DE10051369A1 - Polymeres Schaltelement - Google Patents

Polymeres Schaltelement

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Abstract

Beschrieben werden neue polymere Schaltelemente, umfassend DOLLAR A (i) eine löcherinjizierende Elektrode, DOLLAR A (ii) eine polymere Lochtransportschicht, DOLLAR A (iii) eine polymere Elektronentransportschicht und DOLLAR A (iv) eine elektroneninjizierende Elektrode.

Description

Die Erfindung betrifft ein polymeres Schaltelement zur Ver­ wendung als Transistor oder Diode.
Eine elektronische Schlüsselkomponente in der Informations­ technik stellt der Transistor dar. Herkömmliche Dioden und Transistoren bestehen aus anorganischen Materialien und sind an die Halbleitertechnologie gebunden, wodurch das Eigen­ schaftsprofil dieser Bauelemente auf natürliche Weise be­ grenzt ist. Halbleiterdioden und Transistoren lassen sich in viele Typen und Klassen einteilen.
Bei den Transistoren unterscheidet man bipolare und unipolare Transistoren, die völlig unterschiedlich aufgebaut sind. Als ein Beispiel für einen unipolaren Transistor sei hier der Feldeffekttransistor (FET) genannt, der im Grundaufbau aus einem halbleitenden Stromkanal besteht, dessen Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld beeinflußt wird. Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren trägt zum Ladungstransport bei den unipolaren Transistoren nur eine Ladungsträgerart bei.
Die bipolaren Transistoren haben u. a. in der Leistungselek­ tronik Einzug gehalten und arbeiten mit positiven und negati­ ven Ladungsträgern. Die gewünschten Ladungsträgerarten lassen sich durch Dotierung des Halbleitermaterials realisieren (vgl. K.-H. Rumpf und M. Pulvers, Transistor-Elektronik, Ver­ lag Technik, Berlin, 1982).
Neben der sprunghaften Entwicklung der Halbleitermaterialien in den letzten drei Jahrzehnten werden auch relativ lange schon organische Materialien hinsichtlich ihrer Halbleiterei­ genschaften analysiert. Als ein Vertreter ist das Antracen zu nennen, welches bereits in den 60er Jahren intensiv unter­ sucht wurde (vgl. W. Helfrich und W. G. Schneider, J. Chem. Phys. 44, 8 (1996) 2902).
In den vergangenen Jahren sind eine große Anzahl von For­ schungsergebnissen zu halbleitenden organischen Verbindungen veröffentlicht worden (vgl. G. Wegner, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 20 (1981) 361; G. Horowitz, Adv. Materials 10, 5 (1998) 365). Die meisten von diesen Verbindungen sind Dona­ tor-Akzeptor-Verbindungen, z. B. Tetrahiafulvalen-Tetracyano­ quinodimethan (TTF-TCNQ) und andere analoge Verbindungen (vgl. D. Jerome und H. J. Schultz, Adv. Phys. 31 (1982) 299; M. Narita und C. U. Pittmann, Jr. Synthesis 489 (1976)). Ver­ schiedene elektronische Bauteile, z. B. Schottky-Dioden und FETs, wurden mit organischen Verbindungen (z. B. Phthalocyani­ nen) (vgl. T. J. Marks, Science 227 (1985) 881) und Polymeren (z. B. Polythiophene) (vgl. A. J. Lovinger und Lewis J. Roth­ berg, J. Mater. Res. 11 (1996) 1581) aufgebaut.
Organische Feldeffkttransistoren (OFET) wurden 1987 das erste Mal beschrieben und haben in den letzten Jahren eine sprung­ hafte Entwicklung auf dem Gebiet der Materialentwicklung ge­ nommen. In den letzten Jahren wurden vor allem Untersuchungen an Oligothiophenen (α-nT mit 3 < n < 8), von denen das α-6T (vgl. G. Horowitz, D. Fichou und F. Garnier, Solid State Com­ mun. 70 (1989) 385) der bekannteste Vertreter mit der höch­ sten Mobilität der Ladungsträger unter den organischen Halbleitern ist, durchgeführt. Des weiteren werden aromatische Kohlenwasserstoffe, dessen bekanntester Vertreter das Penta­ cen ist, für diesen Anwendungszweck eingesetzt. Die auf Pen­ tacenen basierenden OFETs bestehen entweder aus Aufdampffil­ men (vgl. C. D. Dimitrikapoulos, A. R. Brown, A. Pomp, J. Appl. Phys. 80 (1996), 2501) oder werden durch Konversion aus einem löslichen Precursor-Molekül hergestellt (vgl. A. R. Brown, A. Pomp, C. M. Hart, D. de Leeuw, Science 270 (1995), 972). Die bisher existierenden, dem Stand der Technik zuzuordnenden Bauelemente haben die Nachteile, daß sie beim Aufbau sehr aufwendige Fertigungsverfahren erfordern. Dies läßt sich durch den Einsatz polymerer Materialien vermeiden.
Überdies ist es für viele elektronische Geräte wünschenswert, Dioden und Transistoren einzusetzen, die sich durch Robust­ heit, Leichtigkeit und Lichtdurchlässigkeit auszeichnen (vgl. M. C. Lonergan, Science 278 (1997) 2103). Diese Materialeigen­ schaften lassen sich durch den Einsatz von polymeren Werk­ stoffen realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Schaltelemente zur Verwendung als Diode oder Transistor bereitzustellen, die wesentlich einfacher als die des Stands der Technik herge­ stellt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist ein polymeres Schaltelement, um­ fassend
