DE102004017858A1 - Organic field effect transistor has narrow strip type conductor drain and source electrodes, a gate dielectric and a gate electrode that overlaps the narrow strips of the drain and source electrodes - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen organischen Feldeffekttransistor mit Drain- und Sourceelektrode, und einer durch ein Gate-Dielektrikum von der Drain- und Sourceelektrode isolierten und die Drain- und Sourceelektrode wenigstens teilweise überlappenden Gateelektrode.The The invention relates to an organic field-effect transistor with drain and source electrode, and one through a gate dielectric from the drain and source electrodes isolated and the drain and source electrode at least partially overlapping Gate electrode.
Feldeffekttransistoren kommen seit vielen Jahren in einer breiten Palette elektronischer Anwendungen zum Einsatz, zum Beispiel bei der Realisierung von Mikroprozessoren, Halbleiterspeichern und Flachbildschirmen, in Mobiltelefonen, in der Automobilelektronik, in der Medizintechnik und auf unzähligen anderen Anwendungsfeldern. Bei vielen dieser Produkte spielen nicht nur die statischen Eigenschaften der Transistoren (das heißt die Abhängigkeit des Drain-Stroms von der Gate-Source-Spannung und der Drain-Source-Spannung im eingeschwungenen Zustand), sondern auch deren dynamische Eigenschaften eine wichtige Rolle. Unter den dynamischen Eigenschaften der Transistoren wird dabei das zeitaufgelöste Schaltverhalten, das heißt die Zeitabhängigkeit der elektrischen Ausgangssignale als Reaktion auf eingangsseitige elektrische Impulse, verstanden.FETs come for many years in a wide range of electronic Applications are used, for example in the realization of microprocessors, Semiconductor memories and flat screens, in mobile phones, in automotive electronics, medical technology and countless others Application fields. Many of these products not only play the static properties of the transistors (ie the dependence of the drain current from the gate-source voltage and the drain-source voltage in the steady state), but also their dynamic properties an important role. Under the dynamic characteristics of the transistors is the time-resolved Switching behavior, that is the time dependence the electrical output signals in response to input side electrical impulses, understood.
Die dynamischen Eigenschaften eines Feldeffekttransistors werden durch eine Vielzahl von Faktoren bestimmt, wobei generell zwischen intrinsischen Faktoren und parasitären Faktoren unterschieden werden kann. Zu den intrinsischen Faktoren zählen zum Beispiel die Beweglichkeit der elektronischen Ladungsträger im Halbleiter (das heißt, die durch die Wahl des Halbleitermaterials festgelegte maximale Geschwindigkeit der Ladungsträger in Abhängigkeit von der sie beschleunigenden elektrischen Feldstärke) und die Kanallänge des Transistors (das heißt die Entfernung, die die Ladungsträger auf ihrem Weg zwischen Source und Drain im Halbleiter zurücklegen müssen). Zu den parasitären Faktoren zählen zum Beispiel die elektrischen Widerstände der Source- und Drain-Kontakte und die elektrischen Kapazitäten, die sich aus den Überlapp-Flächen zwischen Gate-Elektrode und Source- und Drain-Kontakt ergeben.The dynamic properties of a field effect transistor are through a variety of factors are determined, being generally between intrinsic Factors and parasitic Factors can be distinguished. About the intrinsic factors counting for example, the mobility of the electronic charge carriers in the semiconductor (this means, the maximum determined by the choice of semiconductor material Speed of the charge carriers dependent on from the accelerating electric field strength) and the channel length of the Transistor (that is the distance that the charge carriers make on their way between Source and drain in the semiconductor must cover). To the parasitic factors counting for example, the electrical resistances of the source and drain contacts and the electrical capacities, resulting from the overlap areas between Gate electrode and source and drain contact result.
