一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件制造技术

本发明专利技术提供了一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，通过借助栅极和漏极之间引入一个二维载流子减速区结构，降低双极导通中载流子在减速区中的速度，从而降低载流子在有机分子之间跃迁的几率，抑制共聚物有机半导体中的载流子倍增效应，显著增加了共聚物有机半导体器件的耐压性能，提高了击穿电压。在实际制造过程中，仅源漏电极和栅极需要热蒸发沉积或磁控溅射，共聚物有机半导体层和有机栅介质层均可通过旋涂方式制备，简化了工艺流程，制备简单，成本低廉。作为半导体层的共聚物有机半导体材料与作为栅介质层的有机介质材料在高温下分解为水和二氧化碳，栅介质层材料与共聚物半导体材料无毒无害，绿色环保，不造成环境二次污染。二次污染。二次污染。

【技术实现步骤摘要】
一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件


[0001]本专利技术涉及电子
，具体的是一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件。

技术介绍

[0002]随着近年来对功率模块集成的不懈追求，功率集成电路（ Power Integrated Circuit, PIC）也获得了长足的发展发展。功率集成电路逐渐发展到片上功率系统（ Power System On a Chip, PSOC），作为 PIC 和 PSOC 标志性的特征，功率器件的性能对整个系统的频率特性、阻抗和功耗等有决定性的作用。然而传统基于无机半导体材料的集成功率器件存在着成本高、污染环境、批量加工成本高等问题。因此制备低成本、低污染、工艺简便、易大规模制造的有机功率器件将推动功率集成电路与功率模块的发展。
[0003]当前，基于传统无机半导体材料制造的集成功率器件在成本、性能、环境压力和工艺复杂度之间难以实现好的折衷关系。与此同时，由于工作机理、材料特性与载流子输运机制限制与不同，传统基于无机半导体材料和器件的耐压技术和结构无法直接移植到有机功率器件当中。具体来说，主要在于（1）载流子输运机制不同和（2）碰撞电离与耐压机制不同。（1）由于传统无机半导体材料中的载流子输运主要基于载流子的共有化运动，意味着无机材料依赖于其晶格的有序性和周期性可以使得载流子在整个半导体中传输。相对的，共聚物有机半导体材料由于其无序性，载流子的传输存在两个基本过程：分子内共有化运动和分子间跃迁运动。对于高分子内的共有化运动，其机制与无机材料共有化运动类似。但分子间的跃迁则受到载流子浓度和速度影响，为保证器件具有好的导通特性需要保持较高的载流子，只能通过降低速度来实现。（2）共聚物有机半导体材料与传统无机半导体材料碰撞电离过程不同，传统无机半导体碰撞电离是由电场中加速的载流子与晶格发生碰撞产生电子
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空穴对并进一步加速。而共聚物半导体中不存在无机半导体类似的晶格结构，因而碰撞电离过程更为复杂。同时传统无机半导体功率器件主要通过PN结及低掺杂漂移区的耗尽实现耐压，而共聚物有机物半导体器件尚无稳定掺杂，因而无法依靠杂质梯度形成PN结。因而传统无机半导体器件中的耐压结构与技术并不能直接移植至共聚物有机半导体器件。当前共聚物有机半导体器件仍沿用传统场效应晶体管结构，即依靠沟道区域承担半导体耐压，因而耐压性能远不能满足应用需求。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，它可极大的提高器件耐压性能，超越现有无机材料理论极限，使得器件在大电压下稳定工作。
[0005]本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：本专利技术提供了一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，包括栅极金属电极（1），栅介质层（2），有机物半导体层（4），源极金属电极（3）、漏极金属电极（6）和衬底（5）；其中，所述的栅介质层（2）的材料为常温下具有化学稳定性的有机绝缘材料，所述
的有机物半导体层（4）材料为常温下具有化学稳定性的有机半导体共聚物材料。
[0006]本专利技术的改进之处在于，所述有机物半导体层（4）中部分区域构成半导体二维载流子减速区（7），具体的，所述半导体二维载流子减速区（7）是指有机物半导体层（4）中处于栅极金属电极（1）和漏极金属电极（6）两者之间的一定区域，因此，半导体二维载流子减速区（7）的厚度和长度均由其所处的有机物半导体层（4）本身的厚度和长度决定，宽度由栅极金属电极（1）和漏极金属电极（6）两者之间的间距决定。
[0007]需要说明的是，所述PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，所述PS为聚苯乙烯，所述PC为聚碳酸酯，所述NAS为苯乙烯丙烯酸共聚物；需要说明的是，所述P3HT为聚（3
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己基噻吩），所述DPPT
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TT为聚并二噻吩
