[发明专利]基于有机材料的二极管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件，具体涉及基于有机材料的二极管。

背景技术

对于任何二极管，整流比(rectification ratio)都是关键特性之一，整流比是在大小相同、极性相反的电压下，沿导通方向的电流与沿截止方向的电流之比。

二极管(例如肖特基型二极管)的整流特性对于具有交叉棒(cross-bar)架构的无源(即不受放大)的半导体器件而言尤其重要，交叉棒架构目前对于基于有机材料的电子器件而言是最受欢迎的架构。在以交叉棒架构布置了合适数目和密度的交叉点的无源器件中，阵列的交叉点处设置的每个二极管必须具有电流整流功能，以确保对于所有的个体二极管进行毫无疑义的寻址。如果电流整流的能力不足，那么交叉棒架构的不同行列之间的串扰将会太大，并对于器件的正确功能造成不利影响。

对于10Mb的交叉棒器件，Scott等人计算出每个交叉点需要超过1∶10⁸的整流比[1]。整流比的这种量级是难以通过有机电子器件中通常所用的标准类型二极管来实现的。标准的有机材料二极管基于半导体有机材料与金属之间形成的肖特基型势垒，从而使得对于n型导通的有机材料而言，金属的功函数显著不同于最高已占分子轨道(HOMO)，或对于p型导通的有机材料而言，金属的功函数显著不同于最低未占分子轨道(LUMO)。

Lee等人展示了由CoFeB与Ge之间的超薄MgO层对自旋二极管的接触电阻和肖特基势垒的高度进行调制[2]。尽管MgO层提高了肖特基二极管的电流整流比，但是观察到将MgO层沉积在半导体与金属之间能造成费米能级的脱钉(depinning)，从而提高肖特基势垒高度。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种基于有机材料的二极管，该二极管与传统的基于有机材料的二极管相比具有更强的整流比，并且具有下述结构：该结构使得在二极管的制造过程中能够减少对于有机材料的不利影响。

该目的是通过包含权利要求1的特征的半导体器件以及通过包含权利要求8的特征的形成半导体器件的方法来实现的。

本发明的半导体器件包括：带有第一电极的衬底，该衬底具有有机材料层，有机材料层被沉积在衬底和电极的上方；以及第二电极，第二电极被沉积在有机材料层的上方，其中，第二电极包括电介质层，电介质层与有机材料层由第二电极的材料分开。

通过在有机材料与第二电极的至少部分之间设置电介质层，能够使二极管的整流比显著地增强一个或几个数量级。由于电介质层不与有机材料直接接触，而是与有机材料由金属层分开，所以在电介质材料的沉积过程中能够避免有机材料受到破坏，这种破坏可能由用于沉积电介质层的等离子体的刻蚀效果造成，或者由电介质层的材料向有机材料中的扩散造成。在原理上，任何电介质材料都可以用于该电介质层。电介质材料的示例包括二氧化硅(SiO₂)、一氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)、氧氮化硅(SiON)、TEOS、FTEOS，但不限于这些材料。对于该有机材料，任何半导体有机材料都可以。但是，HOMO/LUMO能级应当与电极材料匹配以使得器件产生有效的二极管行为。有机半导体材料的示例包括聚噻吩、聚对苯撑、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、蒽、并五苯，但不限于这些材料。

根据一种优选实施例，第二电极包括三个层，其中，电介质层夹在两个金属层之间。在这两个金属层中，金属可以相同。根据另一种实施例，这两个金属层由不同的材料组成。合适的材料包括金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、铂(Pt)和其他的金属，以及它们的合金。第二电极(或上层金属)可以用作二极管的顶部电极，给二极管提供电触点。

根据一种优选实施例，电介质层包括范围在0.5nm到10nm之间的厚度，包括0.5nm、1.0nm、2.5nm、5.0nm、7.5nm和10nm的示例厚度。优选地，电介质层的厚度被选择成使电子能够以隧穿方式穿越该厚度，但厚到足以防止经过该电介质层的电击穿。优选地，电介质层自身不具有任何整流特性，而是用作隧穿势垒。这实现器件整流比的增大。

根据本发明的另一实施例，器件在衬底与第一电极(或有机材料层)之间包括绝缘层。该绝缘层可以是二氧化硅(SiO₂)。但是其他电介质材料也可以是合适的。绝缘层可以以热方式生长，或者也可以通过沉积处理(例如CVD)来沉积。根据另一种实施例，可以提供由绝缘材料形成的衬底，而不是设有绝缘层的衬底。