一种具有漏场板结构的有机半导体功率器件

本发明属于功率半导体分立器件设计与制造领域，具体的是涉及一种具有漏场板结构的有机半导体功率器件。

背景技术：

1、有机半导体器件相对于传统的无机半导体器件来讲具有一系列独特的特性，如低成本制备、轻薄灵活性、可印刷性等，在柔性传感器、柔性显示器、柔性存储器等领域都受到广泛的研究，然而在功率器件的应用上尤其是结终端技术的改良方案匮乏，结终端技术是通过缓解或者避免电场集中效应而提高耐压的技术，器件耐压性能一般由器件的击穿电压决定。有机半导体器件在高压和高功率应用方面面临一些挑战，在这种情况下，电场的管理变得至关重要，因为高电场可能导致器件的击穿和不稳定性。因此，有必要寻找方法来提高有机功率半导体器件的电场控制性能，以实现更高的耐压性和稳定性。

2、对于功率器件来讲，局部电场过高会导致器件发生击穿，为了调高器件的击穿电压，常用的电场均匀化技术有三种，分别为基于电荷、电势和电容的三种驱动机制，这三种技术都可以调节器件内部的电场分布，优化电场提高耐压性能。其中，场板技术是一种电势驱动电场调制技术，其核心是通过改变漂移区表面电场或者在表面施加外加电势，从而调制漂移区内部的电场分布。场板结构因其制备工艺简单，已经被使用在硅基、碳化硅、氮化镓等无机功率器件中。而在有机功率半导体器件中引入场板技术，需要考虑器件制备时工艺的精度，一方面提高精度有利于控制场板的具体位置和长度设置，另一方面需要精确控制刻蚀栅极介质层和有机半导体的厚度。例如，本课题组在先申请的专利文献cn116347898 a公开了一种具有金属场板的共聚物有机半导体功率器件，公开功率器件采用的是浮空场板，其在一定程度上能够实现调节和控制器件本体在横向漂移区表面或界面的电场分布，从而提高器件耐压性能，但是其提升幅度有限。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对有机功率器件结终端技术匮乏、耐压技术薄弱的问题；提供一种具有漏场板(drain field plate)结构的有机半导体功率器件dfp-ofet，该具有漏场板的有机半导体功率器件通过在器件横向漂移区上方加入与漏电极相连的场板，使得在器件工作在关态时，能够均匀电场，降低电场峰值，提高器件的耐压性能；在器件工作在开态时，可以提高载流子浓度，从而提高器件的饱和电流和开关比。此外，漏场板与漏端相连，无需额外对漏场板进行供电。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种具有漏场板结构的有机半导体功率器件，包括衬底、有机半导体层、栅极介质层、栅极电极、漏场板、通孔、源电极和漏电极；位于栅极电极和漏电极之间的有机半导体层形成横向漂移区，漏场板采用金属材质，所述通孔连接漏电极与漏场板，且通孔的左右两端不超出漏电极的左右两端；所述通孔是先使用光刻工艺对所需刻蚀的部分进行图案化，再使用刻蚀工艺成孔，最后借助未剥离的光刻胶使用蒸镀工艺填充金属材料形成；所述漏场板与栅极位于器件的同一层，所述漏场板形状的可以为矩形、条形、圆形、锯齿形场板中的一种；如图7所示为具有漏场板的顶栅底接触结构的横向有机功率场效应晶体管的截面示意图，如图8所示为具有漏场板的底栅顶接触结构的横向有机功率场效应晶体管的截面示意图，本发明设计的漏场板结构适用于上述顶栅底接触结构和底栅顶接触结构的横向有机功率场效应晶体管，即栅极和源漏电极分布在栅极介质层5和半导体层4的两侧的器件中，以下简称为即交错型结构的横向有机功率场效应晶体管，这两种交错型结构的横向有机功率场效应晶体管中，从器件的截面上来看，所述漏场板8与漏电极2在竖直方向重叠但不重合，漏场板8靠近栅极7一侧的边界与栅电极7之间保留一定间距；漂移区9为栅电极7右侧边界与漏电极2左侧边界之前的有机半导体层4区域即源电极3和漏电极2之间在竖直方向上未被栅极覆盖的区域；漏场板的长度小于所述横向漂移区的长度；所述漏场板8与漏电极2通过通孔6相连，无需额外对漏场板进行供电。

4、本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上方”、“下方”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

