一种具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件及其制备方法

本发明属于半导体器件制造领域，本发明涉及一种具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，基于有机半导体的电子设备因其低成本、灵活性、透明性、大面积制备能力以及环保特性而受到广泛关注。这些优势使得有机半导体在健康医疗、柔性显示器、柔性逻辑和存储设备、传感器等领域中得以广泛应用。在功率领域，基于共聚物有机半导体材料的功率器件有望推动功率集成电路与功率模块的发展。功率器件需要长时间在高电压和大电流的环境下工作，因此器件的耐压性能和电流传输性能就显得至关重要。相比传统的无机器件，共聚物有机功率器件仍存在工作电流较小，对负载驱动能力不足，同时开关速度较低等问题，为解决这些问题，就必须减小器件的沟道长度。由于共聚物有机半导体材料和介质材料自身的限制，利用光刻工艺对横向共聚物有机器件实现高精度控制需要较为复杂的制备流程和十分精密的仪器设备。与此同时，随着沟道长度以及漂移区长度减小至纳米级，还可能造成沟道电场聚集效应，从而使器件耐压性能降低。

2、例如本课题组在先公开的专利文献cn116761479a提供了一种具有垂直栅槽结构的纵向共聚物有机器件的制备方法，通过栅极与漏极间有机半导体层长度即沟道长度的垂直布设，无需借助高精度光刻机仅通过控制有机半导体溶液浓度、旋涂仪加速度和转速等简工艺单参数就能实现对器件沟道长度的控制，制造出nm级别沟道，且控制精度能到达±2nm。

技术实现思路

1、在本课题组的在先成果的基础上，为了进一步提高纵向共聚物有机器件的耐压性能，本发明提供了一种具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，不仅可以通过简单的溶液旋涂工艺稳定地控制器件沟道至纳米级别，同时也可以增大沟道截面面积，进而提高电荷传输效率，使其具备优异的开态性能；制备器件的纵向漂移区进行耐压，并且配合场板可以进一步展宽耗尽层，有效调节峰值电场分布，避免器件过早击穿，从而显著提高器件耐压性能。

2、本发明的目的是通过如下技术实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，包括衬底、有机半导体层、栅介质层、浮空金属场板、漏极金属电极、栅极金属电极和源极金属电极；所述有机半导体层位于衬底上，所述有机半导体层的制备材料为共聚物；所述有机半导体层底部埋置有环形漏极金属电极；所述栅介质层与所述漏极金属电极同轴插设在有机半导体层的中心，所述栅介质层顶部中心开设有与栅介质层同轴的顶部凹槽，所述顶部凹槽内嵌圆柱形栅极金属电极；在所述栅介质层内部以及所述栅极金属电极下方埋置有金属浮空场板且所述栅极金属电极与所述金属浮空场板之间不接触；所述有机半导体层、栅介质层和栅极金属电极的顶面均位于同一水平面；源极金属电极呈环形且与所述栅极金属电极同轴布设在栅绝缘层外周的有机半导体层顶面上；漏极金属电极和源极金属电极的外径与内径均相等，且所述源极金属电极和漏极金属电极两者的内径均不小于所述栅介质层的外径；

4、所述漏极金属电极和栅极金属电极之间竖向且呈环形的有机半导体层形成为漂移区；通过控制漏极金属电极和栅极金属电极之间的竖向间距，进而能够控制漂移区的竖向长度；随着漂移区竖向长度的增加，具有浮空场板的垂直结构共聚物有机器件的耐压性能逐渐提高；通过在半导体层内刻蚀凹槽，在凹槽内先沉积栅介质层材料并蒸镀场板金属后再次沉积栅介质层材料，使得场板金属成为埋层，从而达到制备浮空金属场板的目的；通过控制栅介质层内部凹槽的深度，以及蒸镀金属的速率和时间，可以调控浮空金属场板相对器件整体的相对位置以及其纵向长度；

5、优选的，所述有机物半导体层的制备材料共聚物为p3ht、dppt-tt、n2200和并五苯中的任意一种；

6、优选的，所述的栅级绝缘层的材料为绝缘材料sio2、si3n4、al2o3中的任意一种；

7、优选的，栅极金属电极、源极金属电极、漏极金属电极和浮空金属场板的材料均为金、铝、铜和镍金属材料中的任意一种；

8、优选的，衬底采用玻璃、柔性塑料、体硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟和锗硅材料中的任意一种。

