基于自組裝納米顆粒的rfid標(biāo)簽的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體器件，其包括：柵電極；與柵電極連接的絕緣層；源極和漏極；以及根據(jù)柵電極上的電壓，選擇性地允許源極和漏極之間電連接的半導(dǎo)體溝道層；其中所述半導(dǎo)體溝道層包含金屬納米顆粒；且所述半導(dǎo)體溝道層與所述源極、漏極和絕緣層接觸。本發(fā)明還公開(kāi)了一種制造半導(dǎo)體器件的方法。
【專利說(shuō)明】基于自組裝納米顆粒的RF ID標(biāo)簽
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及例如薄膜晶體管的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)上，硅用作制造包括晶體管的半導(dǎo)體器件的主要原料。依賴于硅的獨(dú)特的半導(dǎo)體性質(zhì)來(lái)制造半導(dǎo)體器件。然而，目前的硅基生產(chǎn)工藝較為昂貴，且不適合在許多柔性襯底例如塑料材質(zhì)上形成半導(dǎo)體器件。這是因?yàn)橐恍﹤鹘y(tǒng)生產(chǎn)步驟涉及高溫，其易于熔化柔性襯底。在柔性襯底上形成半導(dǎo)體器件可以顯著增強(qiáng)和擴(kuò)展半導(dǎo)體器件的功能；因此，在柔性襯底上制造半導(dǎo)體器件很有商業(yè)吸引力。
[0003]發(fā)明概述
[0004]根據(jù)前述【背景技術(shù)】，本發(fā)明的目的是提供一種可選的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
[0005]因此，本發(fā)明的一個(gè)方面為半導(dǎo)體器件，其包括:柵電極；與柵電極連接的絕緣層；源極和漏極；以及根據(jù)柵電極上的電壓選擇性地允許源極和漏極之間電連接的半導(dǎo)體溝道層；其中所述半導(dǎo)體溝道層包含金屬納米顆粒；且所述半導(dǎo)體溝道層與所述源極、漏極和絕緣層接觸。
[0006]在一個(gè)實(shí)施方式中,所述半導(dǎo)體器件的空穴遷移率大于約20cm2V 1S 1O
[0007]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體器件的電子遷移率大于約18cm2/Vs。
[0008]在又一個(gè)實(shí)施方式中，所述金屬納米顆粒選自Au、Ag、Pd、Pt及其任意組合。
[0009]在進(jìn)一步的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體溝道層進(jìn)一步包含金屬氧化物納米顆粒。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述金屬氧化物納米顆粒選自ZnO和CuO。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體溝道層為納米結(jié)構(gòu)的形式。
[0012]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體溝道層的厚度為5_20nm。
[0013]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體器件為用于RFID標(biāo)簽的環(huán)形振蕩器的反相器的薄膜晶體管。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟:提供包含納米顆粒的納米顆粒溶液；使所述納米顆粒經(jīng)歷自組裝成為納米顆粒陣列；在襯底上形成所述納米顆粒陣列，以形成半導(dǎo)體溝道層；以及形成與所述半導(dǎo)體溝道層接觸的源極和漏極。
[0015]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述金屬納米顆粒選自Au、Ag、Pd、Pt及其任意組合。
[0016]在另一個(gè)實(shí)施方式中,所述納米顆粒溶液進(jìn)一步包含金屬氧化物納米顆粒。
[0017]在又一個(gè)實(shí)施方式中,所述金屬氧化物納米顆粒選自ZnO和CuO。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體溝道層的厚度為5_20nm。
[0019]在另一個(gè)實(shí)施方式中，將所述襯底浸入所述納米顆粒溶液中1-3小時(shí)。
[0020]本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提供可以低成本進(jìn)行制造并可以低功耗運(yùn)行的半導(dǎo)體器件。通過(guò)在低溫(低于100攝氏度)下使用溶液處理法(solution-processed method)可實(shí)現(xiàn)低制造成本。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在一個(gè)實(shí)施方式中，所述溶液處理法通過(guò)使用含有金屬納米顆粒的納米顆粒溶液將半導(dǎo)體溝道層印制在各種襯底上。與其它傳統(tǒng)的可印制半導(dǎo)體相比，本發(fā)明的金屬納米顆粒在空氣中非常穩(wěn)定。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，可容易地使所述半導(dǎo)體器件按比例縮小。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的以下詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些和其它的目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件100的橫截面圖，示出了其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。