5、发明中器件工作在关态时，漏场板的设计能够均匀电场，降低电场峰值，提高器件的耐压性能。以横向无机功率器件为例来说，横向无机功率器件的源漏栅电极都在器件的上表面，场板可以直接制作在栅极介质层上方，但对于有机器件来说，顶栅底接触、底栅顶接触结构的栅极和源漏电极均不在同一表面，因此，本技术所述漏场板结构是使用通孔技术将电极同时引到一个表面；当器件工作在关态耐压时，漏电极处于高电压状态，在栅极靠近漏电极的一侧会产生一个逐渐扩展的耗尽区，该区域中的电子被耗尽留下带正电的固定电荷。耗尽区的正电中心会产生由正电中心出发指向低电位栅电极的电力线，在栅电极漏侧边缘产生电力线集聚效应，形成电场峰值，栅极边缘的电场峰值过高会引起器件击穿失效，当器件全耗尽时，漏端也会出现电场峰值，从而导致器件失效，漏场板的使用会在栅极介质层表面引入正的高电势，其对电场分布的调制作用可以等效为在栅极介质层表面引入正电荷。等效正电荷产生的横向电场会与原来漏电极处的电场方向相反，削弱了原有的漏电极电场峰值，场板中间部分正电荷产生的横向电场几乎抵消可以忽略不记，产生的横向电场会在场板边缘叠加从而引入一个新的电场峰值。

6、本发明中的器件结构尤其适用于需要较大击穿电压的器件，对于没有场板结构的器件，为了得到更大的击穿电压可以适当增加漂移区长度，但是一味的增加漂移区长度并不能一直提升击穿电压，当漂移区上电场能全耗尽后，击穿电压就不随漂移区长度的继续增大而增大，并且漂移区过大会引入过大的导通电阻，导致器件在开启状态时电流过小，无法正常工作。但如果添加了漏场板结构，在开态下工作时，场板下方的栅极介质层也可以感应出电荷，增强了沟道的导电能力，使得器件既能提高击穿电压也可以正常工作。

7、本发明中的器件场板与漏端相连，无需额外对场板进行供电，在开态下可以增强沟道的导电能力，在关态下可以更好的调制漂移区内部电场。现有的浮空场板不带电，对沟道内载流子的控制能力较弱，对击穿电压的提升效果较弱。

8、所述源电极、漏电极、栅极、漏场板的制备所采用的光刻工艺包括紫外光刻或深紫外光刻中的任意一种；所述刻蚀工艺包括rie、icp、ibe、plasma刻蚀技术中的任意一种。所述衬底的材料为玻璃基板、柔性塑料、soi、硅片、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟或锗硅材料中的任意一种。所述栅极介质层的材料为无机绝缘材料sio2、hfo2、aln、al2o3或zro2中的任意一种。所述有机半导体层的材料为有机物p3ht、dppt-tt、n2200或并五苯中的任意一种。栅极电极、源电极、漏电极、漏场板的材料和通孔的填充材料均独立的选自金、银、铜、铝、镍、钛、多晶硅、石墨电极中的任意一种。所述栅极介质层采用pecvd制备，有机半导体层采用旋涂法、喷墨法、刮涂法、提拉法中的任意一种方式制备。

9、第二方面，本发明还提供了上述具有漏场板结构的有机半导体功率器件的一种较佳的制备方法，所述制备方法包括步骤：

10、步骤s1，清洗衬底：轻轻用氮气吹去衬底表面的颗粒或尘埃，将衬底依次浸泡在去离子水和酒精中，使用超声波清洗，之后使用氮气吹干衬底，最后在纯净环境中空气加热使之干燥，进一步，所述清洗步骤还包括：所述干燥后，使用异丙醇或丙酮，来去除任何有机残留物；

11、步骤s2，制作源、漏电极：在清洗好的衬底上旋涂光刻胶，使用光刻掩膜技术完成电极制备；

12、步骤s3，制作半导体层：将制备好源、漏电极的衬底吸附至旋涂仪上，将有机半导体材料旋涂至基板上；

13、步骤s4，栅极介质层的制作：使用pecvd生长栅极介质层。

14、步骤s5，刻蚀通孔：在生长好栅极介质层的器件上旋涂光刻胶，曝光出刻蚀的部分然后使用刻蚀机器刻蚀掉图案化部分的栅极介质层和半导体层；

15、步骤s6，填充通孔：借助步骤s5后未去除的光刻胶，然后将金属填充至通孔中，最后将光刻胶剥离；

16、步骤s7，栅电极以及漏场板制作：旋涂光刻胶，利用光刻掩膜技术蒸镀，同时蒸镀金属栅极和漏场板。

17、本发明具有如下有益效果：

18、在有机功率半导体器件中引入漏场板，通过适当的设计和布局，漏场板能够分散电场，减少电场集中，从而提高器件的耐压性，降低击穿概率，增加稳定性。此外，漏场板的厚度和形状可以根据器件的需求进行调整，以实现特定电场分布和性能目标。这种定制化的设计使得漏场板成为有机功率半导体器件中的一种非常有前景的技术，可用于提高这些器件的电场控制性能，同时保持有机半导体材料的优势，如低成本和灵活性。有机功率半导体器件和漏场板技术的结合可为高压和高功率应用提供新的解决方案，同时利用有机半导体材料的独特特性实现更高性能和更可持续的电子器件。本发明中的器件使用光刻工艺，可以有效控制器件沟道长度与漂移区长度，提高精度，减小器件尺寸，可适应大规模生产并且可以提高器件良品率。