Da die zeitlichen Verzögerungen, denen elektrische Signale in Transistorschaltungen unterliegen, sich im Allgemeinen proportional zu den parasitären Kapazitäten und Widerständen verhalten (τ ~R·C), ist es im Interesse eines möglichst guten dynamischen Verhaltens der Transistoren erforderlich, die parasitären Größen so weit wie möglich zu minimieren. Die Minimierung parasitärer Kapazitäten und Widerstände ist ein wesentliches Ziel der Material- und Prozess-Entwicklung in der Halbleiterindustrie.There the time delays, which are subject to electrical signals in transistor circuits, generally behave in proportion to the parasitic capacitances and resistances (τ ~ R × C) it for the sake of a possible good dynamic behavior of the transistors required parasitic Sizes so far as possible to minimize. The minimization of parasitic capacitances and resistances is an essential goal of material and process development in the Semiconductor industry.
Bei Silizium-Feldeffekttransistoren werden die Überlappflächen (und damit die Überlappkapazitäten) zwischen der Gate-Elektrode und den Source- und Drain-Kontakten weniger durch die Entwurfsregeln als vielmehr durch die geschickte Wahl der Materialien und der Prozessparameter definiert.at Silicon field effect transistors are the overlap areas (and thus the overlap capacity) between the gate electrode and the source and drain contacts less through the design rules rather than the clever choice of materials and process parameters Are defined.
In Silizium-MOSFETs werden die Source- und Drain-Kontakte durch Einbringen von Dotierstoff in das Silizium mittels Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt. Dies geschieht selbstjustiert, das heißt beim Einbringen des Dotierstoffs sorgt die Gateelektrode für eine Abschattung der Kanalregion, in der keine Dotierung erwünscht ist, so dass die Dotierung exakt an den Rand der Gateelektrode erfolgt. Beim nachfolgenden temperaturgesteuerten Aktivieren der eingebrachten Dotierstoffe diffundieren diese geringfügig unter die Gateelektrode, so dass sich ein Überlapp der Gateelektrode jeweils mit der Source- und Drainelektrode ergibt, die als Überlapplänge Δ1 bezeichnet wird. Diese Überlapplänge ΔL muss einerseits größer als Null sein, um eine sichere Kontrolle der Ladungsträgerdichte auf der gesamten Länge zwischen Source und Drain zu gewährleisten; andererseits soll die Überlapp länge so klein wie möglich sein, um die Überlappkapazität zu minimieren. Die Überlappkapazität ist proportional zur Überlapplänge. Durch geschickte Wahl der Parameter bei der temperaturgesteuerten Aktivierung der eingebrachten Dotierstoffe kann die Überlapplänge fast beliebig klein eingestellt werden, und in modernen Silizium-MOSFETs beträgt sie nur wenige Nanometer. Folglich kann Dank Selbstjustierung bei der Definition der Kontaktregionen der Silizium-MOSFETs deren Überlappkapazität nahezu beliebig klein gemacht werden.In Silicon MOSFETs are the source and drain contacts by introducing of dopant into the silicon by diffusion or ion implantation generated. This happens self-aligned, that is, when introducing the dopant ensures the gate electrode for a shading of the channel region in which no doping is desired, so that the doping takes place exactly at the edge of the gate electrode. In the subsequent temperature-controlled activation of the introduced Dopants diffuse slightly below the gate electrode, so that overlap the gate electrode results in each case with the source and drain electrodes, referred to as Überlapplänge Δ1 becomes. This overlap ΔL must on the one hand greater than Zero to ensure reliable control of the carrier density on the entire length between Ensure source and drain; On the other hand, the overlap length should be so small be as possible to minimize the overlap capacity. The overlap capacity is proportional to the overlap length. By Clever choice of parameters for temperature-controlled activation the introduced dopants, the overlap length can be set almost arbitrarily small It is only a few nanometers in modern silicon MOSFETs. consequently Thanks self-adjustment in the definition of contact regions the silicon MOSFETs whose overlap capacity is almost be made arbitrarily small.
