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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Feldeffekttransistoren
auf Basis organischer Materialien.
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Die
Entwicklung leitender und halbleitender organischer Materialien
ermöglicht
es Transistorstrukturen und integrierte Schaltungen auf weitgehend
organischer Basis herzustellen. Dieses Anwendungsgebiet, in dem
die aktiven elektronischen Funktionen durch organische Materialien
erreicht werden, wird im Allgemeinen als Polymerelektronik bezeichnet.
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Elektrische
Funktionen werden in der Polymerelektronik durch Feldeffekttransistoren
realisiert. Als halbleitendes Material werden für diesen Zweck halbleitende
Polymere (z.B. Polytiophene) oder andere organische Materialien
(z.B. Pentacen) verwendet. Obwohl die elektrischen Eigenschaften
dieser Materialien deutlich schlechter als bei anorganischen Halbleitern
sind, gibt es doch eine Reihe von Gründen für die Verwendung dieser Materialien.
Zu nennen sind hierfür
vor allem die mechanische Flexibilität und die Verwendbarkeit einfacher
Beschichtungs- und Strukturierungsverfahren. Polymere können zum Auftrag
entweder als Precursor oder durch Lösung in flüssiger Form aufgebracht werden
und ermöglichen dadurch
den Einsatz kostengünstiger
und effizienter Druck- oder Dispensverfahren. Als Precursor bezeichnet
man reversibel modifizierte Molekülstrukturen, die sich nur geringfügig von
der gewollten Molekülstruktur
unterscheiden. Durch diese Modifikationen werden meist Eigenschaften
wie verbesserte Löslichkeit,
Photaktivität
etc. erreicht. Durch eine nachfolgende Behandlung wie Temperatur,
Licht etc. wird die Struktur dann in die gewollte Form überführt. Beispielsweise
kann durch anfügen
von funktionellen Gruppen an das ansonsten unlösliche Pentacen dieses Derivat
(Precursor) in Lösung
prozessiert werden. Nach der Abscheidung wird der Precursor durch eine
thermische Behandlung dann in Pentacen überführt (d.h. die funktionellen
Gruppen werden entfernt).
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Diese
Vorteile kommen insbesondere zum Tragen, wenn als Substrat (nachfolgend
auch als Substratbasis bezeichnet) Kunststofffolien verwendet werden
und die Systeme in kontinuierlich arbeitenden Rolle-zu-Rolle- Verfahren hergestellt
werden. Ähnlich
den Verfahren im Papierdruck können
dadurch niedrige Kosten und hoher Durchsatz miteinander verbunden
werden.
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Für die Polymerelektronik
zeichnen sich daher die folgenden Anwendungsgebiete ab:
- • Fertigung
einfacher Elektronik zu ausgesprochen niedrigen Herstellungskosten
(z.B. als kontaktlos lesbares Label zur Warenkennzeichnung)
- • Herstellung
großflächig verteilter
aktiver Komponenten (z.B. für
die Ansteuermatrix eines flexiblen Displays)
- • Softwaregesteuerte
Druckverfahren zur Herstellung anwenderspezifischer Polymerelektronik.
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Die
Arbeiten zur Polymerelektronik konzentrieren sich derzeit noch sehr
stark auf die Herstellung von Einzelstrukturen, insbesondere auf
die Herstellung von Transistoren, die analog zum anorganischen Dünnschichttransistor
(TFT, von engl. „thin
film transistor")
aufgebaut sind. Derartige Transistoren wurden bereits zu kompletten
Schaltungen integriert. Die Leistungsfähigkeit von polymeren Schaltkreisen ist
derzeit allerdings noch sehr gering. Dies liegt zum einen an den
Materialeigenschaften des organischen Halbleiters. Die derzeit bekannten
Materialien zeigen noch eine vergleichbar niedrige Mobilität der Ladungsträger, wodurch
die Schaltgeschwindigkeiten von Transistoren begrenzt sind (typ.
im kHz-Bereich). Zum anderen sind die Struktur- und Positionierungsgenauigkeit
auf Folienmaterialien deutlich geringer als auf starren Substraten.
Eine Miniaturisierung wie in der Siliziumtechnologie ist daher für polymerelektronische
Schaltungen nicht möglich
und aufgrund der kostengünstigen
Verfügbarkeit
billigen Substratmaterials auch nicht vordringlich.