[0023]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式，以金屬納米顆粒作為η型半導(dǎo)體溝道層的材料的半導(dǎo)體器件的漏極電流-電壓圖。
[0024]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式，以金屬納米顆粒作為P型半導(dǎo)體溝道層的材料的半導(dǎo)體器件的漏極電流-電壓圖。
[0025]圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式，使用薄膜晶體管(TFT)的反相器的輸入電壓-輸出電壓圖。
[0026]圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式的反相器的增益圖。
[0027]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式的用于RFID標(biāo)簽的納米顆?；h(huán)形振蕩器。
[0028]圖7示出了制造本發(fā)明半導(dǎo)體器件的方法的一系列步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如本文和權(quán)利要求中所用，“包含(comprising)”表示包括后面的要素，但是并不排除其它。
[0030]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件100的橫截面圖，其中示出了半導(dǎo)體器件100的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。例如，半導(dǎo)體器件100包含襯底20，其在一個(gè)示例性實(shí)施方式中由硅制成；設(shè)置在襯底20上的柵電極22 ；以及堆疊在柵電極22上方的絕緣層24。在另一個(gè)實(shí)施方式中，所述襯底由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或任何塑料襯底制成。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，絕緣層24的層厚度為20至200nm，并由聚合物電介質(zhì)和金屬氧化物制成。半導(dǎo)體器件100還包括設(shè)置在絕緣層24上的源極26和漏極28。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，電極26、28由金(Au)或銀(Ag)制成。半導(dǎo)體溝道層30設(shè)置在絕緣層24上。在一個(gè)實(shí)施方式中，將源極26和漏極28設(shè)置在半導(dǎo)體溝道層30上，使得在源極26和漏極28之間可以實(shí)現(xiàn)電連接。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，將半導(dǎo)體溝道層30設(shè)置在源極26和漏極28之間，使得在源極26和漏極28之間可以實(shí)現(xiàn)電連接。通過(guò)改變柵電極22處的電壓(即柵電極電壓)，半導(dǎo)體溝道層30選擇性地允許和/或調(diào)節(jié)源極26和漏極28之間的電連接。
[0031]在一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體溝道層30包含膠體納米顆粒32的陣列(納米顆粒32的陣列)的納米結(jié)構(gòu)。根據(jù)用作納米顆粒的材料，所述納米結(jié)構(gòu)提供P型或者η型的傳輸特性。配置半導(dǎo)體溝道層30的載流子使其具有充足的遷移能力(motilities)，以足以確保半導(dǎo)體溝道層30中感生的電荷可實(shí)際上貢獻(xiàn)于電流。優(yōu)選地，半導(dǎo)體溝道層30具有大于約ZOcm2V-1S-1的空穴遷移率和大于約18cm2/Vs的電子遷移率。更優(yōu)選地，空穴遷移率在20cm2V_1s_1-125cm2V_1s_1的范圍內(nèi)，且電子遷移率在18cm2/Vs-100cm2/Vs的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，用作納米顆粒的材料為金屬。在另外的實(shí)施方式中，所述納米顆粒選自金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉬(Pt)及其任意組合。在另一個(gè)實(shí)施方式中，其它材料也可用于半導(dǎo)體溝道層30，只要該材料的能帶間隙窄于絕緣層22的能帶間隙即可。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述納米顆粒為金屬納米顆粒和金屬氧化物納米顆粒的組合。在本發(fā)明的另一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施方式中，所述金屬納米顆粒和金屬氧化物納米顆粒組合的金屬納米顆粒選自金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、鉬(Pt)及其任意組合。所述金屬氧化物納米顆粒選自ZnO 和 CuO0
