专利名称：光敏晶体管的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及光敏薄膜晶体管(TFT)和用于制造它们的方法。
背景技术：
由于它们在低成本的集成电路和大面积平板显示器中的潜在应用，有机薄膜晶体管(OTFT)赢得了大量兴趣。尽管在结合蒸发的小分子的膜的器件中观察到在场效应迁移率方面的最高器件性能，但是因为聚合物半导体在环境条件下与印刷技术固有地相容，对聚合物半导体的研究保持在高的活跃程度。
OTFT的可能应用包括印刷的聚(3-己基噻吩)(P3HT)基印刷集成电路，如由如下文献公开的A.Knobloch，A.Manuelli，A.Bernds，W.Clemens，“Fully printed integrate circuits from solution processable polymer”，J.Appl.Phys.，第96卷，(2004)；与有机发光器件(OLED)集成的并五苯基OTFT，如由如下文献公开的T.N.Jackson，Y.Lin，D.J.Gundlach和H.Klauk，“Organic thin-film transistors for organic light-emitting flat-panel displaybackplanes”，IEEE J.Select.Topics Quantum Electron.，第4卷，100-104页(1998)；与有机发光器件(OLED)集成的聚(3-己基噻吩)(P3HT)基OTFT，如由如下文献公开的H.Sirringhaus，N.Tessler和R.H.Friend，“Integratedoptoelectronic devices based on conjugated polymers”，Science，第280卷，1741-1743页(1998)；和与电泳显示器集成的9，9-二辛基芴/联噻吩(bithiophene)共聚物(F8T2)基OTFT。
有机基器件的另一个应用领域是它们作为光电检测器的应用。可以将这些光电检测器分为两个主要类别两端子光电二极管和三端子光电晶体管。
在过去十年公开了各种有机材料基光电二极管结构，包括由P型共轭聚合物和受体部分如富勒烯衍生物制备的相分离的给体-受体共混物(Gao，F.Hide和H.Wang，“Efficient photodetectors and photovoltaic cells fromcomposites of fullerenes and conjugated polymersPhotoinduced electrontransfer”，Synth.Met.，第79卷，177-181页(1996))；或无机氧化物半导体(K.S.Narayan和T.B.Singh，“Nanocrystalline titanium dioxide-dispersedsemiconducting polymer photodetectors”，Appl.Phys.Lett.，第74卷，3456-3458页(1999))。
与两端子光电二极管相比，三端子光电晶体管的一个显著优点是光电晶体管允许由照射器件产生的电流信号的内置放大(即，可以实现大于1的光子/电流增益)的事实。
US 5,315,129公开了基于两种结晶平面有机芳族半导体的交替层的有机双极结晶体管结构，所述两种结晶平面有机芳族半导体分别具有n型和p型导电性。有机层是通过有机分子束沉积而沉积的，同时保持层厚度的严密控制(n型基极层的厚度可以低至10)。器件的光响应依赖于基极或集电极层中激子的形成。所述激子位移到界面，解离，得到的电子和空穴然后扫描跨过基极，分别进入发射极和集电极。通过光生电荷的存在调制基极势垒，从而通过从触点注入，引起在发射极和集电极之间的空间电荷电流的调制。
如EP 0 638 941A中公开的，可以将双极结晶体管中的基极制造成包含薄的多层叠层以增加光效率和增益。特别是，该文件公开了一种长波长光电晶体管，所述光电晶体管具有作为发射极区和集电极区的n-掺杂硅，从而撑托具有由p掺杂硅锗和非掺杂硅的交替层组成的量子阱结构的基极区。
基于共轭聚合物的薄膜晶体管(TFT)是以能够输出累积响应的辐射检测器和具有瞬态响应的照度传感器的形式实现的。
WO 98/05072公开了包含聚合物基TFT的辐射传感器。电离辐射导致检测器的电性能的累积变化，并且所述电性能提供入射到检测器上的累计辐射剂量的指标。
