DE102004025423B4

DE102004025423B4 - Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor mit Gate-Dielektrikum aus organischem Material und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004025423B4
Application number: DE102004025423A
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Halik; Klauk Dr. Hagen; Ute Zschieschang; Günter Dr. Schmid
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: DE102004025423A1; US20050260803A1; US7326957B2

Abstract

Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor mit
– einer Gate-Elektrode (21), einer Source-Elektrode (41) und einer Drain-Elektrode (42) aus jeweils elektrisch leitfähigem Material;
– einem zwischen der Source-Elektrode (41) und der Drain-Elektrode (42) angeordneten Halbleiterkörper (5) aus einem Halbleitermaterial, wobei durch ein Potential an der Gate-Elektrode (21) eine Ladungsträgerverteilung mindestens in einem Abschnitt des Halbleiterkörpers (5) steuerbar ist;
und
– einer den Halbleiterkörper (5) von der Gate-Elektrode (21) beabstandenden Gate-Dielektrikumsschicht (3) mit
– einer molekularen selbstorganisierenden Monolage (31); sowie
– einer dielektrischen Polymerschicht (32) aus einem elektrischen isolierenden Polymer, wobei die dielektrische Polymerschicht (32) zwischen dem Halbleiterkörper (5) und der selbstorganisierenden molekularen Monolage (31) vorgesehen ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
– das dielektrische Polymer Poly-4-vinylphenol, ein Co-Polymer davon oder Polystyren ist und eine Stärke von zwischen 10 und 50 Nanometer aufweist; und
– das Material der Monolage eine Verbindung der allgemeinen Formel R₁Si(R₂)₃ ist, wobei R₁ eine...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnfilm-Feldeffekttransistor mit einer Gate-Elektrode, einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode aus jeweils elektrisch leitfähigem Material, einem zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode angeordneten Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial, wobei durch ein Potential an der Gate-Elektrode eine Ladungsträgerverteilung mindestens in einem Abschnitt des Halbleiterkörpers steuerbar ist, und einer den Halbleiterkörper von der Gate-Elektrode beabstandenden Gate-Dielektrikumsschicht mit einer molekularen selbstorganisierenden Monolage. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit einer Gate-Dielektrikumsschicht aus organischem Material.
Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren (thin film field effect transistors, thin film transistors, TFTs) sind für eine Vielzahl von Anwendungen der Halbleiterelektronik, die niedrige Fertigungskosten, flexible oder unzerbrechliche Trägersubstrate oder die Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltungen über große Flächen erfordern, geeignet. TFTs sind auf der Basis organischer und anorganischer Halbleitermaterialien, wie aus der Gasphase abgeschiedenes organisches Pentazen oder anorganisches Silizium, ausgebildet und eignen sich etwa als Pixel-Steuerelemente in Aktiv-Matrix-Bildschirmen und optischen Sensoren sowie zur Herstellung von extrem preiswerten integrierten Schaltungen, wie sie etwa bei der Kennzeichnung und Identifizierung von Waren und Gütern zum Einsatz kommen.
Wesentlich für ein weites Einsatzgebiet von TFTs und insbesondere von solchen auf Basis organischer Halbleitermaterialien ist der Einsatz möglichst niedriger Versorgungsspannungen von weniger als 10 Volt.
Für eine ausreichende Modulation der Ladungsträgerdichte im Halbleiterkörper des Transistors ist ein ausreichend starkes elektrisches Feld erforderlich. Da die Feldstärke des elektrischen Feldes mit der Dicke der Gate-Dielektrikumsschicht abnimmt, sind für den Betrieb von Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren bei niedrigen Versorgungsspannungen und damit auch bei niedrigen Gatespannungen möglichst dünne Gate-Dielektrikumsschichten erforderlich.
Andererseits soll die Gate-Dielektrikumsschicht eine ausreichend gute elektrische Isolation zwischen dem Halbleiterkörper und der Gate-Elektrode gewährleisten. Im Falle organischer Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren (organic TFTs, OFETs) mit einem Halbleiterkörper aus einem organischen Material soll für den Fall, dass das organische Halbleitermaterial auf die Gate-Dielektrikumsschicht aufgebracht wird, das Material der Gate-Dielektrikumsschicht eine optimale molekulare Orientierung des nachfolgend abgeschiedenen organischen Halbleitermaterials ermöglichen.
