DE102004022603A1 - Ultradünne Dielektrika und deren Anwendung in organischen Feldeffekt-Transistoren - Google Patents

Ultradünne Dielektrika und deren Anwendung in organischen Feldeffekt-Transistoren Download PDF

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Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein organischer Feldeffekt-Transistor, aufweisend ein Substrat, eine Source-, eine Drain- und eine Gate-Elektrode und ein organisches Halbleitermaterial, wobei zwischen der Gate-Elektrode und dem organischen Halbleitermaterial eine Dielektrikumsschicht (Gate-Dielektrikum) angeordnet ist, die aus einer selbstorganisierten Monolage einer organischen Verbindung erhalten wird, die eine Ankergruppe, eine Linkergruppe, eine Kopfgruppe und eine aliphatische Orientierungsgruppe aufweist, wobei die Ankergruppe, die Linkergruppe, die Kopfgruppe und die aliphatische Orientierungsgruppe in der oben genannten Reihenfolge miteinander verknüpft sind.

Description

  • Qualitativ hochwertige, extrem dünne Dielektrikumsschichten sind für eine Vielzahl von Anwendungen von außerordentlichem Interesse. Besonders die Realisierung preiswerter Elektronik auf großenflächigen flexiblen Substraten, welche mit niedrigen Versorgungsspannungen arbeitet, erfordert die Verfügbarkeit solcher Schichten zum Aufbau von Transistoren, Kondensatoren etc.
  • Organische Feldeffekt-Transistoren können vielfältig verwendet werden. Zum Beispiel eignen sich organische Feldeffekt-Transistoren als Pixelsteuerelemente in Aktiv-Matrix-Bildschirmen. Solche Bildschirme werden gewöhnlich mit Feldeffekt-Transistoren auf der Basis amorpher oder polykristalliner Siliziumschichten hergestellt. Die für die Herstellung hochwertiger Transistoren auf der Basis amorpher oder polykristalliner Siliziumschichten notwendigen Temperaturen von gewöhnlich mehr als 250°C erfordern die Verwendung starrer und zerbrechlicher Glas- oder Quarzsubstrate. Dank der relativ niedrigen Temperaturen, bei denen Transistoren auf der Basis organischer Halbleiter hergestellt werden, die gewöhnlich weniger als 200°C betragen, erlauben organische Transistoren die Herstellung von Aktiv-Matrix-Bildschirmen unter Verwendung billiger, flexibler, transparenter, unzerbrechlicher Polymerfolien mit erheblichen Vorteilen gegenüber Glas- oder Quarzsubstraten.
  • Ein weiteres Anwendungsgebiet für organische Feldeffekt-Transistoren liegt in der Herstellung von sehr preiswerten integrierten Schaltungen, wie sie zum Beispiel für die aktive Kennzeichnung und Identifizierung von Waren und Gütern zum Einsatz kommen. Diese so genannten Transponder werden gewöhnlich unter Verwendung von integrierten Schaltkreisen auf der Basis von einkristallinem Silizium hergestellt, was zu erheblichen Kosten bei der Aufbau- und Verbindungstechnik führt. Die Herstellung von Transpondern auf der Grundlage organischer Transistoren würde zu ernormen Kostensenkungen führen und könnte der Transponder-Technologie zum weltweiten Durchbruch verhelfen. Dabei ist es für eine erfolgreiche Markteinführung von Produkten basierend auf organischen Feldeffekt-Transistoren notwendig, dass diese Transistoren mit möglichst niedrigen Versorgungsspannungen arbeiten. Die Versorgungsspannungen sollen daher nicht höher als etwa 2 V bis 5 V liegen.