几份出版物描述了其中激子的形成在形成晶体管沟道的半导体材料中发生的聚合物基光敏TFT。Hamilton等研究了白光照度对9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物(F8T2)基TFT的电性能的影响(参见M.C.Hamilton，S.Martin和J.Kanicki，“Thin-Film Organic Polymer Phototranssistors”，IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，第51卷，877-885页(2004))。所述器件的断开状态的漏极电流显著增加，而在强累积态中观察到更小的相对效应。所述照度有效地降低所述器件的阈电压，并且增加表观次阈值摆幅，而在聚合物沟道中的载流子的场效应迁移率保持不变。根据激子的光生成，所述激子随后扩散并且解离成自由载流子，从而提高在沟道中的载流子密度，解释了这些观察结果。一些光生电子被捕获，并且中和对于在黑暗中的运行所观察到的大的负阈电压有贡献的正电荷态，从而降低阈电压。上述作者报导了对于在强累积态中加偏压的器件，宽带响应度约为0.7mA/W，并且对于处于断开状态中的器件，不依赖于栅极-至-源极电压的光敏度约为103。
通过将稀释量的电子受体部分引入到p型半导体聚合物基体中，可以增加在照射聚合物基TFT之后形成的激子，从而增加晶体管的光敏度。US 6,992,322公开了将稀释量的巴基球C60或它的衍生物、紫罗碱、二氯-二氰基-苯醌、二氧化钛纳米颗粒和硫化镉纳米颗粒加入到聚烷基噻吩中，从而在光致激发之后能够从聚合物基体转移电子以在漏极电极和源极电极之间获得高的光感应电流。
备选地，有机光电晶体管可以基于不对称螺桥连接的化合物，其中在UV照射之后，在联六苯/三聚芴-衍生物(受体)和双(二苯基氨基)联苯(给体)部分之间的分子内电荷转移导致载流子密度的增加，从而提供放大效应。这是在如下文献中公开的T.P.I Saragi，R.Pudzich，T.Fuhrmann，和J.Salbeck，“Organic Phototransistors based on intramolecular charge transfer in abifunctional spiro compound”，Appl.Phys.Lett.第84卷，2334-2336页(2004)。如由T.P.I Saragi等证明，在照射之后，漏极断开电流显著增加，而在累积态中的漏极电流相对未受影响，并且载流子迁移率保持恒定。与M.C.Hamilton，S.Martin和J.Kanicki，“Thin-Film Organic PolymerPhototransistors”，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，第51卷，877-885页(2004)中描述的结果一致，照射使阈电压向更正的栅极电压位移。
依赖于激子在聚合物半导体层主体中的形成和解离的聚合物基光电晶体管的缺点是它们的慢响应时间在光电晶体管的照射之后断开光源导致漏极电流在几秒至几十秒的时帧内衰减。
有机光电晶体管的一个潜在的应用领域是图像传感器领域。US6,831,710公开了包含光敏TFT的平板图像传感器，所述光敏TFT允许检测在可见光谱中和附近的电磁辐射。其它应用包括如在WO 01/99191中公开，具有集成的光敏元件的发光矩阵阵列显示器，从而以简单的方式提供每一个像素的电光反馈控制。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有提高的光敏度和快的响应时间的薄膜晶体管。
根据本发明，提供一种光敏晶体管，所述光敏晶体管包含源极电极；漏极电极；第一半导体材料的半导体层，所述半导体层形成所述晶体管的沟道；栅极电极；和在所述栅极电极和所述半导体层之间的绝缘层，其中将第二半导体材料设置在所述半导体层与所述源极电极和所述漏极电极中的至少一个之间，并且与它们电连接，所述第二半导体材料是光电导的。
以这种方式，可以提供具有高增益、优异的光敏度和快速的响应时间的晶体管。此外，通过调整环境光和栅极电压，可以容易地控制晶体管的电特性。
优选地，第一和第二半导体材料具有相反的导电性类型，其中在第一和第二半导体材料之间的每一个界面形成p-n结。还优选第一半导体材料是p型并且第二半导体材料是n型。
优选第二半导体材料在第一半导体层和源极电极之间形成，并且与它们电连接。还优选第二半导体材料在第一半导体层和源极电极之间以及第一半导体层和漏极电极之间形成，并且与它们电连接。
在一个方面中，第二半导体材料的厚度等于或小于100nm。
在另一个方面中，第一半导体材料具有等于或大于10-3cm2/Vs的场效应迁移率。
优选第一半导体材料是有机的。一种这样适合的材料是9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物。
还优选第二半导体材料是无机的。
有利地，可以通过所述源极或漏极电极的化学反应形成第二半导体材料。特别是，第二半导体材料可以由源极或导体与周期表的第16族元素反应形成。
备选地，可以通过使用(NH4)2S的湿法，喷墨膜制备或干法膜制备中的一种形成第二半导体材料。
在一个方面中，使用周期表的第11族或第12族元素形成源极电极和漏极电极。优选地，源极电极和漏极电极由Ag、Cu、Cd、Pb、Ti、Zn、Ni、Co、Mn和Fe中的至少一种形成。
