IOnm的有機雙極性傳導半導體膜13的場效應晶體管1進行光發(fā)射，甚至執(zhí)行受激輻射發(fā)射的光放大(激光)。產(chǎn)生光的先決條件是組件2兩側累積的電子和空穴的波函數(shù)交疊。這意味著有機雙極性傳導半導體12的厚度應當大約處于累積層的厚度量級。這一層的厚度的量級為幾納米(nm)。為了獲得橫向電荷遷移，單層應當是高度有序的。它應當盡可能地類似于單晶。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，雙柵極場效應晶體管是自組裝單層場效應晶體管。這是一種半導體是自發(fā)形成于電介質層之一上的單層的場效應晶體管。因此，第一步是制造功能性SAMFET。下一步是在相對側上制造第二柵極電介質和第二柵電極，以形成雙柵極。生產(chǎn)雙柵極SAMFET的方法包括以下步驟-向柵電極9、11的表面施加電介質SW2層；
7
-利用至少一個光刻掩模向電介質S^2層施加金源電極(層)3和金漏電極 (層)4;-通過氧等離子體處理并繼之以酸水解，至少在源電極3和漏電極4之間的有源區(qū)中激活電介質層6、7 ；-將電介質層6、7、柵電極9、11、源電極3和漏電極4的集合體浸入半導體分子的干甲苯溶液中，以在有源區(qū)中形成自組裝雙極性傳導半導體單層；-向自組裝雙極性傳導半導體單層14施加另一電介質層7、6，其中優(yōu)選將所述其他電介質層7、6構建為聚異丁基單丙烯酸酯(PIBMA)薄膜，其中薄膜的厚度優(yōu)選介于300nm 和600nm之間，以及-向另一電介質層施加另一柵電極11、9，優(yōu)選為金柵電極。圖2中給出了半導體分子的化學表達式21 (化學結構)，雙柵極SAMFET (自組裝單層場效應晶體管)的典型自組裝有機雙極性傳導半導體單層14的傳遞曲線22、23。該圖示出了具有四十微米GO μ m)恒定溝道長度和一千微米(1000 μ m)溝道寬度的SAMFET的傳遞曲線22、23 (漏極-源極電流Ids相對于施加到第一柵電極9的柵極電壓Vgl)。第一條傳遞曲線22表示使用-2伏(-2V)漏極偏壓的傳遞特性，第二條傳遞曲線23表示使用-20伏 (-20V)漏極偏壓的傳遞特性。圖2左側的第一插圖示出了雙極性傳導自組裝單層形成的一種有機分子的化學表達式21。底部是脂肪鏈M，頂部是噻吩核心元素25。具有其脂肪鏈M和噻吩核心元素 25的多個平行取向分子形成雙極性傳導自組裝單層14(棒狀液晶)。右側的第二插圖示出了曲線沈，表示作為源電極3和漏電極4之間0到40微米 (0-40 μ m)區(qū)域中溝道長度的函數(shù)的載荷子(電子和空穴)的線性遷移率。圖3示出了針對相對于施加到第一柵電極9的偏壓的施加到第二柵電極11的不同偏壓，雙柵極自組裝半導體單層場效應晶體管(SAMFET)的傳遞曲線(掃略雙柵極SAMFET 的底柵極)。從左至右，從20到-20V，以IOV(伏)步長固定施加到第二柵電極11的偏壓。圖4示出了針對相對于施加到第二柵電極11的偏壓的施加到第一柵電極9的不同偏壓，雙柵極自組裝半導體單層場效應晶體管(SAMFET)的傳遞曲線(掃略雙柵極SAMFET 的頂柵極)。從左至右，從20到-20V，以IOV步長固定施加到第一柵電極9的偏壓。圖3和圖4支持如下事實可以由兩個柵極獨立調節(jié)空穴和電子的輸運。因此可以調諧針對兩個溝道，即空穴溝道和電子溝道的電流-電壓(I-V)特性。這對于獲得最大的電荷復合是理想的。為了獲得發(fā)射，甚至是放大的受激發(fā)射，這是重要的。盡管已經(jīng)在附圖和上述說明中詳細示出和描述了本發(fā)明，但是應當將這樣的圖示和說明看作是示范性或示例性的，而不是限定性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。通過研究附圖、說明書和所附權利要求書，本領域技術人員能夠在實踐所要求保護的本發(fā)明的過程當中理解并實施針對所公開的實施例的其他變型。在權利要求中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一”不排除多個。在互不相同的從屬權利要求中陳述某些措施不表示不能有利地采用這些措施的組合。權利要求中的任何附圖標記不應被視為具有限制范圍的作用。
權利要求
1 一種雙柵極場效應晶體管(1)，包括第一和第二電介質層(6，7)、第一和第二柵電極 (9,11)以及由至少一個源電極(3)，至少一個漏電極(4)和至少一個有機半導體(5)構成的組件O)，其中-所述源電極⑶和所述漏電極⑷與所述半導體(5)接觸，-所述組件( 位于所述第一電介質層(6)和所述第二電介質層(7)之間，-所述第一電介質層(6)位于所述第一柵電極(9)和所述組件( 的第一側(8)之間，并且-所述第二電介質層(7)位于所述第二柵電極(11)和所述組件O)的第二側(10)之間，其特征在于所述有機半導體( 是有機雙極性傳導半導體(12)，其在所述組件O)的第一側(8)實現(xiàn)至少一個電子注入?yún)^(qū)域(18)并在所述組件(2)的第二側(19)實現(xiàn)至少一個空穴注入?yún)^(qū)域(18)。