In "High-Mobility, Low Voltage Organic Thin Film Transistors"; Gundlach et al.; Technical Digest – International Electron Devices Meeting (1999); S.111 wird als Material für eine Gate-Dielektrikumsschicht Siliziumoxid beschrieben, das mittels Innenstrahl-Zerstäuben bei einer Substrattemperatur von 80 Grad Celsius abgeschieden wird.
Lee et al. beschreiben in "Pentacene Thin-film Transistors with Al₂O₃ _+x Gate Dielectric Films Deposited an Indium-Tin-Oxide Glass"; Applied Physics Letters; Vol.83; Nr.13; 2003; S.2689; Gate-Dielektrikumsschichten aus Aluminiumoxid, das mittels Katodenstrahl-Zerstäuben und ohne Substratheizung abgeschieden wird.
Schichten anorganischer Dielektrika, die bei Temperaturen unterhalb etwa 200 Grad Celsius abgeschieden werden, weisen in der Regel eine relativ hohe Dichte an Störstellen (pin holes) auf. Um trotz der vergleichsweise hohen Störstellendichte hinreichend gute Isolatoreigenschaften zu gewährleisten, sind Gate-Dielektrikumsschichten aus anorganischen Materialien jeweils als relativ dicke Schichten von mehr als 100 Nanometern vorzusehen, so dass für den Betrieb solcher Schaltungen vergleichsweise hohe Versorgungsspannungen von mehr als 10 Volt notwendig sind.
In "High Performance All-Polymer Integrated Circuits"; Gelinck et al.; Applied Physic Letters; Vol.77; Nr.10; 2000; S. 1487, "Monolithically Integrated Flexible Display of Polymer-Dispersed Liquid Crystal Driven by Rubber-Stamped Organic Thin-Film Transistors"; Mach et al; Applied Physics Letters; Vol.78; Nr.23; 2001; S.3592 und "High-Mobility Polymer Gate Dielectric Pentacene Thin Film Transistors"; Klauk et al.; Journal of Applied Physics; Vol.92; Nr.9; 2002; S. 5259 werden als Alternative zu anorganischen Gate-Dielektrika jeweils isolierende Polymere für die Herstellung organischer Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren beschrieben.
Polymere haben im Allgemeinen den Vorteil, dass sie bei relativ niedrigen Temperaturen von unterhalb etwa 200 Grad Celsius prozessiert werden können. In nachteiliger Weise verschlechtern sich die Isolatoreigenschaften dünner Schichten polymerer Dielektrika aufgrund von Leckströmen bei abnehmender Schichtdicke in größerem Maße als bei anorganischen Dielektrika. Bei der Herstellung organischer Feldeffekt-Transistoren werden daher polymere Dielektrika lediglich in Form vergleichsweise dicker Schichten von mehr als 100 Nanometern Dicke eingesetzt. Integrierte Schaltungen mit organischen Feldeffekt-Transistoren mit polymeren Gate-Dielektrika erfordern den Einsatz vergleichsweise hoher Versorgungsspannungen. In auf polymeren Dielektrika abgeschiedenen Pentazenschichten ist die Beweglichkeit der Ladungsträger im Vergleich zu anorganischen Dielektrika ähnlich oder höher.
In den deutschen Patentanmeldungen DE 103 28 810 A1 und DE 103 28 811 A1 auf die im Folgenden inhaltlich voll Bezug genommen wird, sind organische Feldeffekt-Transistoren mit selbstorganisierenden molekularen Monolagen (self assembling monolayers, SAM) als Gate-Dielektrikum, sowie Syntheseverfahren für eine Verbindung zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage beschrieben. Im Gegensatz zu üblichen polymeren Dielektrika zeichnen sich selbstorganisierende molekulare Monolagen trotz einer Schichtdicke von nur wenigen Nanometern durch sehr geringe Leckströme aus. Bei einer elektrischen Feldstärke von 10 MV/cm ergibt sich ein spezifischer Leckstrom von etwa 1 μA/cm². Bei einer Schichtdicke von etwa 2 bis 3 Nanometern erlauben SAM-Dielektrika den Einsatz sehr niedriger Versorgungsspannungen zwischen 1 bis 3 Volt. SAM-Dielektrika sind in nachteiliger Weise vergleichsweise empfindlich gegenüber hohen Spannungen. Überschreitet die angelegte Spannung einen Wert von etwa 3,5 Volt, so kann eine Gate-Dielektrikumsschicht mit einem SAM-Dielektrikum bereits irreversibel geschädigt werden (dielectric breakdown).