Im Feldeffekttransistoren auf der Basis organischer Halbleiterschichten, wie sie in zunehmendem Maße für eine Vielzahl kostengünstiger, großflächiger und mechanisch flexibler elektronischer Anwendungen diskutiert werden, ist eine Dotierung der Kontaktregionen und somit eine selbstjustierte Definition der Kontakte nicht möglich. Prinzipiell kann die elektrische Leitfähigkeit vieler organischer Halbleiter zwar ebenfalls durch das Einbringen geeigneter organischer oder anorganischer Dotiersubstanzen erhöht werden, allerdings scheitert die zuverlässige Kontaktdotierung in organischen Feldeffekttransistoren am Fehlen der notwendigen positionellen Selektivität, da die eingebrachten Dopanten in organischen Halbleitern oft nicht an bestimmte Positionen gebunden sind, sondern sich innerhalb des Materials frei bewegen können. Selbst wenn der Dotierungsprozess ursprünglich auf die Kontaktregionen beschränkt werden könnte, käme es später zu einer Bewegung der Dopanten durch die gesamte organische Halbleiterschicht, wodurch sich das elektrische Schaltverhalten und die Lebensdauer der Transistoren entscheidend verschlechtern.in the Field effect transistors based on organic semiconductor layers, as they increasingly for one Variety of cost-effective, large area and mechanically flexible electronic applications are discussed is a doping of the contact regions and thus a self-aligned Definition of contacts not possible. In principle, the electrical conductivity of many organic Although semiconductor also by introducing suitable organic or inorganic dopants, but fails the reliable contact doping in organic field effect transistors in the absence of the necessary positional selectivity, since the introduced dopants in organic semiconductors are often not are bound to specific positions, but within the Move materials freely. Even if the doping process originally on the contact regions limited could be it would come later to a movement of the dopants through the entire organic semiconductor layer, which causes the electrical switching behavior and the life significantly degrade the transistors.
Folglich werden bei der Herstellung organischer Feldeffekttransistoren die Source- und Drain-Kontakte nicht durch eine Dotierung des Halbleiters definiert, sondern allein durch die unmittelbare Kontaktierung des undotierten (genauer gesagt, des nicht gezielt dotierten) organischen Halbleiters mit einem metallisch leitfähigen Kontaktmaterial, also entweder einem anorganischen Metall, wie zum Beispiel Gold, oder einem leitfähigen Polymer, wie zum Beispiel Polyanilin. Während beim Einbringen von Dopanten in einen Silizium-Wafer die Selbstjustierung der Kontaktregionen auf elegante Weise mittels der Abschattung des Dotiervorgangs durch die Gate-Elektrode herbei geführt wird, erfolgt die Definition der Kontakte bei organischen Transistoren ausschließlich durch die gezielte Strukturierung des leitfähigen Kontaktmaterials. Eine selbstjustierte Ausführung dieser Strukturierung ist zwar prinzipiell möglich, zum Beispiel durch Rückseiten-Belichtungen durch ein (optisch transparentes) Substrat, jedoch sind solche Selbstjustier-Prozesse deutlich aufwendiger als bei Silizium-MOSFETs und mit dem generellen Anspruch organischer Transistoren an geringe Komplexität und niedrige Fertigungskosten prinzipiell unvereinbar.consequently become in the production of organic field effect transistors the Source and drain contacts not by a doping of the semiconductor defined, but only by the direct contact of the undoped (more specifically, the non-targeted doped) organic Semiconductor with a metallically conductive contact material, ie either an inorganic metal, such as gold, or a conductive Polymer, such as polyaniline. While introducing dopants in a silicon wafer self-alignment of the contact regions in an elegant way by means of the shading of the doping process the gate electrode brought about is, the definition of the contacts in organic transistors exclusively by the targeted structuring of the conductive contact material. A self-aligned design Although this structuring is possible in principle, for example by backside exposures by an (optically transparent) substrate, however, are such Selbstjustier processes much more complex than with silicon MOSFETs and with the general Claim organic transistors with low complexity and low Manufacturing costs in principle incompatible.
