专利名称：使用天然、合成或混合纤维素材料同时作为可自支持场效应电子和光电子器件中的物理 ...的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及由基于纤维素的天然、合成或混合纤维组成的材料的使用，所述 纤维在物理上和化学上以其各种形式和组成被氢桥联合，通常称为纸张，诸如热敏纸或碱 性纸或不透水纸或圣经纸或纸板纸或涂布纸或纸巾或卫生纸或、报纸、像纸或复印纸或胶 版纸或设计纸、或蔬菜纸或赛璐纸(从现在开始，简称为纸张)，同时充当电子或光电子器 件的物理支撑体和作为电介质的这些器件的组成元件。本发明是基于不同厚度(在1微米与4000微米)和表面光洁度的纸张作为诸如场 效应晶体管中的有源电子器件中的电介质材料和物理支撑体的使用，在所述场效应晶体管 中，在纸张的一面沉积金属电极以用于电荷的注入，并且在另一面沉积有机或无机、离子或 共价的半导体材料以充当二极管式结构的器件(1)的沟道。除有源半导体之外，半导体的 这一面可以包含用于制造和产生场效应晶体管的另外两个典型区，其为漏极和源极区(5)。在本发明中，使用纸张的两面作为用于附加组件的支撑体，所述附加组件用于通 过执行组件的此集成来制造电子或光电子器件，所述集成即为向半导体中注入电荷的控制 工艺，同时充当将被集成以便形成相容系统的器件的物理支撑体，所述相容系统允许将纸 张变换成电子激活的动态元件。为了处理将被沉积到纸张上的所有材料以便其可以被同时 用作材料电介质和支撑体(从现在开始称为C-MOS中介基板(interstrate)结构)的材料 电介质和支撑体，必要的是这些膜的制造技术在低温下、特别是低于150摄氏度的温度下 发生，或者在被退火时，不超过此温度。在电子装置和光电子装置中可以使用意味着电介质同时是基板和电介质的C-MOS 中介基板结构，特别是在场效应互补器件、逻辑门、环形振荡器的制造中和薄膜晶体管中， 而不需要用于其物理支撑体的任何基板，并且其中，可以使用诸如氟化镁的保护或最终密 封层，随后被用于电子行业、半导体行业、纯平显示器行业和类似行业、逻辑电路行业、仪表 和传感器行业、医学和生物化学行业、光电子和太阳能电池行业、微电子和纳米电子行业。在本发明中，纸张是同时是单体和集成器件的支撑体的电介质、有源半导体可以 是诸如硅的共价结构或诸如半导体氧化物的离子结构的有机物(例如，N, N'-联苯-N， N-双[3-甲基苯基]_1，1'并苯-4，4' 二胺；三-8羟基喹啉盐(N，N' diphenyl-N, N-bis[3-methylphenyl]-l, 1‘ biphenyl-4,4‘ diamine ；tri-8hydroxyquinolinolate)) 或无机物，通过涉及不同的电抗性和非电抗性沉积技术的技术来处理所述离子结构，诸如 在接近于室温的温度下执行的原子尺度水平下的薄膜的物理沉积、化学沉积和物理-化学 沉积，即·直流或射频的阴极溅射；·真空中的热电阻性或电子枪沉积；·通过射频等离子体或超高频的蒸气的辅助或非辅助化学分解； 真空中的加热；·外延原子生长；
经由喷墨的沉积； 化学乳状液。所列技术允许在不损坏纸张或沉积的材料的电子性能的情况下进行有机和无机 材料的具有在Inm与50nm中间的厚度的膜的受控生长。
发明内容
本发明描述了一种制造结合了基于天然、合成或混合纤维的薄膜的有源电子或光 电子场效应半导体器件的工艺，所述薄膜充当所述器件的支撑体和电介质( 两者，将其 变成可自支持的。在本发明的优选实施例中，薄膜( 包括纤维素材料或生物有机纸。本发明的另一优选实施例包括有机或无机成因的一个或更多个附加组件，其具有 金属(3、5)、半导体(1)、绝缘体(6)或自适应层的电特性，采取单体或离散结构、由串 联或多层结构组成，以便实现有源器件，特别是二极管结或晶体管，或者特别是两个、三个、 或四个混合端子的器件。本发明的另一优选实施例在沉积最终器件的任何其它组成元件之前为所述纤维 素材料或生物有机纸施加钝化或自适应或自适应层(4)。在本发明的另一优选实施例中，所述钝化或自适应层⑷包括特别地具有达到 2000nm的厚度的高电阻率电介质材料。本发明的另一优选实施例包括接近于室温的温度下的材料，并且这些可以可选地 被退火至150摄氏度。并且，本发明的另一优选实施例包括通过以下方法中的一个或更多个进行的组件 沉积真空中的通过电子枪的电阻性热蒸发、直流或磁控管辅助或非辅助射频或超高频的 阴极溅射、射频或超高频辅助或非辅助化学汽相分解、喷墨印刷、或化学乳化。本发明的另一优选实施例包括根据通过制造工艺之前或之后的保护性树脂、通过 使用掩模或通过沉积在纸张上的材料上的直接写入而直接印刷的特定图画来沉积薄膜。本发明的另一优选实施例包括沉积导电组件(3、5)，其包括有机或无机材料、高导 电性的金属或半导体氧化物，具有达到IOym的厚度。本发明的另一优选实施例包括沉积半导体组件(1)，其包括具有在2nm与20 μ m之 间的厚度的无机共价材料或单体或化合物离子材料或无机材料。本发明的另一优选实施例包括通过具有达到10 μ m的厚度的电介质(6)来封装最 终器件。在本发明的另一优选实施例中，具有从通过再生、溶解或混合技术产生的天然、合 成或混合纤维素纤维获得的所述纤维素材料或生物有机纸O)，其具有控制永久性离子电 负性的程度的能力。本发明还描述了一种有源电子或光电子场效应半导体器件，其包括充当所述器件 的支撑体和电介质( 的天然、合成或混合薄膜O)，薄膜( 将所述器件变成可自支持的。