  • Der Aufbau eines organischen Feldeffekt-Transistors gemäß dem Stand der Technik ist schematisch in 1 gezeigt. Die für die sichere Modulation der Ladungsträgerdichte im Kanal des Transistors erforderliche minimale Gate-Source-Spannung steht hierbei in einem linearen Zusammenhang mit der Dicke des Gate-Dielektrikums; je dicker das Gate-Dielektrikum, um so größer die erforderliche Gate-Source-Spannung. Daher ist es notwendig möglichst dünne Gate-Dielektrika zu entwickeln, die neben einer ausreichend guten elektrischen Isolation auch eine optimale molekulare Orientierung der organischen Halbleiter-Schicht und damit hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im Halbleiter ermöglichen. Hierfür eignen sich in hervorragender Weise solche Moleküle, die auf der Gate-Elektrode eine elektrische isolierende molekulare selbstorganisierte Monolage („Self-Assembled Monolayer"-SAM) ausbilden.
  • In den deutschen Patentanmeldungen DE 103 28 810 und DE 103 28 811 wird die Herstellung und Verwendung von Molekülen beschrieben, die so genannten T-SAMs ("Top-Linked Self Assembled Mono Layers), die als Isolatorschicht dienen und zum Beispiel für organische Feldeffekt-Transistoren verwendet werden können. Besonders geeignet sind die dort beschriebenen Molekülstrukturen für die Ausbildung von Monolagen auf Siliziumsubstraten mit natürlicher Siliziumoxid-Schicht.
  • Bei der Nutzung anderer Gatematerialien, zum Beispiel Aluminium und Titan, wie es zum Aufbau integrierter Schaltungen auf Glas oder flexiblen polymeren Substraten vorteilhaft ist, welche durch die Ausbildung einer natürlichen Oxidschicht ebenfalls geeignete Substrate für die Bildung von Monolagen aus Molekülen der in den DE 103 28 810 und DE 103 28 811 beschriebenen Verbindungen sind, zeigen organische Feldeffekt-Transistoren mit den in den oben genannten Patentanmeldungen beschriebenen T-SAM-Isolator-Schichten in Verbindung mit Pentazen, Tetrazen und Oligothiophenen, schlechtere elektrische Eigenschaften als bei der Nutzung von Silizium als Gatematerial. DE 10 2004 009 600.7 beschreibt auch SAMs zur Verwendung bei Feldeffekt-Transistoren.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, neue Verbindungsklassen bereitzustellen, die als monomolekulares Dielektrikum für die Verwendung bei Feldeffekt-Transistoren auf Basis von organischen Halbleitern dienen können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, organische Feldeffekt-Transistoren bereitzustellen, die eine Dielektrikumsschicht mit verbesserten Eigenschaften aufweisen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Materialien vorzuschlagen, die zur Verwendung bei der Herstellung von Feldeffekt-Transistoren dienen können.
  • Die Aufgaben wurden gemäß der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 20 bzw. 21 und 29 gelöst.
  • Der Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 ist daher ein Feldeffekt-Transistor mit einem Substrat, mit einer Source-, einer Drain- und einer Gate-Elektrode sowie mit einem organischen Halbleitermaterial, wobei auf der Gate-Elektrode eine Dielektrikumsschicht (Gate-Dielektrikum) angeordnet ist, die aus einer selbstorganisierten Monolage einer Verbindung gebildet wird, die eine aliphatische Orientierungsgruppe, eine Kopfgruppe, eine Linkergruppe und eine Ankergruppe aufweist, wobei die aliphatische Orientierungsgruppe, die Kopfgruppe, die Linkergruppe und die Ankergruppe in der genannten Reihenfolge miteinander verknüpft sind.
  • Die erfindungsgemäßen Materialen lösen das Problem der schlechteren elektrischen Eigenschaften organischer Feldeffekt-Transistoren mit dem Aufbau Metall-Gate/T-SAM/Halbleiter/Metall-Kontakte bzw. mit dem Aufbau Metall-Gate/T-SAM /Metall-Kontakt/Halbleiter durch einen im Vergleich mit den beschriebenen T-SAM-Molekülen (z. B. 18-phenoxy-octadecyl)trichlorosilane) der Formel C6H5O(CH2)18SiCl3)) veränderten molekularen Aufbau. Die Struktur von T-SAM gemäß dem Stand der Technik ist in 2a wiedergegeben.
