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Die
Anmeldung betrifft das Gebiet von organischen Feldeffekt-Transistoren, insbesondere
von n-Typ organischen Feldeffekt-Transistoren.
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Bei
elektronischen Schaltungen bzw. bei der Realisierung von Logikverknüpfungen
sind bei den meisten Anwendungen sowohl p-Typ als auch n-Typ-Transistoren notwendig.
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Aufgrund
der fehlenden löslichen
Materialien mit ausreichend guten n-leitenden Eigenschaften konnten
n-Typ Transistoren bisher nur über
Verdampfungsprozesse hergestellt werden. Die dabei verdampften Materialien
erfordern für
das Erreichen der notwendigen Qualität der Schichten zusätzlich noch äußerst genau
definierte Prozessparameter, die den Prozess sehr teuer machen.
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Zwar
ist aus der
EP 1 113
502 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmtransistors
mit einem Siliziumfilm, einem Gateisolatorfilm, einem Gateelektrodenfilm
etc umfassend, bekannt, bei dem die Filme oder die Beschichtungen
mit Filmen über Siliziumatome
enthaltende Flüssigkeiten
herstellbar sind. Bei dem Verfahren handelt es sich jedoch um eine
auf der herkömmlichen
Silizium-Halbleitertechnologie basierende Technik, insbesondere
für den Einsatz
bei Flüssigkristall-Displays, die nicht
auf die organische Elektronik übertragbar
ist.
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Eine
lösungsprozessierte
Herstellung auch der organischen Elektronik brächte jedoch den Vorteil einer
schnellen und einfachen Produktion. Die Vielfalt der möglichen
bereits bekannten und ausgereiften Techniken (Siebdrucken, Rakeln,
Tintenstrahldrucken, Sprayen, ...) würden außerdem eine relativ einfache
Anpassung der Produktion an die geforderten Eigen schaften der Schicht
hinsichtlich der Dicke und Struktur möglich machen.
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Es
stellt sich somit die Aufgabe, einen organischen n-Typ Feldeffekt-Transistor
bereitzustellen, der auf einfache Weise herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen n-Typ Feldeffekt-Transistor gemäß Anspruch
1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer N-Typ
Feldeffekt-Transistor ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass das
Halbleitermaterial im Wesentlichen ein Fullerenderivat ist und eine
Löslichkeit
in organischen Lösemit
teln von ≥10 mg/ml
und ≤200
mg/ml sowie eine Ladungsträgermobilität von ≥10–3 cm2/Vs und ≤10
cm2/Vs
und das Gateisolatormaterial
- – ≥20 bis ≤60 Gew.-% γ-Butyrolacton
- – ≥1 bis ≤5 Gew.-% Propylencarbonat
- – ≥35 bis ≤75 Gew.-%
Epoxydharz
≥1
bis ≤5 Gew.-%
eines Photoinitiators, bevorzugt in Form eines Triarylsulfoniumsalzes
enthält.
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Mit „Löslichkeit
in organischen Lösemitteln" im Sinne der Erfindung
ist insbesondere gemeint, dass das Halbleitermaterial eine Löslichkeit
wie angegeben in mindestens einem der Lösemittel ausgewählt aus
der Gruppe Chloroform, Aceton, THF, NMP, Ethanol, Dichlormethan,
Hexan, Pentan, Toluol, Dichlorbenzol, Chlorbenzol, Xylol, Cyclohexanon, Tetralin,
Isopropyl-Alkohol, Methanol und/oder Mischungen daraus besitzt.
Ein bevorzugtes Lösemittel ist
Chloroform.
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Es
hat sich überraschend
herausgestellt, dass mit einem solchen Halbleitermaterial eine einfachere
Herstellung des n-Typ Feldeffekt-Transistors bei gleichzeitig guter
Leistung des Transistors möglich
ist. Insbesondere ist es möglich,
den Transistor dadurch herzustellen, dass die Halbleiterschicht durch
Spincoating, Rakeln oder durch Drucktechniken aufgetragen wird.
Dies ermöglicht
eine viel genauere und schnellere Herstellungsweise als bei n-Typ
Feldeffekt-Transistoren nach dem Stand der Technik.
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Bevorzugt
beträgt
die Löslichkeit
in organischen Lösemitteln ≥1 mg/ml und ≤200 mg/ml,
noch bevorzugt ≥2
mg/ml und ≤100
mg/ml sowie am meisten bevorzugt ≥5
mg/ml und ≤50
mg/ml.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besitzt das Halbleitermaterial eine Ladungsträgerdichte
von ≥1012/cm3 und ≤1015/cm3. Eine solche
Ladungsträgerdichte
hat sich als vorteilhaft für die
Leistung des Feldeffekt-Transistors herausgestellt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besitzt das Halbleitermaterial ein On-Off-Verhältnis von ≥102 und ≤107 für
50/0; 50/50. Dies hat den Vorteil, dass die Funktionalität des Transistors,
nämlich
das leistungslose Schalten von Strömen, gut gewährleistet
ist.
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„On-Off-Verhältnis für 50/0;
50/50" (oder allgemein
für x/y1;
x/y2) im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere
den Unterschied des Drainstromes für eine Drain Source-Spannung
von x bei einer Änderung
der Gate-Source-Spannung
von y1 zu y2 ist, wobei x im Wert meist gleich y2 ist.