In "Improved Organic Thin Film Transistor Performance Using Chemically-Modified Gate Dielectrics"; Gundlach et al.; Organic Field Effect Transistors – Proceedings of SPIE; Vol. 4466; 2001; S. 54 bis 64 wird eine molekulare Monolage aus Octadecyltrichlorsilan (OTS) als Interfaceschicht zwischen einer anorganischen Gate-Dielektrikumsschicht und einer nachfolgend auf der Gate-Dielektrikumsschicht abgeschiedenen or ganischen Halbleiterschicht beschrieben. Die Interfaceschicht passt die Oberflächeneigenschaften der Gate-Dielektrikumsschicht aus dem anorganischen Dielektrikum gezielt an das Halbleitermaterial an, so dass in der organischen Halbleiterschicht eine optimale moleculare Orientierung erzielt wird. Eine optimale molekulare Orientierung in der organischen Halbleiterschicht gewährleistet eine hohe Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter. Die Störstellendichte in der anorganischen Gate-Dielektrikumsschicht bleibt bei einer Prozessierung unter 200 Grad Celsius davon unbeeinflusst, so dass sich auch in diesem Fall die Notwendigkeit einer vergleichsweise dicken Gate-Dielektrikumsschicht aus dem anorganischen Dielektrikum ergibt. Eine solche Anordnung einer Monolage auf einer Dielektrikumsschicht beeinflusst die Halbleiterorientierung im Halbleitermaterial, nicht aber die Versorgungsspannung des Dünnschicht-Feldeffekt-Transistors.
In der WO 03/030278 A2 wird ein Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor mit einer Gate-Elektrode, einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode aus jeweils elektrisch leitfähigem Material beschrieben. Dabei besteht der zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode angeordnete Halbleiter körper aus einem Halbleitermaterial.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschicht-Feldeffekt-Transistor zur Verfügung zu stellen, der bei Prozesstemperaturen von unterhalb etwa 200 Grad Celsius prozessiert wird, der den Einsatz von Versorgungsspannungen unterhalb etwa 5 Volt ermöglicht und der gegenüber Spannungen an den Elektroden von bis zu etwa 20 Volt robust ist. Von der Aufgabe wird die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Dünnschicht-Feldeffekt-Transistors umfasst.
Die Aufgabe wird bei einem Feldeffekt-Transistor der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Zwei die Aufgabe lösende Verfahren sind in den Patentansprüchen 6, 8 und 7, 9 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Ein Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor weist einen Halbleiterkörper auf, der zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain
Elektrode angeordnet ist. Durch ein Potential an einer Gate-Elektrode ist die Ladungsträgerdichte mindestens in einem Abschnitt des Halbleiterkörpers steuerbar. Die Gate-Elektrode, die Source-Elektrode sowie die Drain-Elektrode sind jeweils aus elektrisch leitfähigem Material. Die Gate-Elektrode wird vom Halbleiterkörper durch ein Gate-Dielektrikum beabstandet, das eine selbstorganisierende molekulare Monolage aufweist.
Der Halbleiterkörper ist von der Gate-Elektrode durch eine mehrlagige Gate-Dielektrikumsschicht getrennt, die aus mindestens der molekularen selbstorganisierenden Monolage und einer organischen Polymerschicht besteht. Das monomolekulare Gate-Dielektrikum (SAM) ist dabei mindestens durch eine 5 Nanometer dicke Polymerschicht aus einem elektrisch isolierendem Polymer verstärkt.
Bei einer ausschließlich aus einer selbstorganisierenden molekularen Monolage bestehenden Gate-Dielektrikumsschicht ist die Schichtdicke durch die Länge des verwendeten Moleküls vorgegeben und auf etwa 2 bis 3 Nanometer beschränkt, wodurch sich eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber Spannungen größer als etwa 3 Volt ergibt.
Der Aufbau der Gate-Dielektrikumsschicht eröffnet die Möglichkeit, die Schichtdicke der Gate-Dielektrikumsschicht gezielt zu erhöhen, so dass die Gate-Dielektrikumsschicht robust gegenüber Spannungen bis etwa 20 Volt wird. Bei einer Gesamtschichtdicke des Gate-Dielektrikums von 10 bis 20 Nanometern ergibt sich in vorteilhafter Weise eine niedrige Versorgungsspannung von etwa 2 bis 5 Volt.