  • Das essentielle Strukturelement der erfindungsgemäßen T-SAM Schichten ist die aliphatische Orientierungsgruppe, die mit der Kopfgruppe verknüpft ist.
  • Als aliphatische Orientierungsgruppen eignen sich besonders relativ kurze n-Alkanketten der allgemeinen Formel -(CH2)n-, wobei n eine ganze Zahl von 2 bis 10 bedeutet. Besonders geeignet sind die Ketten, wenn n eine gerade Zahl aufweist. Die aliphatische Orientierungsgruppe kann mit divalenten Heteroatomen, wie z. B. O oder S substituiert sein. Die aliphatische Orientierungsgruppe ist entweder direkt oder über ein Brückenatom an die Kopfgruppe gebunden.
  • Als Kopfgruppen können alle Gruppen verwendet werden, die in der Lage sind einerseits die Ausrichtung des Moleküls zu bestimmen und andererseits zu einer Stabilisierung durch Wechselwirkungen, wie z. B. Dipol-Dipol, CT-Wechselwirkungen, ππ-Wechselwirkungen oder durch die van der Waals-Kräfte zu einer Stabilisierung der selbstorganisierten Schicht beizutragen.
  • Als Kopfgruppen kommen prinzipiell alle Aromaten bzw. Heteroaromaten in Betracht, welche durch die Ausbildung von ππ- Wechselwirkungen mit benachbarten Molekülen der selbstorganisierten Monolagen zu einer Stabilisierung der Schicht beitragen.
  • Besonders geeignete Kopfgruppen gemäß der Erfindung sind Aromaten oder Heteroaromaten mit Ein- und Zweiringsystemen, da deren räumliche Ausdehnung am besten den Platzbedarf an einer dicht gepackten Monolage erfüllt. Die besonders geeigneten Gruppen sind z. B. Phenyl, Thiophen, Furan, Pyrrol, Oxazol, Thiazol, Imidazol und Pyridin. Dabei sind auch Oligomere solcher Molekülbausteine möglich, sofern sie möglichst linear miteinander verbunden sind, um eine dichte Packung auf der Oberfläche zu gewährleisten. Die Anbindung an die entsprechende Linkergruppe kann über ein Brückenatom wie z. B. O oder S oder direkt erfolgen, wobei die synthetische Zugänglichkeit die Vorzugsvariante bestimmt.
  • Die Linkergruppen bestehen vorzugsweise aus n-Alkanketten der allgemeinen Formel -(CH2)m-, wobei m vorzugsweise zwischen 2 und 26 beträgt. Eine gerade Zahl für m ist besonders bevorzugt. Die n-Alkylkette kann auch mit divalenten Heteroatomen wie z. B. O oder S substituiert sein. Lineare Ketten der allgemeinen Formel [(-CH2-CH2-X)z], wobei X O oder S bedeutet und z eine Zahl zwischen 2 und 10 ist, sind daher auch möglich. Die Alkan- bzw. Poly(thio)etherkette kann gemäß der Erfindung auch ungesättigte Bindungen enthalten oder Substituente aufweisen.
  • Die Ankergruppe kann in Abhängigkeit von den Elektrodenmaterialen variiert werden und soll so gewählt werden, dass eine Wechselwirkung zwischen der Ankergruppe und der Oberfläche der Gate-Elektrode stattfindet. Beispielsweise kann die Ankergruppe einen Rest aufweisen, der aus der Gruppe bestehend aus R-SiCl3, R-SiCl2-Alkyl, R-SiCl (Alkyl)2, R-Si(OR1)3, R-Si(OR1)2Alkyl, oder R-SiOR1(Alkyl)2, wenn die Elektrode aus Si, Al, Ti, TaN, TiN oder WN besteht, bzw. eine Schicht aus oben genannten Metallen oder Legierungen dieser Metalle auf weist mit einer nativen oder gezielt erzeugten Oxidschicht, die mit der Ankergruppe in Kontakt steht.