  • a) eine löcherinjizierende Elektrode,
  • b) eine polymere Lochtransportschicht,
  • c) eine polymere Elektronentransportschicht und
  • d) eine elektroneninjizierende Elektrode.
Als polymere Materialien für den Lochtransport eignen sich halbleitende Polymere.
In dem erfindungsgemäßen Schaltelement werden vorzugsweise unsubstituierte (Wessling, R. A., J. Polym. Sci. Polym. Symp. 72, 1986, 55) oder substituierte (Becker, H., Spreitzer, H., Ibrom, K., Kreuder, W., Macromolecules V, 32, 1999, 4925) Po­ ly-p-phenylenvinylene (PPV), konjugierte Poly-p-phenylen (PPP)-Leiterpolymere (Schlüter, A.-D., Wegner G., Acta Poly­ merica 44, 1993, 59), Polyvinylcarbazole(PVCar) (Kido J., Hongawa, K., Okuyuma K., Katsutoshi, N., Appl. Phys. Lett. 63, 1993, 19), Polyfluorene (Grell, M., Bradley, D. D. C., In­ basekeran, M., Woo, E. P., Adv. Mater. 9, 1997, 798), thian­ threnhaltige Hauptkettenpolymere (Friedrich, R., Janietz, S., Wedel, A., Macromolecules V, 200, 1999, 731) und Polythiophe­ ne (Mao, H., Xu, B., Holdcraft, S., Macromolecules 25, 1992, 554) eingesetzt.
Als Elektronentransportschichten werden in dem erfindungsge­ mäßen polymeren Schaltelement Materialien verwendet, die überwiegend Elektronentransport aufweisen (n-Material).
Vorzugsweise umfaßt die Elektronentransportschicht substitu­ ierte oder unsubstituierte aromatische Polyoxadiazole (DE 198 40 195 C1, 3. September 1998), aromatische Polyquinoxali­ ne (Agrawal, A. K., Jenecke, S. A., Macromolecules 26, 1993, 895), Polychinoline (Zhang, X., Shetty, A. S., Jeschke, S. A., Acta Polymerica 49, 1998, 52) und Polybenzbisthiazole (Jenek­ ke, S. A., Johnson, P. D., Macromolecules 23, 1990, 4419).
Solche Polyoxadiazole sind der DE 198 40 195 C1 vom 3. Sep­ tember 1998 beschrieben.
Als besonders zweckmäßig erweist sich die Verwendung von Po­ lyimid (PTPA) mit Thianthreneinheiten der folgenden allgemei­ nen Formel
worin n eine ganze Zahl von 10 bis 1000, vorzugsweise 20 bis 30, bedeutet.
Seine Herstellung ist in S. Janietz, A. Wedel, R. Friedrich, S. Anlauf, Pol. Prepr., 40, 1999, 1219 beschrieben. Es han­ delt sich hierbei um sogenanntes p-leitendes Polymermaterial, das löcherleitenden Charakter aufweist. Als Material, das überwiegend Elektronentransport aufweist, d. h. sogenanntes n-Material, wird vorzugsweise ein lösliches 2,5-Dialkoxy­ substituiertes Poly(phenyl-1,3,4-oxadiazol) (PODX) verwendet. Die Alkoxygruppe weist dabei 1 bis 18, vorzugsweise 16, Koh­ lenstoffatome auf.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines 2,5-Dialkoxy­ substituierten Poly(phenyl-1,3-4-oxadiazols) der Formel
worin n für eine ganze Zahl von 100 bis 1000, bevorzugt 300 bis 700, steht.
Seine Herstellung ist in der DE 198 40 195 C1 beschrieben.
Die einzelnen Schichten des polymeren Schaltelements können aus den vorgenannten polymeren Materialien bestehen oder ge­ mäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Polymer­ matrizen, die gegebenenfalls dotiert sein können, eingearbei­ tet werden.
Geeignete Polymermatrizen, welche die vorgenannten polymeren Verbindungen als Gastmaterialien enthalten können, sind bei­ spielsweise Polymethylmethacrylate (PMMA) oder Polycarbonate (PC).
In dem erfindungsgemäßen polymeren Schaltelement sind diese Schichten und Schichtsysteme so anzuordnen, daß, ausgehend von der löcherinjizierenden Elektrode, zunächst die Loch­ transportschicht und dann die Elektronentransportschicht prä­ pariert wird. Danach erfolgt die Aufbringung einer elektro­ neninjizierenden Elektrode (vgl. A. R. Brown, A. Pomp, C. M. Hart, D. de Leeuw, Science 270 (1995), 972).
Die Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau des erfindungs­ gemäßen polymeren Schaltelements. Hierin bedeutet (1) das Trägermaterial, (2) die Elektroden, (3) eine polymere Zwi­ schenschicht zur Anpassung der Injektionsbarrieren an die po­ lymeren Scichten, (4) die Schicht mit löcherleitendem Charak­ ter (p-Material) und (5) die Schicht mit Elektronentransport­ charakter (n-Material).
Das erfindungsgemäße polymere Schaltelement kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch eine der folgen­ den Schichtanordnungen aufweisen:
  • a) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei p-leitenden Materialien, beispielsweise PTPA/PODX/PTPA
  • b) p-leitendes Polymermaterial zwischen zwei n-leitenden Materialien, beispielsweise PODX/PTPA/PODX
  • c) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei leitfähigen Elektroden, beispielsweise BAYTRON®/PODX/BAYTRON®
  • d) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei p-leitenden Materialien auf leitfähiger Elektrode,