在本发明的另一优选实施例中，薄膜( 包括纤维素材料或生物有机纸。本发明的另一优选实施例包括有机或无机成因的一个或更多个组件，其具有金属 (3、5)、半导体(1)、绝缘体(6)或自适应层⑷的电特性，采取单体结构、串联化合物结构或多层结构，以便实现有源器件，特别是二极管结或晶体管，或者特别是两个、三个、或四个混 合端子的器件。在本发明的另一优选实施例中包括直接在所述纤维素材料或生物有机纸上的钝 化或自适应层G)。在另一优选实施例中，钝化或自适应层(4)包括特别地具有达到20000nm的厚度 的高电阻率的电介质材料。并且，在本发明的另一优选实施例中，所述导电组件(3、幻包括有机或无机材料、 或高导电性的金属或半导体氧化物，具有达到 ο μ m的厚度。在本发明的另一优选实施例中，半导体组件(1)包括具有在2nm与20 μ m之间的 厚度的共价材料或单体或化合物离子材料或有机材料。在本发明的另一优选实施例中，由具有达到ΙΟμπι的厚度的电介质(6)来封装最 终器件。在本发明的另一优选实施例中，纸张的组件部分充当电介质O)；沉积在纤维上 的离散沟道区由共价或离子的有机或无机有源半导体组成；漏极和源极区( 和栅极区 (3)，其由连续结构的导电氧化物或金属组成或基于互连导电岛。本发明的另一优选实施例由诸如金属电极(3)_纸张O)-半导体(1)的结构组 成，其中，纤维素或生物有机成因的纸张( 充当电介质，其中，其每单位面积的电荷容量 取决于纤维在形成纸张的各种机械压缩平面中如何分布和相互关联、将被用作被沉积以组 成漏极、源极(5)和栅极(3)区的材料的透明或不透明金属，并且半导体是沟道区⑴组成 部分。在本发明的另一优选实施例中，所述器件是ρ或η型场效应晶体管，能够从 OFF(截止)切换到ON(导通)状态或将电和电子信号放大，高度取决于与纸张相关并优选 地与所使用的关联和分布其纤维的方法相关的每单位面积的电荷容量。本发明的另一优选实施例包括沉积在器件的半导体层上的两个材料，该材料在导 电性方面呈现出完全相等的高导电性并以在Inm至1000 μ m范围内的距离相互分离，分别 称为漏极区和源极区(5)并允许纸张的电介质通过其组成部分的有效集成。在本发明的另一优选实施例中，漏极和源极区(5)由有机或无机共价或离子半导 体组成，该半导体具有比沉积在纸张上并在其上面沉积这些半导体的半导体材料高至少三 个数量级的电导率，所述半导体材料在下文中称为沟道区(1)，具有从2nm至20 μ m范围内 的厚度，具有与形成纸张O)的纤维的厚度相同或较小的数量级，允许在沟道区的周围区 域中产生连续或半连续的沉积物，并且其被用作P或η型场效应晶体管的漏极和源极(5)。在本发明的另一优选实施例中，沟道区(1)由在2nm与20 μ m范围内的厚度的离 散或连续形式的有机或无机离子或共价P型或η型半导体组成，所述厚度具有与形成有机 纸张O)的纤维的厚度相同或较小的数量级，具有比用于形成漏极和源极区(5)的材料低 至少三个数量级的电导率。在本发明的另一优选实施例中，在不施加任何信号或施加栅极电压的情况下连接 P或η型晶体管，以便连接到ON状态，以用于根据形成纸张的纤维中的每单位面积积聚的电 荷切换模式或电信号模式的放大。在本发明的另一优选实施例中，由并置并以IOOnm和1000 μ m的距离分离的ρ型和η型(或η型和ρ型)的互补电子性质的两个半导体(1、7)来代替在纸张使用的有源半 导体。在本发明的另一优选实施例中，通过被分别用作充当公共电极的每个的漏极和源 极(5)的相同材料来连接将在纸张上沉积的两个半导体。在本发明的另一优选实施例中，所述纤维素材料或生物有机纸张( 包括通过再 生、溶解或混合技术产生的天然、合成或混合纤维素纤维，其具有控制永久性离子电负性的 程度的能力。发明基础在应用方面，具有用于产生晶体管的中介基板功能的纸张的使用除其作为电容器 中的支撑体或无源电介质的应用之外是未知的。本发明所关心的的纸张的使用概念的重新定义，除其静态功能或用于其它有源和 动态功能的简单基板之外，提供同时充当电子组件和支撑体、由此允许自支持以用于其集 成器件的纸张和使纸张恢复为高科技解决方案的系统。此开发允许获得材料并产生柔性电子可自支持且具有成本效益的可任意处理器 件并允许制造同样可自支持的集成电路，除静态形式的绘画/书写之外，为纸张提供另一 应用。为了实现这些目的，重要的是构思、制造、并用纸张产生相同类型的电路，这现在在其 它基板中发生，并且其中，有源器件的全部或部分功能取决于纸张作为电介质材料O)的 使用，由此使得能够在一个单体或混合集成电路中集成纸张的两面。为了实现这些目的，必须将分散且众所周知的计数组合并使其适应3个水平的要 求制造工艺；材料和器件功能；集成。在电子器件的制造和产生工艺中，在用于沉积工艺的受控气氛中制备纸张的表 面。不同于传统的沉积方法，其保证整个沉积工艺在室温附近发生，不存在来源于沉积工艺 本身的过热，并且所沉积的材料还实现粘附参数、机械弹性、化学稳定性、以及电子和光学质量。为了获得上述特征，将沉积在被用作支撑体和电介质上的纸张侧面上的材料是有 机或无机金属材料、半导体材料、其它互补电介质和钝化材料(4、6)。将被上述技术(3)中的一种使用并处理的金属诸如银、铝、铜、钛、金、铬、和钼、或 由上述元素得到的任何金属合金或将在金属接点(3、幻的制造中或金属-绝缘体-半导体 类型的整流结上使用的其多层沉积，其中，所述绝缘体是纸张本身或具有与纸张类似的功 能的可自支持薄膜。