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，半導(dǎo)體溝道層30的厚度在5nm至20nm的范圍內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，納米顆粒32的陣列為單層。帶有自由載流子的半導(dǎo)體溝道層30必須盡可能地薄，以防止平行電導(dǎo)(parallel conductance)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體溝道層30為單層納米顆粒。在另一個(gè)實(shí)施方式中，如果半導(dǎo)體溝道層30不具有自由載流子，則對(duì)半導(dǎo)體溝道層30的厚度沒(méi)有限制。這種半導(dǎo)體溝道層30可由例如Au、Ag和Pt的金屬納米顆粒制成。
[0033]現(xiàn)轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體器件100的關(guān)鍵操作。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件100的半導(dǎo)體溝道層30的電阻隨柵電極電壓的變化而改變。在一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體溝道層30由半導(dǎo)體以外的材料制成；在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，所述材料為金屬納米顆粒，或金屬納米顆粒和金屬氧化物納米顆粒的組合。圖2和圖3顯示了半導(dǎo)體器件100在不同的柵電極電壓下的漏極電流-電壓曲線，其中金屬納米顆粒分別用作根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式的η型半導(dǎo)體溝道層30和P型半導(dǎo)體溝道層30的材料。
[0034]在圖2中，隨著柵電極電壓的增大，含金屬納米顆粒的η型半導(dǎo)體溝道層30允許和/或調(diào)節(jié)源極26和漏極28之間的電連接。相反，當(dāng)柵電極電壓減小到O時(shí)，含金屬納米顆粒的η型半導(dǎo)體溝道層30阻斷源極26和漏極28之間的電連接。
[0035]在圖3中，當(dāng)柵電極電壓低于O時(shí)，含金屬納米顆粒的P型半導(dǎo)體溝道層30允許和/或調(diào)節(jié)源極26和漏極28之間的電連接。相反，當(dāng)柵電極電壓增加到O時(shí)，含金屬納米顆粒的P型半導(dǎo)體溝道層30阻斷源極26和漏極28之間的電連接。優(yōu)選地，本發(fā)明的η型半導(dǎo)體溝道層30和P型半導(dǎo)體溝道層30的柵偏壓分別為3V和-3V。
[0036]在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件100是薄膜晶體管(TFT)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件100是用于具有各種頻率的RFID標(biāo)簽的環(huán)形振蕩器的反相器的TFT部件，包括頻率13.56MHz和13.54MHz。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式，使用TFT的反相器的輸入電壓-輸出電壓圖。如圖4所示，當(dāng)輸入電壓為約OV時(shí)，輸出電壓為約3.0V,反之亦然。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式的反相器的增益。其顯示出當(dāng)源極電壓為約1.5V時(shí)，反相器具有峰值增益。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方式，用于RFID標(biāo)簽的納米顆?；h(huán)形振蕩器200。環(huán)形振蕩器200包括半導(dǎo)體器件100、電源電極34和地電極36。電源電極34和地電極36連接至半導(dǎo)體器件100。
[0037]圖7示出了制造本發(fā)明的半導(dǎo)體器件100的方法中的一系列步驟。半導(dǎo)體器件100是通過(guò)溶液法形成。首先，在步驟40中，使用溶劑，例如D1-水、丙酮和2-丙醇對(duì)襯底20進(jìn)行超聲波清洗，并使用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷或(3-氨丙基)三甲氧基硅烷進(jìn)行改性。之后，在步驟42中，用柵電極22涂覆襯底20。涂覆柵電極22后，將絕緣層24涂覆到柵電極22的上方。在步驟44中，使用SavannahlOOALD系統(tǒng)在襯底溫度為80°C下，沉積所述絕緣層作為柵極電介質(zhì)。隨后，在步驟46中，通過(guò)在襯底20上涂覆納米顆粒陣列，在絕緣層24上形成半導(dǎo)體溝道層30。以下是在襯底20上涂覆納米顆粒陣列的方法的兩個(gè)示例性實(shí)施例。
[0038]第一實(shí)施例