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Es
gibt eine Reihe von Verfahren, die zur Erzeugung halbleitender Polymerstrukturen
eingesetzt werden. In den meisten Fällen basieren diese auf Prozessen
der Waferfertigung, wie dem Aufschleudern von Materialien, der Lithographie,
der Ätztechnik
oder der Vakuumbeschichtung. Aufgrund niedriger energetischer Barrieren
zwischen Halbleiter und Elektrodenmaterial werden derzeit meist
teure und nur mit hohem Aufwand strukturierbare Materialien, beispielsweise
Metalle wie z. B. Gold, beispielsweise PEDOT/PSS (Poly(3,4-Ethyl-enedioxythiophen)/Polystyrene
Sulfonate) oder Pani als Elektrodenmaterial bzw. Kontaktmaterial
verwendet.
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Hierbei
werden derzeit bei organischen Dünnschichttransistoren
die Elektroden komplett aus den Materialien, wie Gold, PEDOT-PSS
oder Pani gefertigt. Dies ist eine Eigenheit, die den Dünnschichttransistor
(den anorganischen wie den organischen Dünnschichttransistor) von seinen
einkristallinen Verwandten unterscheidet. Der Aufbau ist hierbei
beim Dünnschichttransistor
additiv (d.h. es erfolgen keine komplementären Implants von Elektrodenwannen)
im Gegensatz zum MOSFET, bei dem die eigentliche Elektrode durch
eine Modifikation des Substratmaterials (Implantation bzw. Implant)
entsteht.
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Mit
weniger „edlen" Metallen als Gold
ergeben sich signifikante Energiebarrieren. Der Nachteil von organischen
Materialien wie PEDOT/PSS als Kontaktmaterial besteht in ihrer vergleichsweise
geringen Leitfähigkeit.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der
Technik, einen auf halbleitenden organischen Materialien basierenden Feldeffekttransistor
zur Verfügung
zu stellen, der eine verringerte energetische Barriere zwischen
Elektrodenkontakt und Halbleiter sowie eine hohe elektrische Leitfähigkeit
des Kontaktmaterials aufweist. Aufgabe ist es darüber hinaus,
einen organischen Feldeffekttransistor zur Verfügung zu stellen, der auf einfache
Art und Weise ohne Einsatz teuerer Spezialverfahren hergestellt
werden kann und dessen einzelne Bestandteile mit hoher Genauigkeit
strukturiert werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus, entsprechende Herstellungsverfahren
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch den organischen Feldeffekttransistor nach Anspruch
1 sowie das entsprechende Herstellungsverfahren für einen
organischen Feldeffekttransistor nach Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors sowie
des entsprechenden Herstellungsverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Herkömmliches
Kupfer (Cu), beispielsweise Cu auf fle xiblen Substraten (also mit
Kupfer beschichtete flexible Materialien bzw. flexible Foliensubstrate
aus PE, PET, PI usw.), weist eine vergleichsweise hohe energetische
Barriere für
die Ladungsträgerinjektion
von der Elektrode in den organischen Halbleiter (im Folgenden auch
Halbleiterbereich genannt) auf. Aus diesem Grund können mit
reinem Kupfer als Source- und Drain-Elektrode bzw. als Source- und
Drain-Kontakte keine leistungsfähigen Transistoren
hergestellt werden.
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Eine
signifikante Verbesserung der Kontakteigenschaften lässt sich
jedoch erreichen, indem die Kupferoberfläche modifiziert wird, d.h.
indem diejenige Oberfläche
bzw. derjenige Oberflächenbereich der
Kupferelektroden, die bzw. der dem organischen Halbleiterkanal (nachfolgend
auch alternativ als organischer Halbleiterbereich oder organische
Halbleiterschicht bezeichnet) zugewandt ist und an diesen angrenzt,
modifiziert wird.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Oberflächenmodifikation
durch Herstellen einer Zwischenschicht aus Kupferoxid, d.h. einer
Schicht aus Kupferoxid, welche auf dem Kupfer der Elektroden so
angeordnet ist bzw. auf dieses so aufgebracht wird, dass sie zwischen
dem Kupferbereich der Elektroden und dem organischen Halbleiter
angeordnet ist.
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Mit
Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens kann Kupfer als Elektrodenmaterial überhaupt
erst verwendet werden. Kupfer hat hierbei im Vergleich mit anderen Materialien
insbesondere die nachfolgend vorgestellten Vorteile:
- • Kupfer
weist insbesondere im Vergleich zu Gold und PEDOT eine signifikant
erhöhte
Leitfähigkeit auf.