Die Ausführung der Gate-Dielektrikumsschicht erlaubt die Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien zur Realisierung der Gate-Elektrode. So zeichnen sich selbstorganisierende moleku lare Monolagen, die auf hinreichend glatten Oberflächen abgeschieden wurden, durch hervorragende Isolatoreigenschaften mit Leckströmen von etwa 1 μA/cm² bei einer Feldstärke von 10 MV/cm und einer Durchbruchsspannung von etwa 3,5 Volt, entsprechend einer Feldstärke von etwa 14 MV/cm, aus. Eine hinreichend glatte Oberfläche ist etwa mit einer dünnen nativen Oxidschicht bedecktes einkristallines Silizium.
Die Isolatoreigenschaften selbstorganisierender Monolagen verschlechtern sich deutlich, wenn die jeweilige Monolage auf vergleichsweise rauer Oberfläche, etwa auf polykristallinen Metalloberflächen, etwa Aluminium, vorgesehen wird. Unebenheiten und Korngrenzen auf der Oberfläche der Metallschichten erhöhen die Störstellendichte in der molekularen Monolage und verschlechtern in der Folge deren Isolatoreigenschaften.
Im erfindungsgemäßen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor werden Störstellen in der molekularen Monolage durch das Material der Polymerschicht geschlossen. Die Isolatoreigenschaften einer Gate-Dielektrikumsschicht, insbesondere einer solchen, die auf einer Metalloberfläche vorgesehen ist, sind erfindungsgemäß deutlich verbessert. Damit wird in vorteilhafter Weise die Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien zur Realisierung der Gate-Elektroden ermöglicht.
Vorteilhaft ist weiterhin die hohe thermische, chemische und mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen mehrlagigen Gate-Dielektrikumsschicht.
Erfindungsgemäß wird die Gate-Dielektrikumsschicht mit einer Gesamtstärke von zwischen 10 und 50 Nanometern vorgesehen. Es ergibt sich dann eine hohe Spannungsfestigkeit von etwa 25 Volt bei einer vergleichsweise niedrigen erforderlichen Versorgungsspannung von bis etwa 2 Volt. In bevorzugter Weise ist das Polymer der Polymerschicht vernetzt und die me chanische und chemische Stabilität der isolierenden Polymerschicht verbessert.
Als Material für die isolierende Polymerschicht eignen sich alle organischen Polymere und Polymermischungen mit dielektrischen Eigenschaften, die sich bei Prozesstemperaturen von unter 200 Grad Celsius zu wenigen Nanometer dünnen, homogenen und geschlossenen Schichten verarbeiten lassen. Bevorzugt ist das Polymer der isolierenden Polymerschicht Poly-4-vinylphenol, ein Co-Polymer davon oder Polystyren.
Die selbstorganisierende molekulare Monolage ist zwischen der Gateelektrode und der dielektrischen Polymerschicht vorgesehen, wobei die selbstorganisierende molekulare Monolage kovalent an die Gateelektrodenoberfläche gebunden ist. Die dielektrische Polymerschicht füllt Fehlstellen in der Monolage und ermöglicht damit deren Verwendung auf Metallen oder polykristallinen leitfähigen Halbleitermaterialien und in der Folge die Verwendung von Metallen und polykristallinen Halbleitermaterialien für die Gate-Elektrode.
Bei einer umgekehrten Anordnung mit der Reihenfolge Gateelektrode, dielektrische Polymerschicht und selbstorganisierende molekulare Monolage kann zwar eine molekulare Schichtbildung auf einer geeigneten dielektrischen Polymerschicht erfolgen. Bedingt durch die geringere Dichte und unregelmäßige Verteilung von Ankergruppen an der Polymeroberfläche zur kovalenten Anbindung der Moleküle der Monolage weist diese jedoch nicht die Isolatoreigenschaften von direkt auf dem Gateelektrodenmaterial abgeschiedenen Monolagen auf.
Das Material der Monolage ist erfindungsgemäß eine Verbindung der allgemeinen Formel R₁Si(R₂)₃, wobei R₁ eine Alkylgruppe mit 10 bis 30 Kohlenstoffatomen ist, die gegebenenfalls mit ein oder mehreren Heteroatomen oder Arylgruppen substituiert sein kann und wobei R₂ ein Halogen oder eine Alkoxygruppe ist, abgeleitet von einem Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen.