有利地，第二半导体材料可以包含下列中的至少一种Ag2O、AgO、Ag2S、TiO2、ZnO、CuO、Cu2S、CuS、NiAs、CoAs2、MnO2、Fe3O4、PbS、PbSe、CdS和CdSe。
优选地，栅极电极在可见光波长范围内具有大于50％的光透射；所述绝缘层在可见光波长范围内具有大于80％的光透射；对于可见光波长范围的至少一部分，第一半导体材料具有等于或小于104cm-1的光吸收系数；并且第二半导体材料在可见光波长范围内具有大于104cm-1的光吸收系数。
在需要时，第一半导体材料还可以是光电导的。
在一个方面中，源极电极和漏极电极中的至少一个由第二半导体材料形成，即，光电导源极或漏极材料直接接触第一半导体材料。
有利地，所述晶体管还可以包含滤色器。可以通过将着色剂安置在所述栅极电极和所述绝缘层的至少一个中形成所述滤色器。然而，优选地，所述滤色器包含单独的着色层(colour layer)。
根据本发明的另一个方面，提供包含如上所述的光敏晶体管的电器件。
根据本发明的再一个方面，提供用于形成光敏器件的方法，所述方法包括形成源极接触和漏极接触；在所述源极接触和漏极接触之间沉积由第一半导体材料形成的半导体层；和安置栅极电极，所述栅极电极被安置成使用所述栅极电极和所述半导体层之间的绝缘电介质层覆盖晶体管沟道，其中所述源极接触和所述漏极接触中的至少一个的至少一部分包含第二半导体材料，所述第二半导体材料是光电导的。
第二半导体材料可以在源极电极和漏极电极中的至少一个上形成涂层。
特别是，形成源极接触和漏极接触的步骤还可以包括处理源极接触和漏极接触的表面以形成光电导的半导体材料的薄涂层。
现在仅由实施例，并且参考附图描述本发明，其中图1a和1b是分别说明根据本发明的光敏TFT结构的顶部栅极和底部栅极构造的示意图；图2a和2b是说明对于VDS＝0V(图2a)和VDS＜0V(图2b)，在p-n结的能带排列的示意图，所述p-n结是在源极接触和漏极接触上的半导体涂层和有机半导体层之间的界面形成的；图3显示了对于在黑暗中的运行和使用低强度光源的照射，光敏TFT的输出特性(即，漏极电流(IDS)对漏极电压(VDS))，所述输出是对于0V、-10V、-20V、-30V和-40V的栅极电压而显示的。
图4显示了对于在黑暗中的运行、使用低强度光源的照射和使用高强度光源的照射，光敏TFT的传输特性(即，漏极电流(IDS)对栅极电压(VG))，所述传输曲线是对于在线性和饱和范围(分别对于-5V和-40V的漏极电压(VDS))中的器件运行而显示的；图5显示了对于在黑暗中、在低强度照射下和在高强度照射下的运行，在饱和范围中的器件运行的漏极电流的平方根(IDS-1/2)对栅极电压的图；图6显示了分别对于低强度和高强度照射，光敏度(IDS，照射-IDS，黑暗)/IDS， 黑暗对栅极电压VG的图，所述光敏度曲线是对于在线性以及饱和范围(分别对于-5V(空心三角形)和-40V(实心正方形)的漏极电压(VDS))中的器件运行而显示的；图7a显示了在接通另外的光源(即，照度从低强度增加至高强度)之后，漏极电流IDS的上升与时间的关系；和图7b显示了在断开另外的光源(即，照度从高强度降低至低强度)之后，漏极电流IDS的衰减与时间的关系。
具体实施例方式
本发明的一个实施方案是光敏杂化有机/无机薄膜晶体管(PHOITFT)，其包含具有衬底表面的绝缘衬底；半导体有机层；导电源极电极，所述源极电极覆盖有薄的光电导的半导体涂层，所述半导体涂层与所述有机半导体层电接触；导电漏极电极，所述漏极电极覆盖有薄的光电导的半导体涂层，所述半导体涂层与所述有机半导体层电接触；绝缘层；和与所述绝缘层相邻安置的光透明的导电栅极电极。
与有机半导体层的材料相比，在源极接触和漏极接触上的薄的光电导的半导体涂层具有相反的导电性类型，即，在p型有机半导体层的情况下为n型。这导致在有机半导体层和在源极接触和漏极接触上的光电导的半导体涂层之间的界面形成p-n结。
半导体有机层优选具有等于或大于10-3cm2/Vs的场效应迁移率，并且在将要检测的光的波长范围内还具有104/cm至105/cm的范围内的中等至低的光吸收系数α。在如通过ADS供应的9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物，即在本发明中的优选半导体层材料的情况下，这些要求得到满足。
尽管从加工的观点出发，优选将有机材料用于半导体层，但是可以使用任何适合的材料。
适合的p型半导体材料的实例包括(I)聚合物-基于三芳基胺的非晶态聚合物聚三芳基胺(PTAA)[在可见光范围内透明]-9，9-二烷基芴/三芳基胺交替共聚物(TFB)-9，9-二辛基芴/联噻吩交替共聚物(F8T2)-区域有规的聚(3-己基噻吩)(P3HT)(在可见光范围内高度吸光)-聚[5，5′-双(3-十二烷基-2-噻吩基)-2，2′-联噻吩](PQT-12)(II)小分子-并五苯-取代有烷基侧链的四聚噻吩和六聚噻吩-红荧烯适合的n型半导体材料的实例包括(I)聚合物-聚(苯并双咪唑苯并菲咯啉)(BBL)(II)小分子-二全氟己基取代的五聚噻吩和四聚噻吩-桥亚甲基(methano)富勒烯苯基C61-丁酸甲酯(PCBM)-氟烷基取代的萘四甲酸二酰亚胺应该理解这些实例是非限制性的。