另外，还包括用于任何无极薄膜(简并半导体氧化物，诸如氧化锡、氧 化锌和氧化铟、掺杂锡的铟、掺杂镓的氧化锌、掺杂铝的氧化锌，通常称为导电和透明氧化 物，具有低于IO-3Qcm的电阻率)或具有金属的导电特性的有机物的沉积方法。要使用的有源η或ρ型半导体(1)可以是有机或无机共价半导体或有源离子半导 体，其对应于称为沟道区的有源场效应器件的所谓处理组件，其中，所述电介质是同样充当 器件的物理支撑体的纸张(2)。在有机半导体材料方面，应突出以下各项并四苯、并五苯、铜酞菁、氧化钛酞菁、 和锌酞菁等等，其具有在Kr13Q-1Cm 1至IO5Q-1Cm 1范围内的电导率。在要使用的共价无机半导体的情况下，这些可以是采取非晶、纳米晶体或微/多 晶形式的硅，其掺杂/未掺杂磷、砷或硼，具有在KT14Q4cm 1与IO3Q4cm 1之间的电导率。
在要使用的离子无机半导体方面，将主要集中于简单或单一的半导体氧化物、纳 米复合材料或多化合物，诸如氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化钛、氧化铜、氧化铝、氧化铜铝、 氧化镍、氧化钛、氧化铜、氧化铝、铝和铜氧化物、氧化镍、氧化钌、氧化镉、氧化钽、铟和锌多 化合物氧化物、铟和锌、镓多化合物氧化物、锌和锡、铜和铝多化合物氧化物、银和铜多化合 物氧化物、钛多化合物氧化物、铜、锌、锡和银，无论组成的百分比如何，具有在KT14Q-1Cm1 至IO4Q-1Cm1范围内的电导率。在被用作钝化或自适应材料或作为界面的生长中的第二电介质的高电阻率 材料方面，这些应基于氧化物、氮化物化合物，其具有在2nm与IOOOOnm之间的厚度，诸如二 氧化硅或氮化硅、或有机材料或任何其它单层或多层材料，诸如氧化钽、二氧化铪、氧化锆、 氧化钇、氧化铝，或诸如二氧化铪/氧化钽、氧化铝/钽、二氧化铪/氧化铝的化合物；二氧 化硅/五氧化二钽、钽/钇；氧化锆/钽、五氧化二钽/ 二氧化硅、氧化铝/氧化钛或PMMA、 或Ρ0ΜΑ、或聚酯薄膜，其全部在从-20摄氏度至150摄氏度范围内的温度下经过处理，目的 不仅是高度紧凑且具有极平的表面，而且材料的结构是非晶或纳米结构的，以便除用形成 沟道的材料引入功函数方面的要求差异之外，还实现期望的电绝缘，其中，通过使用正常标 准光刻技术或通过掩模或剥离来进行器件组成部分的空间几何结构限定。在这种情况下， 例如，正性树脂在电介质上的沉积，其中，树脂将保护并不意图去除的材料区域，并通过实 际上去除未受保护电介质材料的干法或湿法选择性侵蚀工艺来去除其余部分。除能够与纸张进行直接接触的这些材料之外，在有源半导体是离子半导体或有机 半导体的情况下，在已提及的材料上存在要处理的其它材料，以便组成有源器件，诸如组成 场效应晶体管中的漏极和源极区( 且在沟道区是共价半导体或金属或金属合金时可以 是高度掺杂材料，其同时充当接点，具有达到IOym的厚度。在器件方面，意图在于·产生并制造金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的二极管，其中，所述绝缘体是一 张纸，其包含在一个侧面上的金属和使用任何前述技术((1)、O)、(3))沉积在另一面上的 有源半导体； 基于薄膜(图3至幻产生并制造η和ρ场效应晶体管，其中，所述电介质是纸 张，由天然或合成或混合纤维素纤维组成，通过其电负性或离子性受到控制的树脂或胶以 多层形式聚合，然后被机械地压缩，形成沟道区的有源半导体是无机离子半导体或无机共 价半导体或有机半导体(1)，并且漏极和源极区分别基于高导电性氧化物或金属或高度掺 杂的η型或P型共价半导体，具有充当开关键并且充当信息导体/接收器和放大器的能力。 这些器件具有如图3至5所示的组成，其中，沟道(1)可以具有在Inm与1000 μ m范围内的 长度，直接沉积在纸张上或先前连同形成源极和漏极区( 一起沉积在纸张(4)上的界面 自适应层上或纸张O)的另一面上，直接地或通过由金属或高导电性氧化物组成的自适应 层来沉积栅电极⑶。这些器件具有超过0. ScmW1的迁移率，超过IO4的闭态/开态比， 并且在增强模式或耗尽模式下工作，也就是说，需要能量以使其导通，或者，在没有施加任 何能量的情况下其已处于导通状态；·产生并制造在上述条件下处理的场效应晶体管，但是，其中，形成栅电极或漏极 和源极区的有源半导体或材料是诸如并四苯、并五苯、铜酞菁、氧化钛酞菁、锌酞菁等有机 材料。
·产生并制造CMOS或C-MESFET器件，其中，所述电介质材料是纸张且合并在器件 中的互补η和ρ型半导体是无机共价半导体、或无机离子半导体或有机半导体、或如图6所 示的其任何可能的混合组合。也就是说，器件基于具有公共栅极的两个P和η型晶体管，其 中，输出端子中的一个(源极和漏极或漏极和源极)是公共的且另外两个输出端子是独立 的。本发明的目的是提供用于基于纤维素的或基于生物有机的纸张的新应用，其中， 其不再仅仅是静态的支撑手段，以便称为电子和光电子组件和系统的生产和产生的可自支 持构思中的组件，其称为中介基板。不存在在具有前述功能的基于纤维素或基于生物有机纸张技术方面已知的现有 技术专利。也就是说，关于CMOS中介基板结构，其特征在于其允许生产并产生整体或混合 类型的柔性可自支持可任意处理的的集成器件，同时其特征在于其为具有在其自己的两面 上形成的系统组件的器件。在多个专利记录数据库中进行的研究显示作为本发明中的主题的纸张的任何工 艺、产品和系统功能都没有出于专利的目的被公开或提交。本发明背后的构思是新的，并且虽然由已知技术来支撑其实施例，但其新颖性在 一套新的目的的范围内。