In besonders bevorzugter Weise ist das Material der selbstorganisierenden molekularen Monolage (18-Phenoxyoctadecyl)trichlorsilan, ([18-(1',1''-Biphenyl-4'-yloxy)octadecyl]trichlorsilan, (17-Thien-2'-ylheptadecyl)trichlorsilan, (17-Thien-2'-yloctadecyl)trichlorsilan oder 4-(18'-Trichlorsilyloctadecyloxy)benzonitril.
Bevorzugt ist der Halbleiterkörper des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors aus einem organischen Halbleitermaterial. Auch anorganische Halbleiterschichten (z.B. amorphes Silizium) welche bei Temperaturen unterhalb von 200°C abgeschieden werden können, sind geeignet. Der Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor kann dann durchgehend bei relativ niedrigen Prozesstemperaturen unterhalb etwa 200 Grad Celsius hergestellt werden, wobei die Gate-Dielektrikumsschicht bei geringen Schichtdicken qualitativ hochwertig ist und eine hohe Spannungsfestigkeit auf relativ rauen, polykristallinen Metall- oder Halbleiteroberflächen gewährleistet.
Als Trägersubstrat wird bevorzugt eine flexible Folie oder Glas vorgesehen. In besonders vorteilhafter Weise ist der erfindungsgemäße Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor auf einer Polymerfolie ausgebildet. Abhängig von der Ausführung des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit entweder dem Halbleiterkörper unterliegenden Source- bzw. Drain-Elektroden (bottom-contact TFT) oder auf dem Halbleiterkörper aufliegenden Source- und Drain-Elektroden (top-contact TFT) ergeben sich zwei Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors.
Nach einem ersten Verfahren wird zunächst ein leitfähiges Material auf ein Trägersubstrat aufgebracht und strukturiert, wobei aus dem leitfähigen Material eine Gate-Elektrode ausgebildet wird. Auf die Oberfläche der Gate-Elektrode wird eine selbstorganisierende molekulare Monolage (SAM) aufgebracht. Das Aufbringen der SAM erfolgt entweder aus einem organischen Lösungsmittel oder aus der Gasphase. Auf die molekulare Monolage wird erfindungsgemäß eine dielektrische Polymerschicht aufgebracht. Die dielektrische Polymerschicht besteht aus einem isolierenden Polymer oder einer Polymermischung. Die dielektrische Polymerschicht bildet erfindungsgemäß eine homogene, geschlossene Schicht mit einer bevorzugten Dicke von maximal 10 bis 50 Nanometern. Auf die Polymerschicht wird eine Elektrodenschicht aus einem leitfähigem Material aufgebracht und strukturiert, wobei aus der Elektrodenschicht oberhalb der Gate-Elektrode voneinander beabstandete Source- und Drain-Elektroden hervorgehen. Anschließend wird ein organisches Halbleitermaterial aufgebracht, wobei das Halbleitermaterial zwischen der Source- und der Drain-Elektrode auf der dielektrischen Polymerschicht aufliegt und einen Halbleiterkörper des Dünnschicht Feldeffekt-Transistors ausbildet.
Nach einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren wird anstelle der Elektrodenschicht das organische Halbleitermaterial auf die dielektrische Polymerschicht aufgebracht und auf das organische Halbleitermaterial eine Elektrodenschicht aus einem leitfähigem Material aufgebracht und strukturiert, so dass auf der Elektrodenschicht oberhalb der Gate-Elektrode voneinander beabstandete Source- und Drain-Elektroden hervorgehen.
Die dielektrische Polymerschicht wird bevorzugt aus einem organischen Lösungsmittel aufgebracht, etwa durch Aufschleudern, Aufsprühen oder Drucken. In vorteilhafter Weise wird zur Erhöhung der mechanischen, chemischen und thermischen Stabilität das Polymer der dielektrischen Polymerschicht vernetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung integrierter Schaltungen auf Glas oder flexiblen polymeren Substraten bei relativ niedrigen Prozesstemperaturen. Die dabei ausgebildeten hochwertigen Gate-Dielektrika können mit geringen Schichtdicken vorgesehen werden, so dass die integrierten Schaltungen bei Versorgungsspannungen unterhalb von etwa 40 Volt betrieben werden können, wobei gleichzeitig eine hohe Spannungsfestigkeit der Gate-Dielektrikumsschicht auch auf relativ rauen, polykristallinen Metalloberflächen gewährleistet wird.