  • Wenn die Elektrode eine Schicht aufweist, die die Hydroxygruppen enthält wie z. B, eine Struktur Al-OxOH oder TiO-xOH, die im direktem Kontakt mit der Ankergruppe ist, kann die Ankergruppe auch Reste aufweisen, die aus der Gruppe bestehend aus nämlich R-SiCl3, R-SiCl2-Alkyl, R-SiCl(Alkyl)2, R-Si(OR1)3, R-Si(OR1)2Alkyl, oder R-SiOR1(Alkyl)2 ausgewählt sind.
  • Wenn die Elektrode eine Schicht mit Si-H-Gruppen aufweist, die im direkten Kontakt mit der Ankergruppe stehen, kann die Ankergruppe aus der Gruppe bestehend aus z. B. R-CHO oder R-CH=CH2 ausgewählt werden, welche unter Einwirkung von Licht (hv) an das entsprechende Substrat gebunden wird.
  • Wenn die Elektrode aus Gold gebildet ist oder eine Schicht aus Gold aufweist, die mit der Ankergruppe in Kontakt steht, kann die Ankergruppe R-SH, R-SAc, R-S-S-R1 oder R-SO2H sein.
  • In den vorstehenden Beispielen bedeutet R eine oben beschrieben Linkergruppe und R1 eine Alkylgruppe, die auch mit beispielsweise Heteroatomen substituiert werden kann.
  • Die Stärke der Dielektrikumsschicht entspricht etwa der Länge der erfindungsgemäßen Moleküle, die die selbstorganisierte Monolage bilden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Dielektrikumsschicht eine Stärke von etwa 1 bis etwa 10 nm, vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 5 nm auf Als Materialien für die Gate-Elektrode eignen sich im Prinzip alle Materialien, die eine der selbstorganisierten Monolage zugewandte Schicht enthalten und mit den Ankergruppen der erfindungsgemäßen Verbindungen eine Wechselwirkung eingehen.
  • Die bevorzugten Materialien für die Gate-Elektrode sind Aluminium (Al), Titan (Ti), Titanitrid (TiN), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Wolfram (W), Titanwolfram (TiW), Tantalwolfram (TaW), Wolframnitrid (WN), Wolframcarbonitrid (WCN), Irridiumoxid (IrO), Rutheniumoxid (RuO), Strontiumrutheniumoxid (SrRuO) bzw. eine Kombination dieser Schichten und/oder Materialien. Die Gate-Elektrode weist gegebenenfalls zusätzlich auch eine Schicht aus Silizium (Si), Titannitridsilizium (TiNSi), Siliziumoxynitrid (SiON), Siliziumoxid (SiO), Siliziumcarbid (SiC) oder Siliziumcarbonitrid (SiCN) auf.
  • Die Materialien für die Source- und Drainelektrode sind für die Funktion des Bauelementes nicht entscheidend. Prinzipiell eignen sich alle leitfähigen Metalle, Formulierungen dieser oder Polymere. Beispielsweise werden folgende Materialien genannt: Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Wolfram (W), Titanwolfram (TiW), Tantalwolfram (TaW), Wolframnitrid (WN), Wolframcarbonitrid (WCN), Irridiumoxid, Rutheniumoxid, Strontiumrutheniumoxid, Platin, Palladium, Galliumarsenid usw. Auch die Source- bzw. Drainelektrode können zusätzlich eine Schicht aus Si, TiNSi, SiON, SiO, SiC oder SiCN aufweisen. Als polymere Kontaktmaterialien sind beispielsweise PEDOT:PSS (Baytron®) oder Polyanilin geeignet.
  • Das Halbleitermaterial auf der Basis eines organischen Halbleiters ist in einer besonderen Ausführungsform aus der Gruppe der "small molecules" ausgewählt.