背景技术：
在下文中将描述本发明的现有技术以及可能与之有关的在本发明之前的专利文 献。在工业、设计或应用方面，对应于本发明的主题或与之相关的任何活动在其集成 工艺、产品和系统的方面都是未知的。虽然未考虑纤维素支撑体的使用，进行的研究得到以下专利和现有技术参考。1.在2008年提交的国家专利申请No. 103951提到使用基于纤维素的或纤维素 生物有机的纸张作为用于电子器件和系统的处理的物理支撑体，而未提到其在处理并支撑 电子器件和系统中的集成。因此，在国家专利103951中，纸张是使用共价半导体或有机和 无机离子半导体(包括各金属连接)通过任何传统技术制造的电子器件的简单物理支撑 体。此专利与前述专利的唯一相似点是形成器件的材料的处理技术是相同的。在国家专利 103951中，器件未在其在功能设计中介基板中的功能中集成纸张，所述功能设计中介基板 是唯一的且对应于引起全新晶体管化器件的产生的创新，并且与传统器件相比还具有创新 的工作原理。本专利探索与形成纸张的纤维相关联的潜力，其引出与在基于连续电介质膜 的传统场效应器件中已知的那些相反的离散电介质的构思，其促进纸张的每单位面积的容 量的几个数量级的增加，而不改变相对介电常数的在1. 5与12之间的相对低的值。为了使 这种情况发生，有源半导体的生产应具有比组成纸张的纤维的厚度低至少一至两个数量级 的厚度。此条件导致所使用的有源半导体的厚度始终小于lOOnm。在国家专利103951中未 遵守此条件，其中，意图获得尽可能平滑和均勻的表面，因为纸张简单地充当物理支撑体， 在该物理支撑体中沉积单个器件或集成电子装置。2.在1967年提交的美国专利No. 3，617，372提到用于产生静电图像的导电纸张， 其中，按体积地在纸张的制造区中采取动作，允许其包含来自羟乙基和羟丙基团的聚合物 链，以便使纸张适合于图像捕捉功能，并提供非接触式印刷。该专利不在有效期中。其涉及与无论如何与其作为电子组件的使用无关的图像捕捉和图像记录中的按体积组成计量的 纸张。3.JP2003123559( "Forming method and its device fortransparent conductive film> transparent conductive film and electronicpaper") m 在 在有或没有诸如氩气的惰性气体的情况下在氧气氛中使用碘化铟和氯化锡(硝酸锌 (Zn(NO3)2.6H20))的气态形式由等离子体辅助的CVD在低温下制造称为氧化铟锡ITO(或氧 化锌SiO)的透明导电膜，其被沉积在聚噻吩聚合物膜或其它有机基材料上，以便在所谓的 电子纸(e-paper)中使用。也就是说，基于沉积在有机基板上的透明导电氧化物在柔性膜 上重写字母数字或图像的可能性。在这种情况下，所述透明导电氧化物意图充当用于施加 电场以控制例如由液晶的取向形成的那些图像色彩的电极。此专利是关于用于获得膜、其 系统、以及这样获得的膜的诸如粘附性等物理-机械特性的工艺。也就是说，该发明的目的 是提供仅仅被用作电极的导电氧化物的有机基板的产生，在该专利中未包括基于纤维素的 纸张或生物有机纸张同时作为电子组件和作为将其结合的器件的支撑体的使用。4.美国专利U. S. 2006/013^94公开了透明导电氧化物在电子纸的两面上的沉 积，其具有与在JP2003123559中所描述的那些类似的主要目标应用。换言之，其意图在于 在例如液晶的显示器中用于在有机介质上产生的新柔性显示器的自适应技术。因此，此专 利的权利要求被包括在所使用的设备的范围和如何处理并保持有机柔性基板上的图像的 范围内，包括设置在纸张本身内或所产生的氧化物下面的非导电颗粒的控制，具有通过施 加电场来改变其透射程度的能力。这不在本发明的范围内。5.力口拿大专利 CA682814( "Electrically conductive paper, andmethod of making it”)涉及导电纸的体积处理，特别是在其体积中包括有或没有被涂敷随机地分散 在纤维素矩阵中的金属的导电纤维。这不在本公开的范围内，其不包括操纵纸张结构。6.加拿大专利 CA767053 ("Electrically conductive paper”)提到导电体积中的 纤维素值的涂敷，其被涂敷绝缘光导电体材料，与沸石的结合相关，能够保证次于IO12 Ω cm 的电阻率，目的是改进并保持静电电荷以用于信息印刷。这不在本公开的范围内，在本公开 中，纸张意图充当能够有源器件中的电介质并同时作为形成意图在纸张的两面上产生的器 件的不同组件的支撑体。7.力口拿大专利 CA898082( "Polymeric quaternary derivatives of4-vinyl pyridine in electrically conductive paper”)提到使用能够接纳能够产生静电复印纸 的光导体涂层的季化聚合物的使用。这不在本发明的范围内。8.加拿大专利CA922140"Electro conductive paper”涉及可在用于图像再现的 技术中使用的具有聚合物的导电纸，所述聚合物具有导电纸的组成的至少75%。该专利包 括包含以下类型的基本结构的所有组成