In
den beiliegenden
Gemäß
In
der in
Die
Genauigkeit, mit der nachfolgende Lagen gegenüber existierenden Strukturen
justiert werden können,
hängt in
hohem Maße
von den mechanischen Eigenschaften des Substrats
Das
mit dem in
Zur Minimierung der Überlapplänge ΔL in organischen Feldeffekttransistoren auf Substraten, die durch einen signifikanten mechanischen Verzug während der Prozessierung der Transistoren gekennzeichnet sind, ist es notwendig, durch innovative Entwurfsregeln die Abhängigkeit der minimalen Überlapplänge von der Justiergenauigkeit aufzuheben.to Minimization of the overlap ΔL in organic Field effect transistors on substrates, which by a significant mechanical distortion during the processing of the transistors are characterized, it is necessary through innovative design rules the dependence of the minimum overlap length of cancel the adjustment accuracy.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen organischen Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art so anzugeben, dass die durch die parasitären Kapazitäten in Feldeffekttransistoren bestimmten dynamischen Eigenschaften deutlich verbessert sind. Dabei zielt die Erfindung weniger auf solche Feldeffekttransistoren, die auf der Oberfläche einkristalliner Siliziumwafer erzeugt werden, sondern vor allem auf organische Feldeffekttransistoren, die auf Substraten erzeugt werden, die während der Prozessierung der Transistoren einen signifikanten mechanischen Verzug erfahren.It is therefore an object of the invention to provide an organic field effect transistor of the type mentioned so that the determined by the parasitic capacitances in field effect transistors dynamic properties are significantly improved. In this case, the invention aims less at those field effect transistors which are produced on the surface of monocrystalline silicon wafers, but especially at organic field effect transistors which are produced on substrates which during the processing of Transistors undergo a significant mechanical distortion.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.These Task is solved according to the claim.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt ist ein gattungsgemäßer organischer Feldeffekttransistor dadurch gekennzeichnet, dass die Drain- und Sourceelektrode in Form im Wesentlichen in einer ersten lateralen Richtung laufender schmaler streifenförmiger Leitbahnen so gebildet sind, dass die Gateelektrode die jeweils in der in einer quer zur ersten lateralen Richtung liegenden zweiten lateralen Richtung definierte Breite der Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen beidseitig überragt, so dass diese Breite jeweils mit der Überlapplänge des Feldeffekttransistors übereinstimmt.According to one The essential aspect is a generic organic field effect transistor thereby characterized in that the drain and source electrodes are substantially in shape in a first lateral direction running narrow strip-shaped interconnects are formed so that the gate electrode in each case in the one Defined transverse to the first lateral direction lying second lateral direction Width of the drain and source electrode tracks projected on both sides, so that this width in each case coincides with the overlap length of the field effect transistor.
Mit dieser Gestaltung ist die Überlapplänge nicht durch die Justierung zwischen Gateelektrode und Source- und Draine lektroden sondern allein durch die Breite der Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen bestimmt, die von der (zum Beispiel metallischen) Gateelektrode beidseitig überragt werden. Der Verzug des Substrats hat somit keinerlei Einfluss auf die Überlapplänge ΔL. Somit haben alle organischen Feldeffekttransistoren auf dem Substrat unabhängig von dessen Verzug die gleiche Überlapplänge. Dadurch ist die Streuung der dynamischen elektrischen Parameter deutlich minimiert bzw. annähernd unterdrückt.With this design is the overlap length not by the adjustment between the gate electrode and the source and drain electrodes but only by the width of the drain and Sourceelektrodenleitbahnen determined by the (for example metallic) gate electrode surmounted on both sides become. The distortion of the substrate thus has no influence on the overlap length ΔL. Consequently have all the organic field effect transistors on the substrate independent of whose default is the same overlap length. Thereby the dispersion of the dynamic electrical parameters is clear minimized or approximate suppressed.