在源极接触和漏极接触上的光电导的半导体涂层在将要检测的光的波长范围内优选具有在105/cm至106/cm的范围内的高的光吸收系数α，从而允许在光电导的半导体涂层中的有效光致激发，导致在p-n结的静电势垒的降低和在源极接触和漏极接触之间的高的光感应电流。在涂覆有氧化银(Ag2或AgO)或硫化银(I)(Ag2S)薄层的银接触的情况下，这些要求得到满足。其它可能的接触材料包括钛、锌、铜、镍、钴、锰、铁、铅和镉，它们具有二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化铜(CuO)、硫化铜(Cu2S和CuS)、砷化镍(NiAs)、砷化钴(CoAs2)、二氧化锰(MnO2)、氧化铁(Fe3O4)、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)和硒化镉(CdSe)的光电导的半导体涂层，上述这些全部是已知的光电导的半导体。
然而，源极接触和漏极接触可以由任何适合的材料形成，并且可以通过所述接触与例如第16族元素的反应形成光电导的半导体材料涂层。
优选在半导体有机层为n型时，光电导的半导体涂层为p型。应指出许多过渡金属氧化物、硫化物和硒化物是n型半导体(参见上面列举的实例)。然而，不是所有的化合物都是n型大量过渡金属氧化物和硫族化物是p型半导体。这些包括氧化镍(NiO)、氧化铋(BiO)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锰(MnO)、氧化铁(FeO)、碲化锌(ZnTe)、碲化镉(CdTe)、CuInSe2等。因此，显然不管半导体有机层是p型还是n型，都可以形成p-n结。因此，对用于形成半导体有机层的适合的材料的范围没有限制。
如上所述，金属接触与元素形式的第16族元素的反应可用于制备相应的光电导的半导体化合物。备选地，所述化合物可以是通过如下方法获得
(1)金属与第16族元素的氢化合物的反应(例如，银与H2S的反应)，(2)金属电极在包含硫族化物阴离子或释放硫族化物阴离子的物种的存在下的阳极氧化(例如，通过金属银在金属硫化物或硫脲的存在下的阳极氧化，电化学形成Ag2S)，(3)使用含氧或含硫族化物的等离子体将金属电极表面改性，和(4)在金属接触的顶部上的金属硫族化物的溅射沉积或热蒸发。
所述栅极电极优选是部分透明的。在可见光范围内的光透射应该大于50％，优选大于70％并且最优选大于75％。优选地，顶部的栅极电极是尽可能透明的。对于低于200nm的膜厚度，PEDOT-PSS膜在可见光范围内具有＞75％的透射，并且被认为适用于本发明。
所述绝缘层对照射至少是部分透明的，并且进行选择以避免在与所述半导体层的界面混合。在可见光范围内的光透射应该大于80％，优选大于90％并且最优选大于95％。它可以由聚合物材料如聚乙烯基苯酚(PVP)组成。优选地，所述聚合物电介质也是尽可能透明的。对于600nm的膜厚度，优选用于本发明的聚乙烯基苯酚(PVP)具有大95％的光透射，并且实际上在可见光波长范围内是透明的。
还优选所述半导体层是相对透明的，并且相反，光电导的半导体涂层是高度吸光的。以这种方式，可以使器件的灵敏度最大化。如上所述，用于本发明的优选半导体是在525nm以上的波长范围内较透明(光吸收系数α在104cm-1的量级)的9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物。在525nm以下，它的吸收系数增加一个数量级，达到约105cm-1。
如上所述，硫化银(Ag2S)是本发明优选的光电导的半导体涂层。它在可见区域内的光吸收系数α具有105cm-1的量级，意味着膜厚度3/α＝300nm对于吸收这种波长范围内的95％辐射是足够的。有利地，因为硫化银是黑的，所以它在整个可见光波长范围内吸收。
在本发明的一个方面中，将光敏TFT与滤色器组合以制备只对预选的波长响应的器件(“波长选择性光敏TFT”)。
可以通过将染料加入到电介质聚合物层或透明栅极电极中实现所述滤色器。然而，为了不干扰电介质和栅极电极层的电子功能，优选所述滤色器是以例如在栅极电极的顶部上的附加层的形式实现的。
除吸收系数以外，在不同层中的光密度/折射率也影响器件性能与层厚度的关系。
已知使用光电导的半导体材料在晶体管中形成半导体层。如上所述，这些现有技术的半导体材料可以包括●纯有机聚合物(在M.C.Hamilton，S.Martin和J.Kanicki，“Thin-FilmOrganic Polymer Phototransistors”，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONDEVICES，第51卷，877-885页(2004)的情况下，为F8T2)；●有机聚合物和稀释量的电子受体部分的混合物(参见US 6,992,322，其公开了将稀释量的巴基球、C60或它的衍生物、紫罗碱、二氯-二氰-苯醌、二氧化钛纳米颗粒和硫化镉颗粒加入到聚烷基噻吩中)；和●不对称螺桥连接的化合物，其中在联六苯/三聚芴-衍生物(受体)和双(二苯基氨基)联苯(给体)部分之间的分子内电荷转移导致载流子密度的增加。