9、第二方面，本发明提供了上述具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件的制备方法，如图2所示，所述制备方法包括步骤：清洗衬底后，蒸镀漏极金属电极，然后旋涂有机半导体层，在有机半导体层顶部刻蚀柱形槽，在所述柱形槽表面沉积栅介质层形成第一栅介质凹槽；在栅介质凹槽底部蒸镀金属场板形成浮空场板，在浮空场板表面再次沉积栅介质层形成新的栅介质凹槽记为第二栅介质凹槽，在第二栅介质凹槽内蒸镀栅极，栅极与漏极之间竖向的有机半导体层形成为漂移区，在环形栅介质层外周的有机半导体层的顶部蒸镀环形的源极。

10、本发明提供了一种上述具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件的较优的制备方法，其中：

11、所述蒸镀漏极金属电极的步骤包括：在被清洁处理过的基板上用电子束热蒸发仪器蒸镀环形漏极金属电极，先蒸镀5nm的ni作为金属粘合剂，蒸镀速率0.1a/s，蒸镀时间为500s，后蒸镀40nm的au蒸镀速率0.3a/s，蒸镀时间1333s，形成漏极；

12、所述旋涂有机半导体层的步骤包括：使用10mg/ml的dppt-tt的1,2-二氯苯dcb溶液旋涂到基板及漏极表面形成半导体层，共旋涂3次，每次dppt-tt溶液旋涂的转速配置为：旋涂的初速度为0rpm，以200rpm/s的加速度加速到500rpm，此阶段的加速和匀速时间一共持续10s；然后以250rpm/s的加速度加速到700rpm，此阶段的加速和匀速时间一共持续60s；之后以-300rpm/s的加速度减速至0rpm，此阶段的减速和停止时间一共持续5s；前两次旋涂之后在80℃下退火2min，在150℃下退火2min，在室温下冷却1min，最后一次旋涂结束后在80℃下退火5min，在150℃下退火1h，旋涂完成的半导体层厚度为700nm；

13、所述在有机半导体层顶部刻蚀柱形槽的步骤包括：在有机半导体层顶部用等离子刻蚀机刻蚀一个同轴柱形槽，刻蚀速率为1.7nm/s，共刻蚀353s，得到凹槽深度为600nm，柱形槽外径优选不大于漏极金属内径；

14、所述在柱形槽表面沉积栅介质层形成栅介质凹槽的步骤包括：在所述柱形槽内使用常温pecvd设备沉积100nm厚的sio2作为栅介质层，生长速率为0.6nm/s，生长时间为167s；

15、所述在栅介质凹槽底部蒸镀金属场板的步骤包括：在所述栅介质凹槽内，用电子束热蒸发仪器蒸镀cu作为金属场板，蒸镀速率为0.8a/s，蒸镀时间为1250s，得到的金属场板纵向长度为100nm；

16、所述在浮空场板表面再次沉积栅介质层的步骤包括：在浮空场板表面，使用常温pecvd设备沉积100nm厚的sio2作为栅介质层，生长速率为0.6nm/s，生长时间为167s，使栅介质层包裹在金属场板外侧，形成浮空场板；

17、所述在第二栅介质凹槽内蒸镀栅极的步骤包括：在所述第二栅介质凹槽内，用电子束热蒸发仪器蒸镀300nm的cu形成栅极，蒸镀速率为1a/s，蒸镀时间为3000s，栅极与漏极之间竖向的有机半导体层形成为漂移区；

18、在环形栅介质层外周的有机半导体层的顶部蒸镀环形的源极的步骤包括：在栅介质层外周的有机半导体层顶面用电子束热蒸发仪器蒸镀40nm的au形成源极，蒸镀速率为0.3a/s，蒸镀时间为1333s，源极金属呈环形且与漏极金属同轴步设。

19、本发明具有如下有益效果：

20、1、本发明第一方面提供的具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，采用纵向垂直结构，使用简单且成本较低的旋涂工艺就可以稳定地控制成膜厚度至纳米级别，并且充分利用部分有机共聚物的各向异性，基于此制备的横向器件与纵向器件的材料属性不同，电荷在纵向传输时具备的迁移率更高，碰撞电离系数更低，从而在提高器件的电荷传输效率的同时，提高其击穿电压。