Die kleinste Überlapplänge ΔL, die bei dem erfindungsgemäßen organischen Feldeffekttransistor erzielt werden kann, ist identisch mit der minimalen Breite mit der die unter der Gateelektrode laufenden Leitbahnen der Drain- und Sourceelektroden sicher definiert werden können. Dieses Breitenmaß wird von einer Reihe von Faktoren bestimmt, ist aber in jedem Fall unabhängig vom Verzug des Substrats. Unter bestimmten Voraussetzungen, zum Beispiel bei signifikantem Substratverzug, ist die minimal zu erzielende Strukturgröße deutlich geringer als die Justiergenauigkeit; in diesen Fällen führt die erfindungsgemäße Gestaltung für einen organischen Feldeffekttransistor zu einer deutlichen Verringerung der Überlappkapazitäten und somit zu deutlich verbesserten dynamischen Eigenschaften.The smallest overlap ΔL, the at the organic according to the invention Field effect transistor can be achieved is identical to the minimum width with the running under the gate electrode interconnects the drain and source electrodes can be safely defined. This Width dimension is from is determined by a number of factors, but is in each case independent of Warpage of the substrate. Under certain conditions, for example with significant substrate distortion, is the minimum achievable Structure size significantly less than the adjustment accuracy; In these cases, the inventive design leads for one organic field effect transistor to a significant reduction the overlap capacities and thus significantly improved dynamic properties.
Bevorzugt laufen die Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen in dem Abschnitt, wo sie von der Gateelektrode beidseitig überragt werden, parallel. Ebenso bevorzugt haben dort die Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen im Wesentlichen dieselbe Breite. Dabei kann die Gateelektrode rechteckförmig sein und zwei kürzere Seiten in der ersten lateralen Richtung und zwei an die kürzeren Seiten anschließende längere Seiten in der zweiten lateralen Richtung haben. Zur Ausbildung von Kontaktbereichen für die Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen, können letztere in der ersten lateralen Richtung wenigstens über eine der längeren Seiten der Gateelektrode hinausragen.Prefers run the drain and source electrode tracks in the section where they are surmounted by the gate electrode on both sides, parallel. As well preferred there have the drain and Source electrode baffles substantially the same width. there the gate electrode may be rectangular his and two shorter Pages in the first lateral direction and two on the shorter sides subsequent longer pages in the second lateral direction. For the formation of contact areas for the drain and Sourceelektrodenleitbahnen, the latter in the first lateral direction at least over one the longer one Protruding sides of the gate electrode.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Gateelektrode und das Gatedielektrikum in vertikaler Richtung unter den Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen und der organischen Halbleiterschicht gebildet. Alternativ können die Gateelektrode und das Gatedielektrikum auch über den Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen und der organischen Halbleiterschicht gebildet sein.at an embodiment the gate electrode and the gate dielectric are in the vertical direction under the drain and source electrode tracks and the organic Semiconductor layer formed. Alternatively, the gate electrode and the gate dielectric also over the drain and source electrode patterns and the organic semiconductor layer be formed.
Die Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen bestehen bei einem erfindungsgemäßen organischen Feldeffekttransistor entweder aus Metall oder alternativ aus einem elektrisch leitfähigen Polymer.The Drain and Sourceelektrodenleitbahnen consist in an organic according to the invention Field effect transistor either made of metal or alternatively of one electrically conductive Polymer.