- • Im
Vergleich zu Gold und insbesondere zu reinem Kupfer ist die energetische
Barriere zwischen Elektrodenkontakt und Halbleiter bei der Verwendung
von Kupfer mit einer oberflächenmodifizierten
Kupferoberfläche
wie beschrieben deutlich verringert.
- • Kupfer
besitzt im Vergleich zu Gold und im Vergleich zu PEDOT eine verbesserte
Verarbeitbarkeit.
- • Im
Vergleich zu Gold ist der Preis von Kupfer deutlich geringer.
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Eine
solche oberflächenmodifizierte
Kupferoberfläche
kann vorteilhafterweise wie folgt hergestellt werden (die Beschreibung
erfolgt hierbei am Beispiel eines flexiblen Substrats; die Modifikation der
Cu-Oberfläche
ist jedoch unabhängig
vom Substrat und nicht nur auf flexible Substrate beschränkt): Als
Ausgangsbasis wird mit Kupfer beschichtetes flexibles Folienmaterial
wie beschrieben verwendet. Die Kupferelektroden werden anschließend auf
diesem Folienmaterial mit Hilfe von W-lithographischen Verfahren
und/oder Standard-Ätzprozessen
herausgebildet. In einem nachfolgenden Schritt wird das dergestalt
strukturierte Substrat mit den Kupfer-Elektroden mit einer Kombination
von Lösungsmitteln
und sauren Medien von Verun reinigungen befreit. Die Reinigung erfolgt
hierbei bevorzugt in folgender Reihenfolge: Anwendung von Aceton
(zum Entfernen von Lackresten usw.) und von 2-Propanol, Salzsäure oder
Schwefelsäure
(zum Entfernen von natürlichen Oxiden).
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Anschließend wird
die freiliegende Kupferoberfläche
der künftigen
Elektroden beispielsweise nasschemisch oder auch durch andere Verfahren verändert. Eine
Möglichkeit
hierzu besteht in der kontrollierten Oxidation dieser Kupferoberfläche. Hierdurch
wird auf der Kupferoberfläche
eine Schicht (spätere
Zwischenschicht) aus Kupferoxid erzeugt, welche halbleitende Eigenschaften
aufweist. Durch die speziellen Eigenschaften dieser Zwischen-Schicht)
verringert sich die energetische Barriere zwischen dem reinen Kupfer
und dem organischen Halbleiter signifikant. Das Kupfer kann nicht nur
nasschemisch, sondern auch durch andere Verfahren an der Oberfläche oxidiert
werden (beispielsweise durch thermische Oxidation).
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Da
bei der natürlichen
Oxidation nicht von einer homogen über die ganze Oberfläche gleichartigen
Schicht ausgegangen werden kann, wird, um eine gleichartige Schicht
zu gewährleisten,
natives Oxid im vorliegenden Verfahren bei der Reinigung entfernt
und durch eine kontrolliert gewachsene Oxidschicht, die die geforderten
Eigenschaften aufweist, ersetzt.
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Bei
der Schichterzeugung des Halbleiters (bzw. des Halbleiterkanals)
können
beim erfindungsgemäßen Verfahren
zwei Wege gegangen werden: Zum Einen können Halbleiter wie Pentacen
(kleine Moleküle),
da sie nicht löslich
sind, mit Aufdampfverfahren abgeschieden werden. Lösliche Polymere, wie
beispielsweise das Poly(3-hexylthiophen), die löslich sind, können dagegen
aus der Lösung
abgeschieden werden. Zum Aufbringen von letzteren stehen ebenfalls
eine Vielzahl von Verfahren zur Verfügung (bspw. Rakeln, Dispensen,
Schleudern, Aufrollen, Sprühen
usw.).
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Mit
Hilfe dieses Verfahrens können
leistungsfähige
Feldeffekttransistoren auf der Basis von Kupferelektroden hergestellt
werden. Solche organischen Feldeffekttransistoren, insbesondere
solche organischen Dünnschicht-Feldeffekttransistoren
mit Source- und Drain-Elektroden aus oberflächenmodifiziertem Kupfer bieten
gegenüber
Polymertransistoren, welche Elektroden aus einem Edelmetall (beispielsweise
Gold) oder aus organischen Materialien (wie beispielsweise PEDOT/PSS)
verwenden eine Reihe von Vorteilen:
- • Mit Kupfer
beschichtetes flexibles Folienmaterial bzw. Substratmaterial (beispielsweise
aus PE, PET, PI usw.) ist kommerziell und preiswert erhältlich.