这不在本发明的范围内。根据以上描述，可以推断在本发明中公开的产品和方法方面，没有与之相关的公 开或专利申请。所述专利和参考文献对应于其中可能找到本公开的现有技术，在工艺和在增塑表 面上被用作导体的材料方面存在某些边缘共同点，并且所述工艺在某些情况下在室温下发 生。然而，集中于使用基于纤维素的纸张同时作为具有存储器效应的有源器件中的组件和 这些器件的物理核心、其衍生物或化合物的工作和专利或专利申请的存在是未知的。本发明在于产生新的电子器件，其中，所述纸张是充当支撑体的有源组件，我们将 其称为中介基板，并且其是使用不同的技术制造的，试图获得结合了基于天然、合成或混合 纤维素或生物有机的纸张、或其混合化合物衍生物的产品和电子系统，所述纸张或其混合 化合物衍生物确定这些产品和系统的最终功能。这在实验室中或已执行的此类器件的尝试 制造中是未知的。这些是本发明的中心主题，其得到混合质量但在产生新效应并在本发明 的应用中添加新价值的电子组件的集成方面仍是整体的，所述新价值在现有技术系统中不 存在。
图1是由金属绝缘体和称为MIS 二极管的半导体组成的非密封二极管的基本结构 的示意图，在所述MIS 二极管中，由根据以下基准的材料或金属合金制成电接点1-η或ρ型有源有机半导体或共价无机或离子无机半导体；2-同时用作电子组件的电介质和物理支撑体(基板)的纤维素或生物有机成因的 纸张；3-用来确立由金属或金属合金或者由于具有非常高的导电性的两个金属或氧化 物半导体的多层形式的连续沉积或由具有非常高的导电性的有机材料组成的与器件的电 接点的栅电极。图2是由金属、绝缘体和被称为MIS 二极管的半导体组成的非密封二极管的基本 结构的示意图，其中由具有高导电性的导电氧化物制成金属电接点，并且其中，沉积根据以 下基准组成金属或半导体组件的材料之前，自适应层在纸张的一面或两面中4-在一个或两个纸张界面中存在界面的钝化或自适应层。图3是η或ρ型场效应晶体管的示意图，其中，在所沉积的材料与被用作电介质的 纸张的两面之间存在两个自适应层，并且其中，根据以下基准在有源半导体上沉积源极和 漏极区
1.充当场效应晶体管中的沟道区的有源η或ρ型半导体；2.充当场效应晶体管的电介质的纸张。3.栅电极(金属或高导电性的氧化物或有机高导电性半导体)。4.电介质沟道自适应层⑷和/或电介质栅电极5.在沟道区是基于共价半导体时由诸如P点等具有高导电性的高掺杂半导体或 有机半导体组成、或在沟道区是离子氧化物或有机半导体时由具有高导电性的金属或P点 或单一半导体氧化物、化合物或多化合物组成的场效应晶体管的源极和漏极区。6.密封层、表面钝化。图4是非密封η或ρ型场效应晶体管的示意图，其中，在被用作电介质的纸张的一 面上的沉积材料之间设置自适应层，所述电介质根据基准包含与源极和漏极区重叠的有源 半导体。图5是非密封η或ρ型场效应晶体管的示意图，其中，在被用作电介质的纸张的一 面上的沉积材料之间设置自适应层，所述电介质根据基准包含与源极和漏极区重叠的有源 半导体。图6是非密封η或ρ型场效应晶体管的示意图，其中，不存在设置在沉积材料与被 用作电介质的两个纸张表面之间的自适应层，并且其中，有源半导体根据基准与充当增强 或耗尽方法的源极和漏极区重叠。图7是非密封CMOS场效应器件的示意图，其中，不存在设置在沉积材料与被用作 电介质的两个纸张表面之间的自适应层，并且其中，有源η或ρ半导体(或有源ρ或η半导 体)根据基准与源极和漏极区重叠7-沟道区，其半导体类型与对应于图1中的基准的半导体的沟道互补，其中，如果 其为η型，则该互补将是ρ型，或反之亦然。图8是非密封CMOS场效应器件的示意图，其中，在沉积材料与被用作电介质的两 个纸张表面之间设置两个自适应层，并且其中，有源η或P型半导体(或有源P或η半导 体)相互间隔开IOOnm与1000 μ m之间的距离，并且其根据基准与漏极和源极区重叠。
具体实施例方式本发明涉及具有不同重量和组成或具有生物有机成因的基于纤维素的纸张或纤 维素化合物的使用，其同时充当电介质或物理支撑体，引起单一或集成电子和光电子组件 的产生和必须被选择并控制以免损坏中介基板纸张的与这些新器件的制造相容的沉积工 艺的合适性。为此，在低于150摄氏度的温度下执行所有制造工艺，尤其是在纸张的表面上 发生的那些。本发明能够根据期望的特定应用具有不同的配置。本发明允许同时使用纸张作为 引起新电子器件的产生的不同类型的电子电路中的基板和电介质，所述新电子器件具有与 传统电子器件(即场效应电子器件)不同的功能。因此，本发明对应于新器件的产生，所述新器件呈现出新电子器件的一组创新特 征，即通过使用新的创新工艺，使得能够实现包括纸张的新产品和系统，所述纸张以电介质 纸张的异常高的每单位面积容量且由于形成纸张的纤维而具有基于它们的有源器件或集 成电路的物理支撑体和组件的双重功能。
A. 二极管结处理图1和2是称为MIS结构的金属绝缘体半导体的二极管的图示。在图1中，不存 在将沉积在纸张的两面上的材料界面的自适应层，而第二示例举例说明此类情况，除了金 属电极是基于简并半导体氧化物之外。在任何情况下，有源半导体可以是有机或无机共价 或离子已知半导体。可以通过众所周知的物理、化学或物理-化学沉积技术来制造形成器 件的任何组件，诸如下文辨别的那些。所述器件的工作原理是基于所谓的场效应，其中，在半导体中收集的电荷是施加 于称为栅电极的金属电极的电场的函数，且在半导体中流动的电流是纸张的每单位面积容 量的函数，这是如何分布并接合纤维的结果。B. MIS结制造工艺在第一步骤中，与所使用的纸张的类型和重量无关，必须制备并调节表面，将纹理 考虑在内并意图制造连续膜。