Bei
einem dem Stand der Technik zugehörigen Vergleichsbeispiel eines
organischen Feldeffekttransistors beträgt bei dem oft für die Herstellung
organischer Transistoren verwendeten Substratmaterial Polyethylenterephthalat
der Substratverzug gewöhnlich
etwa 0,1 %. Polyethylenterephthalat ist ein preiswertes Folienmaterial,
wie es häufig
in der Verpackungsindustrie verwendet wird. Auf einem Substrat mit
einer Kantenlänge
von etwa 10 cm entspricht dies einem Verzug von bis zu 100 μm, das heißt, bei Verwendung
des Entwurfs gemäß
Bei der für einen erfindungsgemäßen organischen Feldeffekttransistor verwendeten Entwurfsregel wird durch die Definition von beispielsweise 5 μm breiten Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen die Überlapplänge auf dem gesamten Substrat auf genau 5 μm festgelegt. Dadurch verringern sich die Überlappkapazitäten und somit die Signalverzögerungszeiten um den Faktor 20 im Vergleich mit dem oben beschriebenen Beispiel eines bekannten organischen Feldeffekttransistors. Dies ist eine signifikante Verbesserung der dynamischen Eigenschaften von auf einem derartigen Substrat gebildeten organischen Feldeffekttransistoren.at the for an organic according to the invention Field effect transistor used design rule is defined by the definition for example, 5 microns wide Drain and Sourceelektrodenleitbahnen the overlap length on the entire substrate to exactly 5 μm established. This reduces the overlap capacities and thus the signal delay times by a factor of 20 compared to the example described above a known organic field effect transistor. this is a significant improvement of the dynamic properties of organic field effect transistors formed in such a substrate.
Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale eines erfindungsgemäßen organischen Feldeffekttransistors werden in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels bezogen auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:The above and further advantageous features of an organic according to the invention Field effect transistor will be in the following description of a preferred embodiment closer to the drawing explained. The drawing figures show in detail:
Diese Erfindung beschreibt einen organischen Feldeffekttransistor, bei dem die Überlapplänge nicht durch die Justierung zwischen Gateelektrode und Drain- und Sourceelektrodenleitbahnen sondern allein durch deren Breite bestimmt ist.These Invention describes an organic field effect transistor, in that the overlap length is not by the adjustment between gate electrode and drain and Sourceelektrodenleitbahnen but solely determined by their width.
Bei
dieser Gestaltung wird für
jede der vier zu strukturierenden funktionellen Lagen, nämlich Gateelektrode
Somit
sind bei dem in
Nach
dem oben Gesagten realisiert das in
Die
Gateelektrode
Bei
dem in
- 11
- organischer Feldeffekttransistororganic Field Effect Transistor
- 2, 3, 12, 132, 3, 12, 13
- Drain- und Sourceelektrodenleitbahnendrain and source electrode patterns
- 4; 144; 14
- organische Halbleiterschichtorganic Semiconductor layer
- 5; 155; 15
- Gatedielektrikumgate dielectric
- 6; 166; 16
- Gateelektrodegate electrode
- 8, 98th, 9
- Kontaktpadscontact pads
- 1111
- Substratsubstratum
- ΔL.DELTA.L
- Überlapplängeoverlap length
- x, y, zx, Y Z
- Raumkoordinatenspatial coordinates
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DE102004017858A DE102004017858A1 (en) | 2004-04-13 | 2004-04-13 | Organic field effect transistor has narrow strip type conductor drain and source electrodes, a gate dielectric and a gate electrode that overlaps the narrow strips of the drain and source electrodes |
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---|---|---|---|---|
WO2001020691A1 (en) * | 1999-09-10 | 2001-03-22 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Conductive structure based on poly-3,4-alkenedioxythiophene (pedot) and polystyrenesulfonic acid (pss) |
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2004
- 2004-04-13 DE DE102004017858A patent/DE102004017858A1/en not_active Ceased
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2001020691A1 (en) * | 1999-09-10 | 2001-03-22 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Conductive structure based on poly-3,4-alkenedioxythiophene (pedot) and polystyrenesulfonic acid (pss) |
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