Die Beschichtung eines solchen Folienmaterials mit Gold statt mit
Kupfer ist sehr aufwendig, teuer und erfordert meist eine zusätzliche
metallische Haftschicht.
- • Zur
Strukturierung des Kupfers auf dem Substrat kann auf in der Industrie übliche Verfahren
zurückgegriffen
werden (beispielsweise UV-lithographische Verfahren und/oder Standard-Ätzprozesse).
Es sind damit keine teueren Spezialpro zesse wie beispielsweise spezielle
Vakuumprozesse oder selektives Ätzen
bei metallischen Haftschichten notwendig.
- • Gegenüber einem
Aufbau mit leitfähigen
Polymeren als Elektrodenmaterial bietet die technische Lösung mit
dünnmetallisiertem
Kupfer wesentlich bessere elektrische Leitfähigkeit.
- • Wesentlich
für die
Eigenschaften polymerelektronischer Schaltungen sind möglichst
kleine Abstände
zwischen Source- und Drain-Elektroden. Die Strukturierung von Kupfer
ist mit Hilfe UV-litographischer
Verfahren und Standard-Ätzprozessen
mit einer deutlich besseren Auflösung
möglich
als der Aufdruck von Polymeren als Elektroden.
- • Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist kompatibel mit der Prozessierung in einem kontinuierlich arbeitenden
Rolle-zu-Rolle-(Druck)-Verfahren.
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Ein
erfindungsgemäßer organischer
Feldeffekttransistor kann, wie in dem nachfolgenden Beispiel beschrieben,
aufgebaut sein und verwendet werden.
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Die
einzige 1 zeigt ein Beispiel eines solchen
organischen Feldeffekttransistors (Schnittansicht in einer Ebene
senkrecht zur Substratebene).
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Basis
des organischen Feldeffekttransistors ist im nachfolgend beschriebenen
Fall eine Substratbasis aus einer dünnen, flexiblen Polyethylenfolie
(Es kann jedoch auch ein nicht-flexibles Substrat als Basis verwendet
werden.). Auf dieser Substratbasis 1 und an grenzend an
diese sind seitlich nebeneinander versetzt bzw. beabstandet voneinander
die Source-Elektrode 2 und
die Drain-Elektrode 3 angeordnet. Die beiden Elektroden
sind als flache Elektroden ausgebildet, welche in Bezug auf die
Richtung senkrecht zur Substratbasisebene auf derselben Höhe und unmittelbar
angrenzend an die Substratbasis 1 angeordnet sind.
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Die
Source-Elektrode 2 und die Drain-Elektrode 3 bestehen
jeweils aus einer dünnen
Kupferschicht 2a bzw. 3a, deren dem organischen
Halbleiter 4 zugewandter (bzw. an den Halbleiter 4 angrenzender)
Oberflächenbereich
oberflächenmodifiziert
ist. Durch die Oberflächenmodifikation
ist eine dünne Kupferoxidschicht
als Zwischenschicht 2b bzw. 3b zwischen dem Kupfer 2a, 3a der
Elektroden 2, 3 und der organischen Halbleiterschicht 4 ausgebildet.
Der Übergang
der Ladungsträger
erfolgt somit zwischen den Kupferbereichen 2a, 3a und
dem Halbleiterbereich bzw. dem Halbleiterkanal 4 ausschließlich über den
Kupferoxid-Zwischenschichtbereich 2b, 3b.
Ein direkter Übergang
vom Kupfer in den Halbleiter findet nicht statt. Durch den gezeigten
Aufbau verringert sich somit die energetische Barriere zwischen
dem Kupfer 2a, 3a und dem organischen Halbleiter 4 signifikant.
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Die
Oxidschichten 2b, 3b sind so ausgebildet, dass
sie nicht nur die der Substratbasis 1 abgewandte, zur Substratbasis
parallele Oberfläche 2c, 3c der
Kupferbereiche 2a, 3a bedecken, sondern auch die
seitlich liegenden bzw. senkrecht auf der Substratbasis 1 ste henden
Oberflächenabschnitte 2d, 3d der
Kupferbereiche 2a, 3a.