Im Folgenden werden die Erfindung und deren Vorteile anhand von Figuren näher erläutert, wobei einander entsprechende Bauteile und Komponenten mit den jeweils gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
1: einen Querschnitt durch einen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit untenliegenden Source- und Drain-Kontakten,
2: einen Querschnitt durch einen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit aufliegenden Source- und Drain-Kontakten,
3: einen Querschnitt durch eine integrierte Schaltung mit einem Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4: eine Ausgangs-Kennlinie eines organischen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5: ein Durchgangs-Kennlinienfeld des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors nach der 4,
6: eine Durchgangs-Kennlinie eines mit Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebauten Inverters und
7: die Signalverzögerungszeit eines Ringoszillators mit organischen Feldeffekt-Transistoren nach einem nächsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 1 zeigt den schematischen Aufbau eines organischen Feldeffekt-Transistors mit untenliegenden Source- und Drain-Kontakten und zweilagiger Gate-Dielektrikumsschicht im Querschnitt.
Der Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor ist auf einem Trägersubstrat 1, etwa einer Polymerfolie, ausgebildet. Der Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor umfasst eine Source-Elektrode bzw. einen Source-Kontakt 41, eine Drain-Elektrode bzw. einen Drain-Kontakt 42 sowie eine Gate-Elektrode bzw. einen Gate-Kontakt 21. Die Gate-Elektrode 21 liegt auf dem Trägersubstrat 1 auf und ist von einer Gate-Dielektrikumsschicht 3 ummantelt. Der Source-Kontakt 41 sowie der Drain-Kontakt 42 liegen abschnittsweise auf der Gate-Dielektrikumsschicht 3 auf und sind oberhalb der Gate-Elektrode 21 abschnittsweise durch einen Halbleiterkörper 5 aus einem Halbleitermaterial voneinander beabstandet.
Im Betrieb des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors wird die Ladungsträgerverteilung im Halbleiterkörper 5 durch ein Potential an der Gate-Elektrode 21 gesteuert, so dass ein im Wesentlichen zwischen der Source-Elektrode 41 und der Drain- Elektrode 42 fließender Drainstrom I_D durch den Halbleiterkörper 5 steuerbar ist.
Die Gate-Dielektrikumsschicht 3 umfasst eine selbstorganisierende molekulare Monolage 31 mit einer Schichtstärke von etwa 2 bis 3 Nanometern sowie eine dielektrische Polymerschicht 32 mit einer Schichtstärke von etwa 10 bis 50 Nanometern.
Die vergleichsweise geringe Gesamtschichtdicke der Gate-Dielektrikumsschicht 3 ermöglicht den Betrieb des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors bei niedrigen Versorgungsspannungen.
Der in der 2 dargestellte Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor unterscheidet sich von dem der 1 durch die Anordnung des Source-Kontakts 41 sowie des Drain-Kontakts 42, die jeweils abschnittsweise auf dem Halbleiterkörper 5 aufliegen.
In der 3 ist eine integrierte Schaltung auf der Basis eines organischen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit Zweilagen-Gate-Dielektrikum im Querschnitt dargestellt.
Dargestellt ist dabei ein Interconnect-Bereich 12 sowie ein TFT-Bereich 11 der integrierten Schaltung. Im Interconnect-Bereich 12 ist auf dem Trägersubstrat 1 ein Kontakt 22 angeordnet, der mit einer Source-Elektrode 41 eines im TFT-Bereich 11 ausgebildeten Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor verbunden ist.
Der im TFT-Bereich 11 ausgebildete Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor entspricht in seinem Aufbau dem der 1. Die Gate-Elektrode 21 ist wie der Kontakt 22 aus Aluminium. Die Source-Elektrode 41 sowie eine Drain-Elektrode 42 des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors sind als Abschnitte einer Doppelschicht aus einer unteren 43 und einer oberen 44 Goldbeschichtung ausgebildet. Die Goldbeschichtungen 43, 44 verbin den die Source-Elektrode 41 mit dem Kontakt 22. Die Gate-Dielektrikumsschicht 3 beabstandet die Gate-Elektrode 21 des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors von der Halbleiterschicht 5 und umfasst eine selbstorganisierende molekulare Monolage 31 sowie eine dielektrische Polymerschicht 32.