  • Unter dem Begriff "small molecules" werden alle organischen Halbleitermaterialen verstanden, die keine Polymere sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der organische Halbleiter aus der "small molecules"-Gruppe, bestehend aus Pentazen, Tetrazen, Oligothiophen, Phthalocyanine und Merocyanine, ausgewählt.
  • Also können alle organischen Halbleitermoleküle, bei denen die räumliche Orientierung in der Schicht und deren optimale Anordnung auf dem Dielektrikum von Bedeutung ist, verwendet werden.
  • Die Versorgungsspannung eines Feldeffekt-Transistors hängt insbesondere von der Stärke der auf der Gate-Elektrode angeordneten Dielektrikumsschicht (des Gate-Dielektrikums) ab. Deshalb kann der erfindungsgemäße Feldeffekt-Transistor mit einer Versorgungsspannung von weniger als 5 Volt und insbesondere von weniger als 3 Volt, nämlich im Bereich von 1 bis 3 Volt betrieben werden.
  • Die erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistoren eignen sich insbesondere zur Verwendung im so genannten "Low Cost"-Bereich der Elektronik und speziell für organische Feldeffekt-Transistoren mit niedrigen Versorgungsspannungen.
  • In einem Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren, zur Herstellung von Feldeffekt-Transistoren, bereitgestellt.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Substrat auf der Basis von inorganischen oder organischen Materialien bereitgestellt, worauf eine Gate-Elektrode abgeschieden wird. Die Gate-Elektrode kann dann mit der erfindungsgemäßen Verbindung, in Kontakt gebracht werden, um eine auf der Gate-Elektrode angeordnete selbstorganisierte Monolage der erfindugsgemäßen Verbindung zu erhalten. Wie vorstehend beschrieben, weist die Oberfläche der Gate-Elektrode solche Eigenschaften auf, dass die Ankergruppen der erfindungsgemäßen Verbindungen mit der Oberfläche der Gate-Elektrode eine Wechselwirkung eingehen. Eine so erhaltene selbstorganisierte Monolage der erfindungsgemäßen Verbindung kann dann weiteren Herstellungsschritten unterzogen werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher als nächster Schritt das Abscheiden und Strukturieren einer Source- und einer Drainelektrode mit dem nachfolgenden Abscheiden eines Halbleitermaterials vorgesehen.
  • Das in Kontakt bringen der organischen Verbindung mit dem Material der Gate-Elektrode kann in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erfolgen, dass ein Substrat mit der daran angeordneten Gate-Elektrode in eine Lösung eingetaucht wird, die die erfindungsgemäße organische Verbindung aufweist.
  • Als Lösungsmittel eignen sich insbesondere, polare, aprotische Lösungsmittel, wie zum Beispiel Toluol, Tetrahydrofuran oder Cyclohexan.
  • Die Dichte der selbstorganisierten Monolage der organischen Verbindung und die Dauer der Abscheidung kann durch die Konzentration der Lösung der organischen Verbindung in die das Substrat eingetaucht wird, beeinflusst werden. Die Konzentration der Lösung im Bereich von etwa 10–4 bis 0,1 mol-% der organischen Verbindung eignen sich besonders zur Herstellung dichter Schichten. Die Abscheidung der SAMs erfolgt durch Eintauchen des Substrate (mit definierter erster Elektrode) in die vorbereitete Lösung. Nachdem das Substrat in die Lösung der organischen Verbindung eingetaucht wurde, kann anschließend ein Spülschritt mit reinem Prozesslösungsmittel erfolgen. Danach kann gegebenenfalls das Substrat mit einem leicht flüchtigen Lösungsmittel wie zum Beispiel Aceton oder Dichlormethan gespült und abschließend getrocknet werden. Das Trocknen kann zum Beispiel im Ofen oder auf einer Hot-Plate unter Schutzgas erfolgen.
  • Die organische Verbindung kann auch durch Aufdampfen der organischen Verbindung auf die Gate-Elektrode mit der Gate-Elektrode in Kontakt gebracht werden.