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吡咯并吡咯二酮；所述N2200为聚萘
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联噻吩；优选的，所述的栅介质层（2）的材料为有机绝缘材料PMMA、PS、PC、NAS中的任意一种；优选的，所述的有机物半导体层（4）材料为P3HT、DPPT
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TT、N2200、并五苯中的任意一种；进一步的，所述栅极金属电极（1）、源极金属电极（3）和漏极金属电极（6）采用金、铜、铝、镍、钛金属材料中的任意一种制备；进一步的，所述栅介质层（2）和有机物半导体层（4）采用旋涂法或打印法制备。
[0008]进一步的，所述衬底（5）采用玻璃、柔性塑料、PET柔性衬底、聚酰亚胺薄膜、体硅、SOI、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟或锗硅材料中的任意一种。
[0009]进一步的，所述基于共聚物有机半导体材料的功率器件从功能分类角度来看包括：横向场效应晶体管、横向PIN二极管、横向肖特基二极管。
[0010]所述基于共聚物有机半导体材料的功率器件从器件各功能层分布结构来说，包括但不仅限于以下器件类型：如图1所示，是本专利技术提供的具有顶栅底接触的有机功率器件三维结构图。从图中可以看出，它是在衬底（5）上沉积源极（3）和漏极（6），在源极（3）和漏极（6）上旋涂制备半导体层（4），在半导体层（4）上旋涂制备栅介质层（2），在栅介质层（2）上沉积栅极（1）。
[0011]如图2所示，在基本结构不变的情况下，进行变通设计，为顶栅顶接触有机功率器件三维结构图。从图中可以看出，它先在衬底（5）上旋涂制备半导体层（4），再在半导体层（4）上沉积源极（3）和漏极（6），在源极（3）和漏极（6）上旋涂制备栅介质层（2），在栅介质层（2）上沉积栅极（1）。
[0012]如图3所示，在基本结构不变的情况下，进行变通设计，为底栅底接触有机功率器件三维结构图。从图中可以看出，它先在衬底（5）上沉积栅极（1），在栅极（1）上旋涂制备栅介质层（2），在栅介质层（2）上沉积源极（3）和漏极（6），在源极（3）和漏极（6）上旋涂制备半导体层（4）。
[0013]如图4所示，在基本结构不变的情况下，进行变通设计，为底栅顶接触有机功率器件三维结构图。从图中可以看出，它先在衬底（5）上沉积栅极（1），在栅极（1）上旋涂制备栅介质层（2），在栅介质层（2）上旋涂制备半导体层（4），在半导体层（4）上沉积源极（3）和漏极（6）。
[0014]本专利技术的主要优点在于：
1、本专利技术提供的二维载流子减速区可以显著提高器件耐压能力，二维载流子减速区通过借助共聚物有机物体内与表面自组装程度不同的特性，从而近衬底表面和远离衬底表面处的共聚物半导体在导电和耐压性能上表现出了不同性质，从而引入了二维耐压效应，通过二维电荷共享效应降低了近表面处高分子间的载流子跃迁概率，使得碰撞电离率下降，降低关断情况下的反向漏电流，提高了击穿电压和FOM值。
[0015]2、二维载流子减速区结构有效抑制了共聚物有机半导体在正向导通时的双极性导通效应，避免了传统有机物场效应晶体管中因双极性导通而导致的反向关断时的明显漏电。
[0016]3、采用热蒸发沉积法或磁控溅射法制备金属电极，采用旋涂法制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，包括栅极金属电极（1），栅介质层（2），有机物半导体层（4），源极金属电极（3）、漏极金属电极（6）和衬底（5）；所述的栅介质层（2）的材料为常温下具有化学稳定性的有机绝缘材料；所述的有机物半导体层（4）材料为常温下具有化学稳定性的有机半导体共聚物材料；其特征在于，所述有机物半导体层（4）中部分区域构成半导体二维载流子减速区（7），具体的，所述半导体二维载流子减速区（7）是指有机物半导体层（4）中处于栅极金属电极（1）和漏极金属电极（6）两者之间的一定区域。2.根据权利要求书1所述的一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，其特征在于，所述的栅介质层（2）的材料为有机绝缘材料PMMA、PS、PC、NAS中的任意一种。3.根据权利要求书1所述的一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，其特征在于，所述的有机物半导体层（4）材料为共聚物P3HT、DPPT
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TT、N2200、并五苯中的任意一种。4.根据权利要求书1所述的一种基于共聚物有机半导体的集成功率器件，其特征在于，所述栅极金属电极（1）源极金属电极（3）和漏极金属电极（6）的材料为金、铜、铝、镍、钛金属材料中的任意一种。5.根据权利要求书1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张珺，周嘉益，郭宇锋，王宇豪，姚佳飞，
申请(专利权)人：南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：