这通过以下各项来实现a)通过使纸张的表面经受UV处理达10分钟；b)或者通过使纸张的两个表面经受真空处理，该真空处理由使表面在沉积之前使 用0. 1 3WcnT2之间的功率密度在1 10-2 之间的压力下在氩气、氮气或氙气氛中使表 面经受dc或RF放电达5分钟组成；c)或者，通过沉积钝化膜-其可以由陶瓷、氧化或氮化物或氟化物制成-具有在 2 200nm范围内的厚度；d)或者通过用氮气/氢气射流来清洁表面，以便去除自由纳米颗粒并激活表面 (是氮气混合物中的氢气的功能)。一旦已制备了表面，则将其转移到其中将根据预定的动作发生各种生产步骤的环 境i)为了处理在图1和2中用附图标记3表示的金属电极，其由通过任何以下技术 产生的诸如P点等无机金属或导电氧化物材料或有机材料的沉积组成I)使用在KT3Pa以下的真空压力的真空中的热电阻性或电子枪蒸发工艺和其中 通过冷却来控制基板温度的系统。要使用的最小厚度约为lOnm。可以以连续的形式(卷到 卷)实现并执行此工艺。II)氩气氛中、用受控的基板温度(冷却)、用IPa与KT1I^a之间的真空压力的磁 控管辅助阴极溅射(DC或RF)，并且其中，基板靶距离可以根据目标和要沉积的纸张的尺寸 在5cm与15cm之间改变。III)从包含有机或无机组分的化学溶液进行的喷墨印刷，其中，沉积材料的最小 厚度为lOnm。IV)具有达到400nm的厚度的包含要沉积的元素的化学溶液的化学乳状液的迅速散布。ii)为了处理在图1和2中用号码1参考的有机或无机离子或共价有源半导体，使 用以下技术中的一种V)以不同的组成和纯度级别，使用活性气氛和金属靶或活性或非活性气氛和陶瓷 靶的磁控管辅助阴极溅射(DC或RF)。要使用的真空压力可以在IPa与KT1 1 之间变化， 并且氧分压可以在与之间变化；其中，靶基板距离在5cm与15cm之间变化，取决于要使用的靶的尺寸和要沉积的纸张的尺寸。要使用的厚度为10 5000nm。VI)在前文针对此技术描述的工艺之后，由包含要沉积的金属元素的陶瓷/氧化 物材料通过电阻性或电子枪方法在真空中进行的热蒸发，并且，在KT3Pa以下的真空压力 下执行其工艺。要使用的厚度约为10 20000nm。VII)射频等离子体-或UHF-辅助化学汽相分解。在这种情况下，要沉积的元素采 取气态形式。例如，在硅沉积的情况下，其采取硅烷的形式并使用在0. 03 2Wcm_2之间的 功率密度和在13. 56MHz与60MHz之间的激励频率在10 200Pa范围内的压力下通过RF 放电被分解。优选半导体的有用厚度在20 SOOOnm范围内。VIII)从包含有机或无机组分的化学溶液进行的喷墨印刷，其中，沉积材料的最小 厚度是20 5000nm。IX)包含要沉积的元素的化学溶液的迅速散布，其中，沉积材料的厚度将是20 20000nm。iii)为了处理在图1和2中用附图标记4参考的自适应层或在图1和2中用附图 标记6参考的封装层，在第ii)项中指示要使用的制造工艺，使用相同类型的材料，但现在 具有比有源半导体所显示的电阻率更具有电阻性至少3个数量级，无论其可能是什么。C.场效应晶体管的处理本节描述在界面处有或没有自适应层的密封或非密封η或ρ型场效应晶体管的处 理，如图3至6所示，其在增强或耗尽模式下工作，即可以有或可以没有向栅电极施加电压 以便出于ON状态或放大状态的需要。此功能是切换到信息地址或放大电路的关键，并且还 充当信号传导电路，其中，在半导体中循环的电流取决于中介基板纸张的每单位面积的电 荷和离子电荷容量，该容量取决于纤维如何分布。图3至6是具有不同类型的界面钝化或 自适应的场效应晶体管的示意图。在图3至6中用号码1参考的将被用作有源共价ρ型或η型半导体以用于沟道 区处理的材料主要是基于掺杂或非掺杂硅或离子氧化物，诸如氧化锌、熔到铝的氧化锌、熔 到氟化物的氧化锡、氧化铜、或氧化镉或氧化银、或氧化银、或铟和钼的化合物合金、或铟和 锡的化合物合金、或铟和锌的化合物合金、或锌和镓的化合物合金、锌和镓和铟的化合物合 金、锌和银和铟的化合物合金、或铟和锌和锆的化合物合金、或铟锌和铜的化合物合金、或 铟和锌和镉的化合物合金、或铟和锌和锡的化合物合金、镓和锡和锌的化合物合金、或铟和 锌和钼的化合物合金、或二氧化铪或钛或氧化铝或钽的化合物合金、或氧化物，其组成在其 组分的0. 1 %至99. 9%之间变化，显示出在IO11 10° Ω cm之间的电阻率，是在制造工艺期 间使用的组成和氧分压的函数。要使用的技术工艺是在A ii)中描述的那些。漏极和源极 区的有用厚度在2 20000nm范围内。为了处理在图3至6中用号码5参考的漏极区的处理，需要使用与先前所述相同 的半导体，但具有较低的电阻率，在10° 10_6Qcm之间，使用前述的相同技术。沟道区的 有用厚度在2 20000nm之间变化。要使用的封装、自适应和钝化层与在A中所述的那些相同。D-CMOS器件处理本文所述的示例由两个场效应晶体管的使用组成，一个是η类型，在增强模式下 工作，如图7和8通过附图标记1所示，另一个是ρ型，充当动态电荷，由附图标记7指示， 根据前述技术产生，其中，两个晶体管的活性区的间隔可以在IOOnm与100 μ m之间变化，有或没有由纤维组成的纸张的一个或两个表面的钝化层，所述纤维确定所述纸张的容量且对 应于称为CMOS的器件的制造。在此类电路中，两个晶体管从不同时处于ON状态，允许其在 数字电路的构思和逻辑门的构思中使用。很显然，这些器件和半导体电路的实现及其前述应用仅仅是主要为了更好地理解 本发明的原理而确立的可能的实现示例。