sowie BAYTRON®/PTPA/PODX/PTPA.
Neben dem oben erwähnten n-leitenden bzw. p-leitenden Poly­ mermaterial weist das erfindungsgemäße polymere Schaltelement löcherinjizierende und elektroneninjizierende Elektroden auf. Als löcherinjizierende Elektrode eignen sich u. a. Materiali­ en, die eine hohe Austrittsarbeit (< 4,5 eV) besitzen. Dazu zählen u. a. Gold, Platin und Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Schich­ ten. Die ITO-Schichten müssen durch spezielle Aufdampverfah­ ren (RF-Sputtern) so ausgeführt werden, daß sie sowohl eine hohe optische Transparenz (< 80%) als auch eine hohe Leitfä­ higkeit (< 1 kΩ/) besitzen. Die typischen Schichtdicken müssen deshalb zwischen 80 und 150 nm liegen.
Als elektroneninjizierende Elektroden eignen sich Materialien mit geringer Austrittsarbeit, z. B. Calcium, Aluminium, Mi­ schungen aus Magnesium und Aluminium und Magnesium und Indi­ um. Die Schichtdicken dieser Elektrode liegen im Bereich von 500 nm bis 1 µm.
Die Herstellung solcher elektroneninjizierender Elektroden ist beispielsweise in Adachi, Ch., Tetsuo, T. und Shogo, S., Appl. Phys. Lett. 55 (1989) 15, 1489 beschrieben.
Nach Präparation dieser Schichten und Schichtsysteme weisen diese einen oder mehrere p-n-Übergang/p-n-Übergänge auf, der/die in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung sowohl in Flußrichtung betrieben als auch in Sperrichtung geschaltet werden kann/können.
Die Elektroden werden dabei an den Grenzflächen der Materia­ lien untereinander und an den begrenzenden Schichten ange­ bracht. Dabei ist es zweckmäßig, eine polymere Zwischen­ schicht zu verwenden, welche zur Anpassung der Injektionsbar­ rieren an die polymeren Schichten dient. Eine solche polymere Zwischenschicht (3) ist in Fig. 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform befindet sich die polymere Zwischenschicht zwischen dem Elektrodenmaterial (2) und der Schicht mit lö­ cherleitendem Charkater (p-Material) (4).
Die polymere Zwischenschicht kann aus einem leitfähigen Poly­ mer bestehen (z. B. Polyethylendioxythiophen) und aus handels­ üblichen Materialien hergestellt werden. Als zweckmäßig er­ weist sich die Verwendung von BAYTRON® der Firma Bayer AG, Leverkusen.
Die erfindungsgemäßen polymeren Schaltelemente weisen gegen­ über den im Stand der Technik bekannten Schaltelementen, wel­ che anorganische Komponenten umfassen, den Vorteil auf, daß sie besser verarbeitbar sind und eine deutlich erhöhte Formgebbarkeit aufweisen.
Des weiteren sind die polymeren Schaltelemente kostengünsti­ ger unter umweltgerechten Prozeßbedingungen herstellbar. Die Erfindung kann auf dem Gebiet der elektronischen Bauelemente auf Polymerbasis eingesetzt werden. Sie soll beim Entwurf neuartiger Schaltelemente genutzt werden, die vollständig aus polymerer Basis aufgebaut sind. Diese Bauelemente können mit organischen Elektrolumineszenanzeigen kombiniert und zur An­ steuerung verwendet werden.
Die Erfindung wird durch das folgende Ausführungsbeispiel nä­ her erläutert:
BEISPIEL
Es wird ein bipolarer Polymertransistor mit dem folgenden Schichtaufbau hergestellt: ITO/PTPA/Al/PODX/Al.
Eine auf einem Glassubstrat von ca. 5 cm2 aufgebrachte ITO- Schicht (50 nm) dient als Trägermaterial und lochinjizierende Elektrode. Eine polymere Zwischenschicht wird durch spin­ coating der Dispersion eines leitfähigen Polymers (BAYTRON®) und anschließender Trocknung bei 100°C erzeugt.
Darauf wird aus einer in Dimethylacetamid löslichen Polyamid­ carbonsäure durch spincoating ein dünner Film aufgebracht, der durch einen thermischen Prozeß bei 200°C unter Vakuumbe­ dingungen (< 10-3 bar) in eine unlösliche Polyimidschicht (PTPA) mit einer Dicke von 100 nm umgewandelt wird. Danach wird eine strukturierte Aluminiumelektrode von ca. 80 nm Dic­ ke abgeschieden. Anschließend erfolgt das Aufbringen einer PODX-Schicht (100 nm). Eine weitere strukturierte Aluminium­ elektrode schließt den Transistoraufbau ab. Die Aluminium­ elektroden sind geometrisch dabei so angeordnet, daß sich die aktiven Flächen mit ca. 50% überlappen.
Die Fig. 2 zeigt das Banddiagramm eines solchen bipolaren Polymertransistors. Es gibt Auskunft über die Injektionsbar­ rieren.
Die Fig. 3 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Po­ lymertransistors, d. h. sein Schaltverhalten. Dabei wird eine Spannung zwischen der PTPA- und der PODX-Schicht angelegt, wobei PTPA als Emitter, Al als Basis und PODX als Kollektor wirkt.
Aus der resultierenden Strom-Spannungs-Kennlinie gemäß Fig. 3 lassen sich Schaltvorgänge nachweisen. Mit den in dem er­ findungsgemäßen polymeren Schaltelement eingesetzten konju­ gierten Polymersystemen lassen sich somit Dioden und Transis­ toren aufbauen.