这些器件的光谱光敏度范围受到吸光化合物的光带隙的限制。9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物只对超过2.4eV(低于525nm的波长)的光子能量强烈吸收，具有量级为105cm-1的光吸收系数α，而对更小的光子能量(较长波长)是比较透明的(光吸收系数α降低至104cm-1)。螺桥连接的电荷转移化合物在紫外范围内吸收。
相反，Ag2S具有1.0eV的直接光学带隙，从而使得它是在可见光区内和在可见光区以外的红外区的辐射的非常有效的吸收剂(在可见光区的光吸收系数α具有105cm-1的量级，意味着膜厚度3/α＝300nm对于吸收这种波长范围内的95％辐射是足够的)。
应该指出本发明包括其中用于形成半导体层的材料也是光电导材料，该光电导材料与用于形成光电导的半导体涂层的材料不同的情况。例如，如上所述，9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物是光电导的半导体材料。
根据本发明的晶体管的一个运行情况是通过施加到栅极电极上的电压和通过入射到晶体管上面的光的强度，都可以控制晶体管漏极电流。对于照度水平和栅极电压偏压的适当组合，可以得到高达1000的晶体管饱和电流增益。
图1a是说明根据本发明制造的光敏TFT结构的顶部栅极构造的示意图。所述结构包含绝缘衬底1，所述绝缘衬底1具有分开的导电源极接触和漏极接触2的图案。源极接触和漏极接触2被光电导的半导体3的薄层覆盖。所述源极/漏极图案被薄的有机半导体层4覆盖，所述有机半导体层4填充源极接触和漏极接触2之间的间隙，从而形成晶体管沟道。半导体层4被在其顶部沉积栅极电极6的绝缘电介质层5覆盖。为了允许感应来自所述叠层的顶部的照射，栅极电极6和电介质层6在将要检测的光的波长范围内都是光透明的。
图1b是说明根据本发明的光敏TFT结构的底部栅极构造的示意图。所述结构包含其上沉积栅极电极6的绝缘衬底1。栅极电极6和周围的衬底区域被绝缘电介质层5覆盖。在电介质层5的顶部上限定分开的导电源极接触和漏极接触2的图案，每一个与下面的栅极电极6的相对边缘重叠。源极接触和漏极接触2被光电导的半导体3的薄层覆盖。在电介质层5的顶部上的源极/漏极图案被薄的有机半导体层4覆盖，所述有机半导体层4填充源极接触和漏极接触2之间的间隙，从而形成晶体管沟道。
为了允许感应来自半导体侧(来自所述叠层的顶部)的照射，只有有机半导体层在将要检测的光的波长范围内必须是光透明的。
图2a和2b是说明在p-n结形成的能带排列的示意图，所述p-n结是在具有如图1a和1b所示结构的晶体管中，在源极接触和漏极接触2上面的半导体涂层3和有机半导体层4之间的界面形成的。在图2a和2b中，假定有机半导体层具有p型导电性，如9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物的情况。此外，假定覆盖源极接触和漏极接触的半导体涂层具有n型导电性，如硫化银(Ag2S)的情况。对于零施加的漏极电压(VDS＝0V)，在源极接触和有机半导体层之间的p-n结的势垒高度(qV0)与在漏极接触和有机半导体层之间的p-n结的势垒高度相同(参见图2a)。当施加负漏极电压(VDS＜0V)时，在源极接触和有机半导体层之间的界面的p-n结处于反向偏压中，而在漏极接触和有机半导体层之间的p-n结处于正向偏压中。因此，在源极接触和有机半导体层之间的界面的反向偏压的p-n结成为限制在源极接触和漏极接触之间的电流的流量的瓶颈(势垒q(V0+Vr))(参见图2b)。照射在源极接触的反向偏压的p-n结导致降低势垒，从而增加在源极接触和漏极接触之间的电流流量。
应该指出仅仅需要将光电导的半导体涂层3安置在源极接触和漏极接触中的一个上。从图2b中明显看出，在其中晶体管是加反向偏压的情况下，在仅仅将光电导的半导体涂层3安置在源极接触上时，可以得到特别强的效果。
图3至7显示了具有在图1a中说明的结构的光敏薄膜晶体管的性能，在所述结构中，通过首先将30nm厚的Cr粘附层沉积到玻璃衬底上，然后将200nm厚的Ag层热蒸发到所述粘附层上，形成源极接触和漏极接触的图案。随后，将所述Ag层进行光刻加工以形成Ag源极接触和漏极接触。所述源极接触和漏极接触被Ag2S薄层覆盖，该Ag2S薄层是光电导的半导体，并且通过用H2S气体处理银接触形成。所述源极/漏极图案被9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物形成的薄有机半导体层4覆盖，以填充在源极接触和漏极接触之间的间隙，从而形成晶体管沟道。9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物是具有低光吸收特性的p型有机半导体材料。半导体层4被其上沉积栅极电极6的PVP绝缘电介质层5覆盖。所述栅极电极由也具有高的光透射率的PEDOT:PSS形成。