  • Das Abscheiden der organischen Verbindung kann dann in einem geschlossenen Reaktor mit Heizung erfolgen. Der Reaktorinnenraum wird nach der Beladung mit dem Substrat mit definierter Gate-Elektrode evakuiert und mit Inertgas wie zum Beispiel Argon oder Stickstoff belüftet, um Reste von Sauerstoff zu entfernen. Anschließend werden Arbeitsdruck und Arbeitstemperatur angestellt, die sich im Wesentlichen nach dem organischen Rest richten. Ein Druck von etwa 10–6 bis 400 mbar und eine Temperatur von etwa 80 bis 200°C sind besonders bevorzugt. Die idealen Prozessbedingungen richten sich nach der Flüchtigkeit der organischen Verbindung. Die Beschichtungszeiten betragen in der Regel je nach Prozessbedingungen zwischen 3 min und 24 h.
    •
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 Der Aufbau eines Feldeffekt-Transistor gemäß dem Stand;
  • 2a eine Verbindung gemäß dem Stand der Technik, welche zur Bildung von selbstorganisierten Monolagen bei Feldeffekt-Transistoren verwendet worden ist;
  • 2b eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen, die zur Bildung von selbstorganisierten Monolagen bei Feldeffekt-Transistoren verwendet werden können;
  • 3 Spannungskennlinien des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors.
  • 4 Durchgangskennlinien des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors.
  • Der in der 1 gezeigte Aufbau eines Feldeffekt-Transistors wurde schon im einleitenden Teil beschrieben.
  • Im Vergleich der erfindungsgemäßen Verbindungen (2B) mit den Verbindungen gemäß dem Stand der Technik (2A) erkennt man, dass die erfindungsgemäßen Verbindungen ein zusätzliches Strukturelement aufweisen, nämlich eine aliphatische Orientierungsgruppe.
  • Die Wirkungsweise dieser aliphatischen Orientierungsgruppe für die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften organischer Feldeffekt-Transistoren lässt sich in Analogie zur Wirkungsweise von Octadecyltrichlorsilan (OTS) auf SiO2-Oberflächen beschreiben. Die Wirkungsweise ist z. B. in D. J. Gundlach et al., Organic Field Effect Transistors – Proceedings of SPIE, vol. 4466 (2001) 5464 und K. Klauk et al., J. Appl. Phys. 92 (2002) 5259 bis 5263 beschrieben.
  • Dabei scheint das Vorhandensein einer aliphatischen "Oberfläche" der selbstorganisierten Monolage das Wachstum der organischen Halbleiter (Pentazen, Sexithiophen) derart zu beeinflussen, dass die entstehenden kristallinen Domänen des Halbleiters größer sind und ein höheres Maß molekularer Ordnung aufweisen. Diese höhere Ordnung im Schichtaufbau hat in der Regel eine Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeit, einen besseren Unterschwellanstieg ("sub-threshold slope") sowie niedrigere Schwellungsspannungen zur Folge.
  • Übertragen auf die erfindungsgemäßen Materialien bedeutet dies, dass die aliphatische Orientierungsgruppe die Funktion von OTS auf SiO2 übernimmt, wobei die Isolationseigenschaften maßgeblich durch den Rest des Moleküls, nämlich durch die Ankergruppen, Linkergruppen und Kopfgruppen bestimmt werden. Vorteilhaft bei diesen Materialien ist, dass für die Einstellung aller dieser gewünschten Eigenschaften die Abscheidung nur eines Moleküls notwendig ist. Der allgemeine Aufbau der erfindungsgemäßen Materialien erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Wahl der Einzelkomponenten für deren Synthese. Dadurch wird die Anzahl an erfindungsgemäßen Materialien gegenüber den in den Patentanmeldungen DE 103 28 810 und DE 103 28 811 beschriebenen Verbindungen bei verbesserter Funktion deutlich erweitert. Die erfindungsgemäßen Materialien eignen sich insbesondere für die Herstellung von organischen Feldeffekt-Transistoren und darauf basierenden integrierten Schaltungen mit metallischen Gate-Elektroden. Durch die Einführung der aliphatischen Orientierungsgruppen wird die elektrische Charakteristik des organischen Feldeffekt-Transistors verbessert und eine vollständige Integration von organischen Feldeffekt-Transistoren zu integrierten Schaltungen ermöglicht.