Claims (10)

1. Polymeres Schaltelement, umfassend
  • a) eine löcherinjizierende Elektrode,
  • b) eine polymere Lochtransportschicht,
  • c) eine polymere Elektronentransportschicht und
  • d) eine elektroneninjizierende Elektrode
2. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die polymere Lochtransport­ schicht halbleitende Polymere umfaßt.
3. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die halbleitenden Polymere aus substituierten oder unsubstituierten Poly-p-phenylenviny­ lenen, konjugierten Poly-p-phenylenen-Leiterpolymeren, Poly­ vinylcarbazolen, Polyfluorenen, Polybenzthiazolen, thian­ threnhaltigen Hauptkettenpolymeren und Polythiophenen ausge­ wählt sind.
4. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das halbleitende Polymer ein Polyimid mit Thianthreneinheiten der allgemeinen Formel
ist, worin n für eine ganze Zahl von 10 bis 1000 steht.
5. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die polymere Elektronentrans­ portschicht substituierte oder unsubstituierte aromatische Polyoxadiazole und/oder aromatische Polyquinoxaline umfaßt.
6. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das substituierte aromatische Polyoxadiazol ein 2,5-Dialkoxy-substituiertes Poly(phenyl- 1,3,4-oxadiazol) ist.
7. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das 2,5-Dialkoxy-substituierte Poly(phenyl-1,3-4-oxadiazol) die Formel
aufweist, worin n für eine ganze Zahl von 300 bis 700 steht.
8. Polymeres Schaltelement nach den Ansprüchen 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die polymeren Trans­ portschichten eine Polymermatrix aufweisen, die gegebenen­ falls dotiert sein kann.
9. Polymeres Schaltelement nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Polymermatrix Polymethyl­ methacrylat oder Polycarbonat umfaßt.
10. Polymeres Schaltelement, dadurch gekennzeich­ net, daß es eine der folgenden Schichtanordnungen auf­ weist:
  • a) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei p-leitenden Materialien,
  • b) p-leitendes Polymermaterial zwischen zwei n-leitenden Materialien,
  • c) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei leitfähigen Elektroden,
  • d) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei p-leitenden Materialien auf leitfähiger Elektrode.
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