图3显示了对于在黑暗中的运行(实心符号)和使用约5000勒克司的低强度光源的照射(空心符号)，光敏TFT的输出特性(即，漏极电流(IDS)对漏极电压(VDS))。所述输出是对于0V、-10V、-20V、-30V和-40V的栅极电压VG显示的。显然低强度照射获得的漏极电流比在黑暗中的运行获得的漏极电流高很多。此外，在低强度照射下的运行获得的输出曲线清楚地显示器件运行的两个截然不同的区域线性区和饱和区。在IDS首先随着VDS的增加成线性增加之后，对于较小的栅极电压(VG＝-10V、-20V、-30V)，电流迅速达到饱和。在VG＝-40V的情况下，IDS继续近似成线性增加，但是与最初的增加相比，具有更慢的速率。
图4显示了对于在黑暗中的运行(空心和实心正方形)、使用低强度光源的照射(空心和实心菱形)和使用约50000勒克司的高强度光源的照射(空心和实心三角形)，光敏TFT的传输特性(即，漏极电流(IDS)对栅极电压(VG))。对于在线性(空心符号)和饱和(实心符号)范围(分别对于-5V和-40V的漏极电压(VDS))中的器件运行，显示了传输曲线。
显然通过施加栅极电压(VG)和通过照射器件，可以独立控制通过器件的漏极电流IDS。
在黑暗中的器件运行的情况下，施加负VG导致空穴在导电沟道中的累积和漏极电流IDS的增加，与有机半导体层中的p型导电一致。在线性和饱和态中，处于“断开”状态的电流水平都很低。所述器件在约-40V的栅极电压接通，即，阈电压是极端负的。
对于-30V和以下的栅极电压，观察到的波动极有可能归因于噪音。关于这点，应指出显示的是E-13至E-14A的电流。
在低强度照射下运行的情况下，处于“断开”状态的电流水平显著增加，对于在线性态中的运行，增加约10倍，并且对于在饱和态中的运行，增加以100倍计。所述器件在-10V栅极电压以上接通，从而表明阈电压向正栅极电压大幅度位移。对于低的栅极电压(VG＝-10V至-20V)，在线性和饱和态中的运行的曲线是叠加的，这反映了图3中显示的漏极电流的饱和。
最后，在高强度照射的情况下，与在低强度照射下的运行相比，漏极电流水平进一步增加10-100倍。
由于来自光源的电干扰，对于-20V和以下的栅极电压观察到的波动极可能归因于噪音。
图5显示了对于在黑暗中(实心正方形)、在低强度照射下(实心菱形)和在高强度照射下(实心三角形)的运行，在饱和范围中的器件运行的漏极电流的平方根(IDS-1/2)对栅极电压VG的图。在照射之后，所述曲线明显向正VG位移，从而表明阈电压从负值位移至约0V。
图6显示了对于低强度和高强度照射(分别为菱形和三角形)，光敏度(IDS，照射-IDS，黑暗)/IDS，黑暗对栅极电压VG的图。因而，在图6中所示的数据是从图4中得到的。所述光敏度曲线是对于在线性以及饱和范围(分别对于-5V(空心符号)和-40V(实心符号)的漏极电压(VDS))中的器件运行显示的；显然漏极电流随照度增加。此外，对于中间的栅极电压(VG＝-20V至-40V)，观察到最高的光敏度。更高的VG导致更高的绝对电流水平，但是在照射之后提高较小，即减小的光敏度。在最佳条件下，光敏度达到约为10,000的值(对于在线性态中运行的光敏TFT的高强度照射)。
图7a显示了在接通另外的光源(即，照度从低强度增加至高强度)之后，漏极电流IDS的上升与时间的关系。响应时间在200ms的范围内。
图7b显示了在断开另外的光源(即，照度从高强度降低至低强度)之后，漏极电流IDS的衰减与时间的关系。电流在约300ms内衰减。
实际上，通过接通和断开灯泡，在高和低强度照射之间进行变换。预期响应时间受到灯泡中的灯丝进行加热和冷却，从而发光和停止发光所需时间的影响。因此，可以预期比图7所说明的显著更快的响应时间。
不管这点，显然在与现有技术的光敏晶体管相比时，本申请的光敏晶体管提供显著减少的响应时间。例如，在US 6992322中公开的响应时间具有30-60秒的量级。
现在论述制造图1a中所示的结构的方法。然而，可以使用多种备选的方法。
在用于制造具有图1a中所示结构的器件的优选方法中，使用银墨将源极电极和漏极电极喷墨印刷到绝缘的塑料衬底上。在干燥和退火之后，通过暴露于H2S气体中，暴露持续时间约为2分钟，在银源极/漏极电极的表面形成光电导的硫化银(Ag2S)层。优选地，光电导的涂层的膜厚度等于或小于300nm，并且还更优选等于或小于100nm。随后，通过将9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物的1，3，5-三甲基苯溶液(1％重量/重量)喷墨印刷到源极接触/漏极接触上，沉积有机半导体层。通过旋涂、用刮刀刮、喷墨印刷或丝网印刷绝缘的聚合物如聚乙烯基苯酚(PVP)，在半导体层的顶部上涂布电介质层。最后，通过喷墨印刷透明的导电聚合物PEDOT:PSS，在电介质层的顶部上形成栅极电极。