  • Die elektronischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors sind in 3 und 4 gezeigt. Der organische Feldeffekt-Transistor wurde durch Abscheidung von 18-(4-hexyl-phenoxy-octadecyl)trichlorosilane auf Silizium-Gate-Elektrode erhalten. Die selbstorganisierte Monolage des 18-(4-hexyl-phenoxy-octadecyl)trichlorosilane ist ca. 2,8 nm dick. Die Source- bzw. Drainkontakte sind aus Gold und das Halbleitermaterial war Pentazen.

Claims (28)

  1. Organischer Feldeffekt-Transistor mit einem Substrat, einer Source-, einer Drain- und einer Gate-Elektrode und einem organischen Halbleitermaterial, wobei zwischen der Gate-Elektrode und dem organischen Halbleitermaterial eine Dielektrikumsschicht (Gate-Dielektrikum) angeordnet ist, die eine selbstorganisierte Monolage einer organischen Verbindung enthält, die eine Ankergruppe, eine Linkergruppe, eine Kopfgruppe, und eine aliphatische Orientierungsgruppe aufweist, wobei die Ankergruppe, die Linkergruppe, die Kopfgruppe, und die aliphatische Orientierungsgruppe in der oben genannten Reihenfolge miteinander verknüpft sind.
  2. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aliphatische Orientierungsgruppe aus der Gruppe bestehend aus kurzen n-Alkanketten der allgemeinen Formel -(CH2)n-, wobei n eine ganze Zahl von 2 bis 10 bedeutet. 3 Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass n eine gerade Zahl von 2 bis 10 ist.
  3. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfgruppe einerseits die Ausrichtung des Moleküls, das die selbstorganisierte Monolage bildet, bestimmt und andererseits zur Stabilisierung der selbstorganisierten Monolage durch Wechselwirkungen, wie z. B. Dipol-Dipol, CT-Wechselwirkungen, ππ-Wechselwirkungen oder durch die van der Waals-Kräfte beiträgt.
  4. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfgruppe aus der Gruppe bestehend aus Aromaten und Heteroaromaten ausgewählt ist.
  5. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfgruppe aus der Gruppe bestehend aus Phenyl, Thiophen, Furan, Pyrrol, Oxazol, Thiazol, Imidazol und Pyridin ausgewählt ist.
  6. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfgruppe ein Oligomer der folgenden Monomere: Phenyl, Thiophen, Furan, Pyrrol, Oxazol, Thiazol, Imidazol und Pyridin ist.
  7. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkergruppe aus der Gruppe bestehend aus n-Alkanketten der allgemeinen Formel -(CH2)m-, ausgewählt ist wobei m vorzugsweise eine Zahl von 2 bis 26 bedeutet.
  8. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass m eine gerade Zahl von 2 bis 26 bedeutet.
  9. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkergruppe wenigstens ein Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus O und S enthält.
  10. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkergruppe der Formel [(-CH2-CH2-X)z], entspricht, wobei X O oder S bedeutet und z eine ganze Zahl von 2 bis 10 bedeutet.
  11. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankergruppe aus der Gruppe bestehend aus R-SiCl3, R-SiCl2-Alkyl, R-SiCl(Alkyl)2, R-Si(OR1)3, R-Si(OR1)2Alkyl, R-SiOR1(Alkyl)2, R-CHO(hυ), R-CH=CH2(hυ), R-SH, R-SAc, R-S-S-R1 oder R-SO2H ausgewählt ist.
  12. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrikumsschicht eine Stärke von 2 bis etwa 10 nm, vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 5 nm aufweist.