[0039]在第一實(shí)施例中，通過(guò)首先將襯底20浸入納米顆粒溶液中1-3小時(shí)來(lái)形成納米顆粒32的陣列，所述納米顆粒溶液包含待涂覆到襯底20上的納米顆粒32。在一個(gè)實(shí)施方式中，將襯底20浸入納米顆粒溶液2小時(shí)。在襯底20浸入納米顆粒溶液中時(shí)，納米顆粒溶液中的納米顆粒32經(jīng)歷自組裝以形成納米顆粒32的陣列。在浸入步驟期間，納米顆粒32的陣列直接形成在襯底20上。在一個(gè)實(shí)施方式中，納米顆粒32在手套式操作箱中經(jīng)歷自組裝(即將襯底20浸入納米顆粒溶液中)以防止O2和H2O的污染。在浸入步驟之后，通過(guò)完全蒸發(fā)留在襯底上的殘留的納米顆粒溶液來(lái)干燥涂覆有納米顆粒32的陣列的襯底20。
[0040]第二實(shí)施例
[0041]在第二實(shí)施例中，將納米顆粒溶液放入容器中，并使得納米顆粒溶液中的納米顆粒32經(jīng)歷自組裝以在納米顆粒溶液的表面形成2D自組裝的納米顆粒單層。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述自組裝在手套式操作箱中進(jìn)行，以防止02和!120的污染。將用于分散(disperse)納米顆粒的溶劑完全蒸發(fā)后，通過(guò)Langmuir-Schaefer沉積法使用PDMS墊首先將納米顆粒32的二維自組裝陣列從溶液表面提起(lifted)，然后使PDMS墊與襯底20共形接觸(conformal contact)約10秒。制備的這種有序的納米顆粒32的陣列能夠完整地轉(zhuǎn)移至疏水和親水兩種襯底20上。
[0042]在步驟46之后，在步驟48中，通過(guò)蔭罩在半導(dǎo)體器件100上形成源極26和漏極28。源極和漏極26、28如說(shuō)明書(shū)第三頁(yè)最后一段中所描述的那樣形成。
[0043]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，上述制造步驟用于制造TFT。在另一個(gè)實(shí)施方式中，上述制造步驟用于制造在制造具有各種頻率的RFID標(biāo)簽期間的環(huán)形振蕩器的反相器的TFT，其中包括頻率13.56MHz和13.54MHz。
[0044]以下是顯示如何制備金(Au)、銀(Ag)和鈀(Pd)的納米顆粒溶液的實(shí)施例:
[0045]Au納米顆粒通過(guò)在冰冷的環(huán)境中存在Na3Ct的條件下還原HAuCl4.3Η20來(lái)進(jìn)行制備。
[0046]Ag納米顆粒通過(guò)混合AgNO3、檸檬酸鈉和NaBH4來(lái)進(jìn)行制備。
[0047]Pd納米顆粒通過(guò)在100°C下混合H2PdCl4、L-抗壞血酸和PVP來(lái)進(jìn)行合成。
[0048]下表顯示了具有使用金(Au)、銀(Ag)和鈀(Pd)的納米顆粒的半導(dǎo)體溝道層的半導(dǎo)體器件的空穴遷移率和電子遷移率。
[0049]表1
[0050]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件，包含: a)柵電極； b)絕緣層，與所述柵電極連接； c)源極和漏極；以及 d)半導(dǎo)體溝道層，配置為根據(jù)所述柵電極上的電壓選擇性地允許所述源極和所述漏極之間電連接； 其中所述半導(dǎo)體溝道層包含金屬納米顆粒；且所述半導(dǎo)體溝道層與所述源極、所述漏極和所述絕緣層接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬納米顆粒選自Au、Ag、Pd、Pt及其任意組合。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體溝道層進(jìn)一步包含金屬氧化物納米顆粒。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬氧化物納米顆粒選自ZnO和CuO。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體器件為用于RFID標(biāo)簽的環(huán)形振蕩器的反相器的薄膜晶體管。
6.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟: a)提供包含納米顆粒的納米顆粒溶液； b)使所述納米顆粒經(jīng)歷自組裝成為納米顆粒陣列； c)將所述納米顆粒陣列形成到襯底上以形成半導(dǎo)體溝道層；以及 d)形成與所述半導(dǎo)體溝道層接觸的源極和漏極。
7.如權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬納米顆粒選自Au、Ag、Pd、Pt及其任意組合。
8.如權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述納米顆粒溶液進(jìn)一步包含金屬氧化物納米顆粒。
9.如權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬氧化物納米顆粒選自ZnO 和 CuO0
10.如權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中將所述襯底浸入所述納米顆粒溶液中1-3小時(shí)。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK103928531SQ201410013653
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月11日
【發(fā)明者】華禮生, 周曄, 韓素婷, 許宗祥 申請(qǐng)人:納米及先進(jìn)材料研發(fā)院有限公司