在基本上不脱离本发明的精神和原理的情况下， 可以对以上实现进行变更和修改。所有这些修改和变更必须被包括在本公开和本发明的范 围内，并受到本发明的权利要求的保护。实现当前可以开始使用由本发明创新的使用得到的器件和集成电路的主要行业是整 个电子行业、半导体行业、平板屏幕行业、逻辑电路行业、仪器和传感器行业、医学和生物工 艺行业、光电子工业、和微电子和纳米电子行业。基于本发明的器件意图用于在基于场效应 器件的所有电子装置中的直接应用，以充当开关或放大器，其可以包括用于信息取向的电 路(驱动器)、用于平板屏幕的寻址矩阵、逻辑电路的构思、即反相器逻辑门、或(AND或OR) 型逻辑门、及其互补形式(NAND和NOR)、环形振荡器、异构结的制造，即MIS 二极管和CMOS 器件；在仪表行业中；在医学和/或食品行业中，作为开关控制电路和信令电路的关键元 件；国防工业，应用于秘密设计、不可见显示器等等。本发明旨在使用简单且廉价的处理技术来开发一种产品，该产品使用纸张同时作 为意图制造的器件和集成系统的物理和电介质支撑体，这暗示着利用符合低温下的纤维素 或生物有机纸张的两面上的薄膜的处理的处理技术。另一方面，要求的制造工艺过程与在电子行业中、在光电子行业中、或在半导体行 业中已存在的那些相容，即用于大面积的阴极溅射工艺、或热蒸发或溶胶-凝胶或喷墨工 艺，因此不要求研究和匹配技术方面的高额投资。由本发明提供的技术优点允许纸张的动态方式且不仅仅是静态方式的有源使用， 充当由其产生的电子器件的基板和组件。虽然已经详细描述了由本发明提供的优选实现，但应理解的是在不脱离本发明的 范围的情况下可以进行许多变更、替换和修改，即使不是上文所识别的所有优点都存在。本 文所提出的实现举例说明了可以以多种不同方式实现并合并的本发明，并且其落入本发明 的范围内。并且，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将在可能的实现中被描述并示为不 同或单独的技术、构造、元件、以及工艺组合或与其它技术、构造、元件、以及工艺集成。虽然 已在多个实施例中描述了本发明，仍可以根据本发明的实现范围对其进行修改。本领域的 技术人员可容易地确定变更、替换、以及修改的其它示例，并且可以在不脱离本发明的精神 和范围的情况下引入。
权利要求
1.一种场效应电子或光电子器件的制造工艺，其特征在于其包括作为所述器件的物理 支撑体和电介质O)的天然、合成或混合薄膜(2)，由此允许器件是可自支持的。
2.根据前述权利要求所述的工艺，其特征在于所述薄膜( 包括在下文中称为纤维素 材料或生物有机纸张的天然、合成或混合纤维素材料。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于其包括有机或无机的一个或数个附加 组件，其具有金属(3、5)、半导体(1)、绝缘体(6)或自适应层(4)的电特性，采取单个结构、 组成串联结构或多层结构，以便实现有源器件，即二极管结或晶体管，或者特别地为两个、 三个或四个混合端子的器件。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其在沉积最终器件的任何其它组件或部分 之前向所述纤维素材料或生物有机纸张施加钝化或自适应层(4)。
5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于意图沉积的所述钝化或自适应层(4)包括 高电阻性电介质材料，特别地具有达到2000nm的厚度。
6.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其在接近于室温的温度下包括所述组件并 在于可以对其进行退火达到150摄氏度。
7.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其包括借助于一种或更多种方法进行的组 件沉积真空中的电阻性热蒸发或真空中的通过电子枪的电阻性热蒸发；DC或射频或超高 频的磁控管辅助或非辅助阴极溅射；通过射频等离子体或超高频的辅助或非辅助化学汽相 分解；经由喷墨或化学乳化。
8.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其在沉积于纸张上的材料上通过使用遮蔽 掩模或直接写入在生产工艺之前或之后沉积薄膜，遵循根据在保护树脂上图案化或铭刻的 所选图画或设计的图案。
9.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其沉积包括高导电性的有机或无机材料、 金属材料或半导体氧化物的具有达到IOym的厚度的一个或更多个导电组件(3、5)。
10.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其沉积包括共价无机材料、单一离子材料、多化合物材料或有机材料的具有2nm与20 μ m之间的厚度的一个或更多个半导体组件 ⑴。
11.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于其用具有达到IOym的厚度的电介质(6) 封装最终器件。
12.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于所述纤维素材料或生物有机纸张( 是从 通过再生、溶解技术、或其组合产生的天然或合成或混合纤维素纤维获得的，具有控制永久 性离子和电负性程度的可操作能力。