  13. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode an der Oberfläche eine Metalloxidschicht aufweist.
  14. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektrode aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Titan (Ti), Silizium (Si), Titanitrid (TiN), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Wolfram (W), Titanwolfram (TiW), Tantalwolfram (TaW), Wolframnitrid (WN), Wolframcarbonitrid (WCN), Irridiumoxid, Rutheniumoxid, Strontiumrutheniumoxid bzw. aus einer Kombination der oben genannten Materialien ausgewählt ist und gegebenenfalls zusätzlich eine Schicht aus Silizium, Titannitridsilizium, Siliziumoxynitrid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid oder Siliziumcarbonitrid versehen ist.
  15. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drainelektrode unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt aus Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN), Wolfram (W), Titanwolfram (TiW), Tantalwolfram (TaW), Wolframnitrid (WN), Wolframcarbonitrid (WCN), Irridiumoxid (IrO), Rutheniumoxid (RuO), Strontiumruthenium (SrRuO), Platin (Pt), Palladium (Pd), Galliumarsenid bzw. aus einer Kombination dieser Materialien ausgewählt ist und gegebenenfalls zusätzlich eine Schicht aus Silizium (Si), Titannitridsilizium (TiNSi), Siliziumoxynitrid (SiON), Siliziumoxid (SiO), Siliziumcarbid (SiC) oder Siliziumcarbonitrid (SiCN) versehen ist.
  16. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Halbleitermaterial aus der Gruppe von "small molecules" ausgewählt ist.
  17. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter Material aus der Gruppe bestehend aus Pentazen, Tetrazen, Oligothiophen, Phthalocyanine und Merocyanine ausgewählt ist.
  18. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Versorgungsspannung von weniger als 5 Volt, vorzugsweise von weniger als 3 Volt betrieben wird.
  19. Verfahren zur Herstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Substrats; – Abscheiden einer Gate-Elektrode; – in Kontakt bringen der Gate-Elektrode mit einer Verbindung, die eine Ankergruppe, eine Linkergruppe, eine Kopfgruppe, und eine aliphatische Orientierungsgruppe aufweist, um eine auf der Gate-Elektrode selbstorganisierte Monolage der organischen Verbindung zu erhalten; – Abscheiden eines organischen Halbleitermaterials; – Abscheiden und falls notwendig Strukturieren einer Source- und einer Drainelektrode.
  20. Verfahren zur Herstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Substrats; – Abscheiden einer Gate-Elektrode; – in Kontakt bringen der Gate-Elektrode mit einer Verbindung, die eine Ankergruppe, eine Linkergruppe, eine Kopfgruppe, und eine aliphatische Orientierungsgruppe aufweist, um eine auf der Gate-Elektrode selbstorganisierte Monolage der organischen Verbindung zu erhalten; – Abscheiden und falls notwendig Strukturieren einer Source- und einer Drainelektrode. – Abscheiden eines organischen Halbleitermaterials;
  21. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des in Kontakt bringens der Gate-Elektrode mit einer Verbindung, die Verbindung in einem Lösungsmittel vorliegt.
  22. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel ein aprotisches, polares Lösungsmittel ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel aus der Gruppe bestehend aus Toluol, Tetrahydrofuran und Cyclohexan ausgewählt ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der organischen Verbindung im Bereich von etwa 10–4 bis etwa 0,1 mol-% vorliegt.
  25. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des in Kontakt bringens der Gate-Elektrode mit einer Verbindung, die Verbindung auf der Gate-Elektrode aufgedampft wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Aufdampfen der organischen Verbindung auf der Gate-Elektrode im Bereich von etwa 10–6 bis 400 mbar liegt.
  27. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Aufdampfen der organischen Verbindung auf die Gate-Elektrode im Bereich von etwa 80 bis etwa 200°C liegt.
  28. Verwendung einer organischen Verbindung, nach einem der Ansprüche 1 bis 19 bei der Herstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors.
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