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Die
Dicke (senkrecht zur Substratbasisebene) der Kupferbereiche 2a, 3a der
Elektroden beträgt hier
D = 0.1 μm
(und liegt generell bevorzugt zwischen 0.01 und 1 μm), die Dicke
der Kupferoxidschicht 2b, 3b beträgt hier
d = 2 nm (und liegt generell bevorzugt zwischen 1 und 10 nm) und
die Dicke des organischen Halbleiterbereiches (der im vorliegenden
Fall aus Polythiophen besteht) beträgt im Zwischenraum 4a zwischen
den zwei beabstandeten Elektroden 2, 3 hier Δ = 122 nm,
so dass die Dicke des Halbleiters 4 oberhalb der Elektroden 2, 3 hier
20 nm (und generell bevorzugt zwischen 10 und 200 nm) beträgt. Durch
die Möglichkeiten,
mit den beschriebenen bekannten Verfahren das Kupfer auf dem flexiblen
Foliensubstrat 1 sehr genau zu strukturieren, ist im vorliegenden
Beispiel ein Abstand a der beiden Elektroden 2, 3 in
einer Ebene parallel zur Substratbasisebene von 10 μm realisiert
(generell beträgt
der Abstand a bevorzugt zwischen 1 und 500 μm).
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Die
auf den Elektroden 2, 3 und angrenzend an diese
angeordnete, organische Halbleiterschicht 4 bedeckt die
Elektroden 2, 3 sowie den zwischen den beiden
Elektroden durch ihre Beabstandung gebildeten Zwischenraum 4a vollständig. Auf
der organischen Halbleiterschicht 4 und angrenzend an diese ist
eine Isolatorschicht 5 und auf dieser und angrenzend an
diese die Gate-Elektrode 6 angeordnet. Die Isolatorschicht
besteht hier aus einem Polymer, das bezüglich seiner Eigenschaften
kompatibel zur Halbleiterschicht 4 sein muss. Im vorliegenden
Fall wird PMMA verwendet. Es kann jedoch auch beispielsweise PHS,
PIB oder PS oder ein anderes Polymermaterial für die Isolatorschicht 5 verwendet
werden (bevorzugt werden Polymere verwendet, die mit geeigneten
Lösungsmitteln
flüssigprozessiert
werden können).
Für die
Gate-Elektrode 6 wird im vorliegenden Fall PEDOT/PSS eingesetzt.
Es können
jedoch auch andere Materialien, wie beispielsweise Pani, Carbon-basierte
Pasten, Silberleitpasten oder ähnliches
für die
Gate-Elektrode 6 verwendet werden.
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Die
Isolationsschicht 5 weist hier in einer Ebene parallel
zur Substratbasisebene gesehen dieselbe Flächenausdehnung auf bzw. bedeckt
denselben Flächenbereich
wie die Gate-Elektrode 6, wobei dieser Flächenbereich
hier in Schichtebene eine geringere Ausdehnung aufweist als die
Substratbasis 1 und die Halbleiterschicht 4. Die
Isolationsschicht bzw. das Dielektrikum 5 kann jedoch auch
so ausgebildet sein, dass sie bzw. dass es die gesamte, der Substratbasis
abgewandten Oberfläche
des organischen Halbleiters 4 bedeckt.
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Die
Gate-Elektrode 6 (dies gilt im vorliegenden Fall auch für das Dielektrikum 5)
ist vom Substrat 1 her gesehen oberhalb der Source- und
Drain-Elektrode 2, 3 und oberhalb des organischen
Halbleiters 4 angeordnet. Sie ist symmetrisch oberhalb
des den Zwischenraum zwischen der Source- und Drain-Elektrode ausfüllenden
Bereiches 4a des organischen Halbleiters 4 bzw.
in Bezug auf die Source- und Drain-Elektrode und parallel zur Substratbasisebene 1 gesehen
zentriert zwischen Source- und Drain-Elektrode angeordnet. Im vorliegenden
Fall ist die Breitenausdehnung b der drei Elektroden 2, 3 und 6 in
der gezeigten Schnittebene senkrecht zur Substratbasisebene jedoch
größer als
der Abstand a der Source- und der Drain-Elektrode. Aus diesem Grund überlappt
die Gate-Elektrode 6 in
einer Ebene parallel zur Substratbasisebene 1 gesehen die
Source- und die Drain-Elektrode
(Überlappung
der Projektion der Gate-Elektrode 6 und
der Projektionen der Source- und Drain-Elektrode bei Projektion
senkrecht zur Substratbasisebene 1 auf letztere).