13.一种电子或光电子场效应器件，其特征在于其包括天然、合成或混合薄膜( 作为 所述器件的物理支撑体和电介质O)，将器件变成可自支持的。
14.根据前述权利要求所述的器件，其中，薄膜( 包括纤维素材料或生物有机纸张。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的器件，其特征在于其还包括有机或无机成因 的一个或更多个组件，至少具有金属(3、5)、半导体(1)、绝缘体(6)或自适应层(4)的电特 性，采取单个结构、组成串联结构或多层结构，以便实现有源器件，即二极管、晶体管、或两 个、三个或四个混合端子的器件。
16.根据权利要求15所述的器件，其特征在于其包括直接在所述纤维素材料或生物有机纸张上的钝化或自适应层G)。
17.根据权利要求16所述的器件，其特征在于所述钝化或自适应层(4)包括特别地具 有达到20000nm的厚度的高电阻率的电介质材料。
18.根据权利要求15所述的器件，其特征在于所述一个更多个导电组件(3、幻包括高 导电性的有机或无机材料、金属材料或半导体氧化物，具有达到IOym的厚度。
19.根据权利要求15所述的器件，其特征在于所述一个更多个半导体组件(1)包括共 价无机材料、单一离子材料、多化合物离子材料或有机材料，具有2nm与20μπι之间的至少 一个厚度。
20.根据权利要求15所述的器件，其特征在于用具有达到10μ m的厚度的电介质(6) 来封装最终器件。
21.根据权利要求15所述的器件，其特征在于其包括充当电介质O)的纸张组件的部 分；沉积在由有源有机或无机离子或共价半导体组成的纤维上的离散沟道区；由具有连续 结构或互连岛的导电氧化物或金属组成的漏极、源极和栅极区。
22.根据权利要求15所述的器件，其特征在于其由金属电极类型(3)-纸张O)-半 导体(1)的结构组成，其中，纤维素或生物有机纸张( 充当电介质材料，其每单位面积的 电荷容量是纤维分布和纤维如何在不同的机械紧凑平面中相互关联的函数，漏极、源极(5) 区和栅电极(3)中的组件是或不是透明金属，并且半导体是沟道组件。
23.根据权利要求15所述的器件，其特征在于所述器件采取能够从ON状态切换到OFF 状态或将电和电子信号放大的P型或η型场效应晶体管的形状，高度取决于与纸张相关且 优选地与组成纸张的纤维的关联性相关的每单位面积的电荷容量。
24.根据前述权利要求所述的器件，其特征在于所述器件的有源半导体层具有两个沉 积的高导电性材料，在电导率方面基本上是相等的并以在Inm至1000 μ m范围内的距离相 互分离，分别称为漏极和源极区(5)，并且其允许纸张的介电常数通过其组件的有效互连。
25.根据前述权利要求所述的器件，其特征在于漏极和源极区(5)由有机半导体、无 机共价或离子半导体组成，其呈现出比沉积在纸张上的半导体材料高至少三个数量级的电 导率，并且在其上面，已沉积称为沟道区(1)的这些半导体，具有在2nm与20 μ m范围内的 厚度，该厚度具有与形成纸张O)的纤维的厚度基本相同或较低的数量级，允许在与沟道区毗邻的区域中产生连续或半连续沉积，其被用作P或η型场效应晶体管的漏极和源极区 ⑶。
26.根据前述权利要求15所述的器件，其特征在于所述沟道区(1)由有机、无机离子或 共价P或η型半导体组成，采取离散或连续形式，相隔在Inm至1000 μ m范围内的距离并具 有在2nm至20 μ m范围内的厚度，其中，该厚度具有与形成有机纸张O)的纤维相同或较低 的数量级，具有比用来形成漏极和源极区(5)的材料低至少三个数量级的电导率。
27.根据前述权利要求所述的器件，其特征在于ρ或η型晶体管在不要求向栅电极施加 任何电信号电压的情况下处于ON状态，用于根据形成纸张的纤维中的每单位面积积聚的 电荷信号来切换关键模式或用于电子信号的放大模式。
28.根据权利要求15所述的器件，其特征在于用两个互补ρ型和η型半导体(1、7)或 η型和ρ型半导体来代替意图在纸张上使用的有源半导体，所述两个互补ρ型和η型半导体 并置，相互间隔开在IOOnm与100 μ m范围内的距离。
29.根据前述权利要求所述的器件，其特征在于要沉积在纸张上的两个半导体通过被 用作充当公共电极的每个的漏极和源极(5)的相同材料来相互接合。
30.根据权利要求14所述的器件，其特征在于所述纤维素材料或生物有机纸张(2)包 括通过再生、溶解或混合技术产生的天然纤维素纤维、合成或混合纤维，能够控制永久性离 子和电负性程度。
全文摘要
本公开的实施例涉及使用并产生天然纤维素材料、合成或混合纤维(以下称为纸张)及相应生产工艺，其将同时用作产生称为CMOS结构电子器件的新场效应电子或光电子效应时的物理和电介质支撑体，该器件的电子纸张现在称为中介基板，其中，其功能取决于集聚电子和离子电荷的纸张的每单位面积上的电荷容量，所述每单位面积的容量取决于形成纤维沿纸张表面和厚度如何分布和压实，以及接近最上表面的纤维如何被涂敷有源离子或共价半导体并允许基于整体或混合类型的新的集成中介基板构思来产生柔性可自支持器件、可任意处理的器件。
文档编号H01L51/05GK102047461SQ200980109925
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者E·M·考里亚·弗图纳托, R·费拉奥·德·帕伊瓦·马丁斯 申请人:科学与技术学院里斯本新大学