以这种方式，可以在低温并且使用柔性衬底制造光敏晶体管。不管使用遮蔽掩模还是使用平版印刷技术，喷墨印刷接触的一个特别的优点是它们具有比热蒸发的接触更粗糙的表面。这种更大的表面粗糙度提供与光电导的半导体涂层接触的更大的表面积，因此得到提高的光敏度。
在需要时，可以将抗反射涂层安置在光电晶体管上以进一步提高光敏度。另外，可以安置滤色器(colour filtering)以控制光敏度。
应该指出在光敏晶体管的制造中可以使用任何适合的材料。特别是，适用于衬底的各种材料对本领域技术人员是明显的。这些包括刚性和柔性的玻璃和塑料。类似地，可以将任何适合的材料用于源极接触和漏极接触、光电导的涂层、半导体层和栅极电极。
源极接触和漏极接触包含被导电类型优选与在晶体管沟道中的半导体层的导电类型相反的无机[或金属-有机的或有机的]光电导的半导体材料的薄层覆盖的导电芯。这种组合导致在源极接触/漏极接触和半导体层之间的界面形成p-n结。
优选将银用于源极接触和漏极接触，因为这可以使用喷墨沉积技术，以溶液或悬浮液的形式容易地进行沉积。此外，银可易于与氧或硫反应以形成光电导的涂层。例如，将在衬底上沉积的接触暴露于氧等离子体中(乃至空气中)导致银的氧化以致在接触上形成Ag2O光电导的半导体涂层。类似地，将在衬底上沉积的接触暴露于含硫气氛中导致在接触上形成Ag2S光电导的半导体涂层。铜、镉和铅是其它的优选接触材料。然而，应该指出所述接触不限于这些，而可以由如上所述其它金属乃至无机材料形成。
类似地，光电导的材料无需涂布整个接触，并且无需通过接触的化学反应形成。而是，可以使用其它技术，包括例如使用(NH4)2S的湿法、喷墨膜制备和干法膜制备，将它沉积在接触上。
优选将有机材料用于半导体层4，因为还可以使用喷墨沉积技术，以溶液的形式沉积这些材料。优选的有机半导体材料包括9，9-二辛基芴/联噻吩共聚物、聚芳族胺类和聚噻吩类(PQT)。然而，还可以使用其它的有机半导体材料。对将要成为光电导的或相反的半导体材料没有特别要求。因此，半导体层优选由π共轭的材料[p型或n型；聚合物、低聚物或小分子；有机或无机纳米颗粒；可溶的、作为前体可溶的、或气相沉积的]制成。
通常，优选将p型材料用作半导体材料4并且将n型材料用作光电导的半导体涂层材料3。然而，导电性类型可以对换。总之，在源极电极和漏极电极与半导体层之间的界面形成p-n结。
如上所述，优选半导体层和光电导的半导体涂层具有相反的导电性类型。这具有提供具有强的光性能的器件只需薄的光电导的半导体涂层的优点。通过使用透明或基本上透明的半导体层和高度吸光的光电导的半导体涂层，进一步提高了光敏度。
所述绝缘体层优选由可溶液加工的绝缘材料制成，所述绝缘材料为例如，有机聚合物[即聚乙烯基苯酚，PVP]或3D-可交联的有机低聚物[即甲基环戊烯醇酮]或有机-无机杂化材料[即ORMOCER]。
因为它是光透射的，所以ITO应该适于用作在图1a的结构中的栅极电极。然而，优选PEDOT，因为它通过喷墨印刷容易以PEDOT:PSS悬浮液的形式沉积。当然，其它适于用作栅极电极的导电材料对本领域技术人员是已知的。
在上述具体的实施方案中，光敏TFT配置有p型半导体层和n型光电导的半导体涂层。参考图1b，即说明光敏TFT结构的底部栅极构造的示意图，将描述根据本发明的一个实施方案，其中光敏TFT配置有n型半导体层和p型光电导的半导体涂层。
所述结构包含其上已经沉积栅极电极6(例如，通过遮蔽掩模蒸发的金(Au))的绝缘衬底1(例如，玻璃衬底或PET箔)。栅极电极6和周围的衬底区域被绝缘电介质层5(例如，600nm聚乙烯基苯酚，通过旋涂沉积)覆盖。在电介质层5的顶部上限定分开的导电源极接触和漏极接触2的图案，每一个与下面的栅极电极6的相对边缘重叠。这些源极接触和漏极接触可以由酸掺杂的聚苯胺(例如，聚苯胺-樟脑磺酸复合物PANI-CSA)制成。PANI-CSA是p型导电聚合物，即，它结合了金属源极接触和漏极接触2和在所述源极接触和漏极接触上的光电导的半导体3的薄层的功能(然而，由于高掺杂率，在PANI-CSA中的导电性不是非常依赖于照射)。PANI-CSA可溶于有机溶剂(例如，间甲酚、氯仿、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等)。因此，可以通过喷墨印刷到电介质层上而沉积源极接触和漏极接触。
在PVP电介质层5的顶部上的PANI-CSA源极/漏极图案被薄的有机半导体层4覆盖，所述有机半导体层4填充在源极接触和漏极接触2之间的间隙，从而形成晶体管沟道。所述有机半导体具有n型电导率。用于n型半导体层的适合的材料包括富勒烯(C60)的蒸发层(约40nm)或PCBM的旋涂层(约40nm)。备选地，n型半导体可以是无机的，如磁控管溅射的氧化锌(ZnO)层。