21、2、本发明中的有机半导体层通过常温旋涂工艺制得，制备工艺简单，通过改变有机溶液的溶液浓度、旋涂仪的旋涂转速、加速度和旋涂时间可以稳定控制有机半导体层的厚度，之后通过刻蚀机例如icp-rie刻蚀机刻蚀形成凹槽，通过pecvd沉积栅介质稳定成膜，从而实现对沟道长度及漂移区长度的控制。

22、3、本发明中的浮空金属场板埋置于栅介质层中，能显著提高器件耗尽层宽度，合理调控漂移区的电场分布，削弱尖峰电场，极大提高器件的耐压性能。

23、4、本发明中的浮空金属场板采用电子束热蒸发沉积或磁控溅射制得，制造工艺简单，并且可以通过控制蒸镀的速率和时间来调控浮空场板的纵向长度，通过控制栅介质层内部凹槽的深度来调节浮空场板相对位置，从而更精准调节漂移区电场分布。

技术特征：

1.一种具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，其特征在于，所述垂直结构共聚物有机半导体器件包括衬底、有机半导体层、栅介质层、浮空金属场板、漏极金属电极、栅极金属电极和源极金属电极；所述有机半导体层位于衬底上，所述有机半导体层的制备材料为共聚物；所述有机半导体层底部埋置有环形漏极金属电极；所述栅介质层与所述漏极金属电极同轴插设在有机半导体层的中心，所述栅介质层顶部中心开设有与栅介质层同轴的顶部凹槽，所述顶部凹槽内嵌圆柱形栅极金属电极；在所述栅介质层内部以及所述栅极金属电极下方埋置有金属浮空场板且所述栅极金属电极与所述金属浮空场板之间不接触；所述有机半导体层、栅介质层和栅极金属电极的顶面均位于同一水平面；源极金属电极呈环形且与所述栅极金属电极同轴布设在栅绝缘层外周的有机半导体层顶面上；漏极金属电极和源极金属电极的外径与内径均相等，且所述源极金属电极和漏极金属电极两者的内径均不小于所述栅介质层的外径；所述漏极金属电极和栅极金属电极之间竖向且呈环形的有机半导体层形成为漂移区。

2.根据权利要求1所述的具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，其特征在于，所述有机物半导体层的制备材料共聚物为p3ht、dppt-tt、n2200和并五苯中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，其特征在于：所述的栅级绝缘层的材料为绝缘材料sio2、si3n4、al2o3中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，其特征在于，栅极金属电极、源极金属电极、漏极金属电极和浮空金属场板的材料均为金、铝、铜和镍金属材料中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，其特征在于，所述衬底采用玻璃、柔性塑料、体硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟和锗硅材料中的任意一种。

6.权利要求1～5中任意一项权利要求所述的具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：清洗衬底后，蒸镀漏极金属电极，然后旋涂有机半导体层，在有机半导体层顶部刻蚀柱形槽，在所述柱形槽表面沉积栅介质层形成第一栅介质凹槽；在栅介质凹槽底部蒸镀金属场板形成浮空场板，在浮空场板表面再次沉积栅介质层形成新的栅介质凹槽记为第二栅介质凹槽，在第二栅介质凹槽内蒸镀栅极，栅极与漏极之间竖向的有机半导体层形成为漂移区，在环形栅介质层外周的有机半导体层的顶部蒸镀环形的源极。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，

技术总结
本发明提供了一种具有浮空场板的垂直结构共聚物有机半导体器件，包括衬底、漏极金属电极、有机半导体层、栅介质层、浮空金属场板、栅极金属电极和源极金属电极；有机半导体层顶部中心设有凹槽，凹槽内沉积有栅介质层；栅介质层顶部中心设有同轴凹槽，凹槽内嵌设有栅极金属电极；环状漏极金属电极和环状源极金属电极同轴布设在衬底表面和有机半导体层表面；位于栅极金属电极和漏极金属电极之间的有机半导体层形成为纵向漂移区；栅介质层内部嵌设有浮空金属场板，浮空金属场板的纵向长度可根据耐压要求进行选择。本发明能拓展耗尽层宽度，削弱电场峰值，对漂移区内击穿电场进行调控，从而提高器件整体的耐压性能。

技术研发人员：张珺,顾轩宇,林昊南,牟亚彬,吴智耀,马祎炜,常恒典,郭宇锋,姚佳飞,陈静,杨可萌
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23