2.根據(jù)權利要求1所述的場效應晶體管(1)，其中所述有機雙極性傳導半導體(12)為有機雙極性傳導半導體膜(13)。
3.根據(jù)權利要求2所述的場效應晶體管(1)，其中所述有機雙極性傳導半導體膜 (13)包括適于實現(xiàn)電子溝道的第一分層區(qū)域(15)以及用于實現(xiàn)空穴溝道的第二分層區(qū)域 (16)。
4.根據(jù)權利要求2所述的場效應晶體管(1)，其中所述有機雙極性傳導半導體膜(13) 包括適于實現(xiàn)電子溝道的第一層以及用于實現(xiàn)空穴溝道的第二層。
5.根據(jù)權利要求2所述的場效應晶體管(1)，其中所述有機半導體膜(1 的厚度低于 20nm，優(yōu)選低于10nm。
6.根據(jù)權利要求2所述的場效應晶體管(1)，其中所述有機雙極性傳導半導體膜(13) 是有機半導體單層或者包括有機半導體單層。
7.根據(jù)權利要求6所述的場效應晶體管(1)，其中所述有機半導體單層是自組裝半導體單層(14)。
8.根據(jù)權利要求1所述的場效應晶體管(1)，其中所述第一電介質層(6)和/或所述第二電介質層(7)是有機鐵電層。
9.根據(jù)權利要求1所述的場效應晶體管(1)，其中所述晶體管(1)還包括至少一個透射窗口，該透射窗口使得能夠從所述雙極性傳導半導體(1 發(fā)射光。
10.一種光發(fā)射裝置(20)，尤其是激光裝置，包括至少一個根據(jù)權利要求1到9中的任一項所述的場效應晶體管(1)。
11.一種傳感器系統(tǒng)，包括至少一個根據(jù)權利要求1到8中的任一項所述的場效應晶體管⑴。
12.—種存儲裝置，包括至少一個根據(jù)權利要求1到8中的任一項所述的場效應晶體管⑴。
13.—種生產(chǎn)雙柵極場效應晶體管(1)的方法，包括如下步驟 -向柵電極(9,11)的表面施加電介質層(6，7)；-利用至少一個光刻掩模向所述電介質層(6，7)施加源電極C3)和漏電極； -激活至少所述源電極⑶和所述漏電極⑷之間的有源區(qū)中的電介質層(6，7)；-利用半導體分子溶液潤濕電介質層(6，7)、柵電極(9，11)、源電極(3)和漏電極⑷ 的集合體，以在所述有源區(qū)中形成自組裝半導體單層(14)；-向所述自組裝半導體單層(14)施加另一電介質層(7，6)；以及 -向所述另一電介質層(7，6)施加另一柵電極(11，9)。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中優(yōu)選通過氧等離子體處理、繼之以酸水解來激活所述有源區(qū)中的電介質層(6，7)的表面。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的方法，其中通過將所述集合體浸入所述半導體分子溶液中進行對所述集合體的潤濕。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙柵極場效應晶體管(1)，包括第一和第二電介質層(6，7)、第一和第二柵電極(9，11)以及由至少一個源電極(3)、至少一個漏電極(4)和至少一個有機半導體(5)構成的組件(2)，其中所述源電極(3)和所述漏電極(4)與所述半導體(5)接觸，所述組件(2)位于所述第一電介質層(6)和所述第二電介質層(7)之間，所述第一電介質層(6)位于所述第一柵電極(9)和所述組件(2)的第一側(8)之間，并且所述第二電介質層(7)位于所述第二柵電極(11)和所述組件(2)的第二側(10)之間，其中所述有機半導體(5)為有機雙極性傳導半導體(12)，其在所述組件(2)的第一側(8)實現(xiàn)至少一個電子注入?yún)^(qū)域(18)并在所述組件(2)的第二側(19)實現(xiàn)至少一個空穴注入?yún)^(qū)域(18)。本發(fā)明還包括具有至少一個場效應晶體管的對應的光發(fā)射裝置、對應的傳感器系統(tǒng)和對應的存儲裝置以及生產(chǎn)對應的雙柵極場效應晶體管的方法。
文檔編號H01L51/05GK102203974SQ200980143216
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權日2008年10月29日
發(fā)明者D·M·德里兀, G·T·霍夫特, P·A·范哈爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司