总之，本发明的光电晶体管提供高度光敏的光电晶体管，所述光电晶体管即使在高强度照射下也具有低的断开电流，并且具有高的增益和快的响应时间。特别是，所述晶体管具有由相当大的源极-漏极电流变化所显示的大的光敏度，所述源极-漏极电流即使在低水平的照射(约5000勒克司)也得到102-103倍的增加。所述光电晶体管还是灵活的，因为它可以随照度和栅极电压而变从而得到控制。此外，制造所述光电晶体管是简单和廉价的，并且可以使用喷墨或其它印刷和沉积技术在低温制造所述光电晶体管。
本发明公开了用于源极/漏极电极的导电芯、覆盖所述源极/漏极电极的半导体层和形成晶体管沟道的半导体材料的材料的几种组合。本发明公开了用于形成覆盖源极/漏极电极的半导体层以及用于形成其它层的几种方法。这些是非限制性实例。特别是，在根据本发明的光敏TFT的形成中，可以使用如下技术中的任何一种或组合喷墨沉积、接触印刷、丝网印刷、平版印刷、溅射、气相沉积和遮蔽掩模。
本发明的光电晶体管特别适用于其中短的响应时间是特别有利的平板图像传感器和指纹传感器。
在本说明书中的术语″涂层″不是以限制性方式解释的，并且包括任何适合的层，不必是涂布层。
上述描述只是作为实例给出。然而，本领域技术人员应该理解在本发明的范围内可以进行各种修改。
权利要求
1.一种光敏晶体管，其包含源极电极；漏极电极；第一半导体材料的半导体层，所述半导体层形成所述晶体管的沟道；栅极电极；和在所述栅极电极和所述半导体层之间的绝缘层，其中将第二半导体材料设置在所述半导体层与所述源极电极和所述漏极电极中的至少一个之间，并且与其电连接，所述第二半导体材料是光电导的。
2.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第一和第二半导体材料是导电性类型相反的半导体材料，其中在第一和第二半导体材料之间的每一个界面形成p-n结。
3.根据权利要求2的光敏晶体管，其中第一半导体材料是p型并且第二半导体材料是n型。
4.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第二半导体材料在第一半导体层和所述源极电极之间形成，并且与它们电连接。
5.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第二半导体材料在第一半导体层和所述源极电极之间以及第一半导体层和所述漏极电极之间形成，并且与它们电连接。
6.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第二半导体材料的厚度等于或小于100nm。
7.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第一半导体材料具有等于或大于10-3cm2/Vs的场效应迁移率。
8.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第二半导体材料是无机的。
9.根据权利要求1的光敏晶体管，其中通过所述源极或漏极电极的化学反应形成第二半导体材料。
10.根据权利要求9的光敏晶体管，其中第二半导体材料由所述源极或导体与周期表的第16族元素反应形成。
11.根据权利要求1的光敏晶体管，其中通过使用(NH4)2S的湿法，喷墨膜制备或干法膜制备中的一种形成第二半导体材料。
12.根据权利要求1的光敏晶体管，其中使用周期表的第11族或第12族元素形成所述源极电极和所述漏极电极。
13.根据权利要求1的光敏晶体管，其中所述栅极电极在可见光波长范围内具有大于50％的光透射。
14.根据权利要求1的光敏晶体管，其中所述绝缘层在可见光波长范围内具有大于80％的光透射。
15.根据权利要求1的光敏晶体管，其中对于可见光波长范围的至少一部分，第一半导体材料具有等于或小于104cm-1的光吸收系数。
16.根据权利要求1的光敏晶体管，其中第二半导体材料在可见光波长范围内具有大于104cm-1的光吸收系数。
17.根据权利要求1的光敏晶体管，其中所述源极电极和漏极电极中的至少一个由第二半导体材料形成。
18.根据权利要求1的光敏晶体管，所述光敏晶体管还包含滤色器。
19.根据权利要求18的光敏晶体管，其中通过将着色剂安置在所述栅极电极和所述绝缘层的至少一个中形成所述滤色器。
20.一种电器件，所述电器件包含根据前述权利要求中任一项的光敏晶体管。
全文摘要
一种对使用光的照射感光的薄膜晶体管(TFT)，所述薄膜晶体管可以提高所述晶体管的特性和所述晶体管态的控制参数。所述晶体管包含绝缘衬底；源极电极；漏极电极；第一半导体材料的半导体层，所述半导体层形成所述晶体管的沟道；栅极电极；和在所述栅极电极和所述半导体层之间的绝缘层。将第二半导体材料设置在所述半导体层与所述源极电极和所述漏极电极中的至少一个之间，并且与其电连接。所述第二半导体材料是光电导的。
文档编号H01L31/112GK101068040SQ200710102359
公开日2007年11月7日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年5月3日
发明者托马斯·库格勒 申请人:精工爱普生株式会社