Werden in organischen integrierten Schaltungen Gate-Dielektrikumsschichten mit einer relativ großer Schichtdicke von mehr als 100 Nanometer eingesetzt, so fungiert das Gate-Dielektrikum außerhalb des TFTs als Feld-Dielektrikum zur Isolation von Leiterbahnen bzw. leitfähigen Strukturen innerhalb einer Metallisierungsebene bzw. zur Isolation aufeinanderfolgender Metallisierungsebenen voneinander.
Wird als Gate-Dielektrikumsschicht eine Zweifachlage aus molekularer selbstorganisierender Monolage und einer Polymerschicht vorgesehen, so wird das Feld-Dielektrikum mindestens teilweise in anderer Weise vorgesehen als die Gate-Dielektrikumsschicht, um die Metallisierungsebenen voneinander ausreichend kapazitiv zu entkoppeln. In der 3 ist die Monolage 31 der Gate-Dielektrikumsschicht 3 lediglich im Bereich des Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors vorgesehen. Dagegen bedeckt die dielektrische Polymerschicht 32 sowohl den Monolager 31 als auch das Feld-Dielektrikum 6.
Die 4 zeigt die Ausgangs-Kennlinie eines organischen Feldeffekt-Transistors mit einer Gate-Elektrode aus Aluminium, einer Gate-Dielektrikumsschicht mit einer selbstorganisierenden molekularen Monolage mit einer Dicke von 2,5 Nanometer und einer dielektrischen Polymerschicht mit einer Dicke von 17 Nanometern, Source- und Drain-Kontakten aus Gold sowie einem Halbleiterkörper aus Pentazen. Die Kanalbreite des organischen Feldeffekt-Transistors beträgt 100 Mikrometer, die Kanallänge 5 Mikrometer.
Es ergibt sich schon bei geringen Versorgungsspannungen bzw. einer vergleichsweise niedrigen Drain-Source-Spannung U_DS von minus 2 Volt eine starke Abhängigkeit des Drainstroms I_D von der Gate-Source-Spannung U_GS.
Die 6 zeigt eine Durchgangslinie eines Inverters, der aus organischen Feldeffekt-Transistoren mit Pentazen als Halbleitermaterial und einem Zweilagen-Gate-Dielektrikum aufgebaut ist.
Die Schaltwelle des Inverters liegt im Bereich von minus 0,5 V bis minus 1,5 Volt. Der Inverter benötigt dabei zum Betrieb eine Versorgungsspannung von minus 5 Volt.
Die 7 gibt die Abhängigkeit einer experimentell ermittelten Signalverzögerungszeit eines fünfstufigen Ringoszillators ohne (a) bzw. mit (b) Pegelverschiebung in Abhängigkeit einer Vorspannung (Ubias) an. Die Ringoszillatoren sind jeweils aus organischen Dünnfilm-Feldeffekt-Transistoren mit einem Zweilagen-Gate-Dielektrikum mit molekularem Monolager und dielektrischer Polymerschicht aufgebaut.

1: Trägersubstrat
11: TFT-Bereich
12: Interconnect-Bereich
21: Gate-Elektrode
22: Kontakt
3: Gatedielektrikumsschicht
31: molekulare Monolage
32: dielektrische Polymerschicht
41: Source-Elektrode
42: Drain-Elektrode
43: untere Goldbeschichtung
44: obere Goldbeschichtung
5: Halbleiterkörper
6: Feld-Dielektrikum
7: Anschlussleitung
UDS: Drain-Source-Spannung
UGS: Gate-Source-Spannung
ID: Drain-Strom
Uin: Eingangsspannung
Uout: Ausgangsspannung
TD: Stufenverzögerung
Ubias: Biasspannung

Claims

Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor mit – einer Gate-Elektrode (21), einer Source-Elektrode (41) und einer Drain-Elektrode (42) aus jeweils elektrisch leitfähigem Material; – einem zwischen der Source-Elektrode (41) und der Drain-Elektrode (42) angeordneten Halbleiterkörper (5) aus einem Halbleitermaterial, wobei durch ein Potential an der Gate-Elektrode (21) eine Ladungsträgerverteilung mindestens in einem Abschnitt des Halbleiterkörpers (5) steuerbar ist; und – einer den Halbleiterkörper (5) von der Gate-Elektrode (21) beabstandenden Gate-Dielektrikumsschicht (3) mit – einer molekularen selbstorganisierenden Monolage (31); sowie – einer dielektrischen Polymerschicht (32) aus einem elektrischen isolierenden Polymer, wobei die dielektrische Polymerschicht (32) zwischen dem Halbleiterkörper (5) und der selbstorganisierenden molekularen Monolage (31) vorgesehen ist; dadurch gekennzeichnet, dass – das dielektrische Polymer Poly-4-vinylphenol, ein Co-Polymer davon oder Polystyren ist und eine Stärke von zwischen 10 und 50 Nanometer aufweist; und – das Material der Monolage eine Verbindung der allgemeinen Formel R₁Si(R₂)₃ ist, wobei R₁ eine Alkylgruppe mit 10 bis 30 Kohlenstoffatomen ist, die gegebenenfalls mit ein oder mehreren Heteroatomen oder Arylgruppen substituiert sein kann und wobei R₂ ein Halogen oder eine Alkoxygruppe ist, abgeleitet von einem Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen.
Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (5) aus einem organischen Halbleitermaterial ist.
Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Halbleitermaterial Pentazen ist.
Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (5) aus einem anorganischen Halbleitermaterial ist.
Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnfilm-Feldeffekt-Transistor auf Glas oder einer flexiblen Folie als Trägersubstrat (1) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit den Schritten: 1) Aufbringen einer Gate-Elektrode (21) aus einem leitfähigen Material auf ein Trägersubstrat (1); 2) Aufbringen einer dielektrischen, selbstorganisierenden molekularen Monolage (31) auf die Gate-Elektrode (21), wobei das Material der Monolage eine Verbindung der allgemeinen Formel R₁Si(R₂)₃ ist, wobei R₁ eine Alkylgruppe mit 10 bis 30 Kohlenstoffatomen ist, die gegebenenfalls mit ein oder mehreren Heteroatomen oder Arylgruppen substituiert sein kann und wobei R₂ ein Halogen oder eine Alkoxygruppe ist, abgeleitet von einem Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen; 3) Aufbringen einer einer 10 bis 50 Nanometer dicken dielektrischen Polymerschicht (32) aus einem Polymer oder einer Polymermischung auf die Monolage (31), wobei das dielektrische Polymer Poly-4-vinylphenol, ein Co-Polymer davon oder Polystyren ist; 4) Aufbringen und Strukturieren einer Elektrodenschicht aus einem leitfähigen Material, wobei aus der Elektrodenschicht oberhalb der Gate-Elektrode (21) voneinander beabstandete Source- und Drain-Elektroden (41, 42) hervorgehen; 5) Aufbringen eines organischen Halbleiterkörpers (5) zwischen der Source- und der Drain-Elektrode (41, 42) auf der Polymerschicht (32).
Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Feldeffekt-Transistors mit den Schritten: 1) Aufbringen einer Gate-Elektrode (21) aus einem leitfähigen Material auf ein Trägersubstrat (1); 2) Aufbringen einer dielektrischen, molekularen selbstorganisierenden Monolage (31) auf die Gate-Elektrode (21), wobei das Material der Monolage eine Verbindung der allgemeinen Formel R₁Si(R₂)₃ ist, wobei R₁ eine Alkylgruppe mit 10 bis 30 Kohlenstoffatomen ist, die gegebenenfalls mit ein oder mehreren Heteroatomen oder Arylgruppen substituiert sein kann und wobei R₂ ein Halogen oder eine Alkoxygruppe ist, abgeleitet von einem Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen; 3) Aufbringen einer 10 bis 50 Nanometer dicken dielektrischen Polymerschicht (32) aus einem Polymer oder einer Polymermischung auf die Monolage (31), wobei das dielektrische Polymer Poly-4-vinylphenol, ein Co-Polymer davon oder Polystyren ist; 4) Aufbringen eines Halbleiterkörpers (5) auf die Polymerschicht (32); 5) Aufbringen und Strukturieren einer Elektrodenschicht aus einem leitfähigen Material, wobei aus der Elektrodenschicht oberhalb der Gate-Elektrode (21) voneinander beabstandete und auf dem Halbleiterkörper (5) aufliegende Source- und Drain-Elektroden (41, 42) hervorgehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Polymerschicht (32) aus einem organischen Lösungsmittel aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Polymerschicht (32) vernetzt wird.