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Bevorzugt
ist das On-Off-Verhältnis
für 50/0; 50/50 ≥103 bis ≤106, sowie am meisten bevorzugt ≥104 bis ≤105.
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Bevorzugt
ist das On-Off-Verhältnis
für 50/–50; 50/50 ≥102 bis ≤107, mehr bevorzugt ≥103 bis ≤106, sowie am meisten bevorzugt ≥104 bis ≤105.
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Bevorzugt
ist das On-Off-Verhältnis
für 25/–25; 25/25 ≥102 bis ≤107, mehr bevorzugt ≥103 bis ≤106, sowie am meisten bevorzugt ≥104 bis ≤105.
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Bevorzugt
ist das On-Off-Verhältnis
für 5/0; 5/5 ≥102 bis ≤107, mehr bevorzugt ≥103 bis ≤106, sowie am meisten bevorzugt ≥104 bis ≤105.
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Erfindungsgemäß ist das
Halbleitermaterial im Wesentlichen ein Fullerenderivat. Diese Materialien
haben sich in der Praxis als geeignete Materialien für einen
erfindungsgemäßen Transistor
herausgestellt.
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„Im wesentlichen" im Sinne der vorliegenden Erfindung
bedeutet, dass das Halbleitermaterial zu ≥95 %, bevorzugt zu ≥98 % sowie
am meisten bevorzugt zu ≥99
% und ≤100
% aus diesem Material besteht.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist das Halbleitermaterial im Wesentlichen ein substituiertes
oder unsubstituiertes PCBM-Derivat oder eine Mischung von substituierten oder
unsubstituierten PCBM-Derivaten.
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„Im wesentlichen" im Sinne der vorliegenden Erfindung
bedeutet, dass das Halbleitermaterial zu ≥95 %, bevorzugt zu ≥98 % sowie
am meisten bevorzugt zu ≥99
% und ≤100
% aus diesem Material besteht.
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PCBM
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Abkürzung für [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester,
[6,6]-Phenyl-C71-Buttersäuremethylester oder Mischungen
daraus. Es sei darauf hingewiesen, dass mehrere Isomere des PCBM
existieren, die jedoch für
die vorliegende Erfindung alle gleich geeignet sind, so dass sämtliche
Mischungen der Isomere für
die Erfindung benutzt werden können.
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Das
PCBM kann substituiert oder unsubstituiert verwendet werden. Geeignete
Substituentengruppen sind Halogene oder Alkylreste. Sämtliche Mischungen
von substituierten und unsubstituierten PCBM-Derivaten können für die vorliegende
Erfindung benutzt werden.
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Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die Eigenschaften des n-Typ-Feldeffekt-Transistors
gemäß der vorliegenden
Erfindung nochmals verbessert werden können, wenn zusätzlich zu
dem erfindungsgemäßen Halbleitermaterial auch
bestimmte Gateisolatormaterialien, aus denen die Gateisolatorschicht
hergestellt oder aufgebaut ist, verwendet werden. Nach einer bevorzugten
Ausführungsform
ist das Gateisolatormaterial photochemisch aushärtbar und/oder strukturierbar.
Mit einem solchen Gateisolatormaterial lassen sich Isolatorschichten
herstellen, die die Wirkung des N-Typ-Feldeffekt-Transistors nochmals verbessern. Insbesondere
weist ein Feldeffekt-Transistor gemäß einer solchen Ausführungsform
der Erfindung eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf
- – ausgeprägte Sättigung
des Source-Drain-Stroms des n-Materials
- – ausgeprägter ohmscher
Bereich des Source-Drain Stroms im Niederspannungsbereichs
- – ausgezeichnetes
on-off-Verhältnis
bei geringen Spannungen
- – gute
Kontaktierung des n-typ-Materials durch Ermöglichen des Verwendens unedler
Metalle aufgrund des Bottomgatedesigns
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Erfindungsgemäß enthält das Gateisolatormaterial:
- – ≥20 bis ≤60 Gew.-% γ-Butyrolacton
- – ≥1 bis ≤5 Gew.-% Propylencarbonat
- – ≥35 bis ≤75 Gew.-%
Epoxydharz
- – ≥1 bis ≤5 Gew.-% eines
Photoinitiators, bevorzugt in Form eines Triarylsulfoniumsalzes.
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Dieses
Gateisolatormaterial hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Aus
der Entgegenhaltung WO 2004/068609 A1 bekannt ist ein Herstellungsverfahren,
welches auf den erfindungsgemäßen Transistor
angewandet werden kann. Dieses Verfahren umfasst die Schritte
Aufbringen
einer Gateelektrode,
Aufbringen des Gateisolators, bevorzugt
durch Drucken,
Photostrukturieren des Gateisolators entsprechend den
Deviceerfordernissen,
Aufbringen des Halbleitermaterials, bevorzugt
durch Drucken,
Aufbringen der Elektroden, bevorzugt durch Aufdampfen
oder Drucken.
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Die
vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden
Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung,
Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen,
so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung
finden können.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen,
in denen – beispielhaft – ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Transistors
dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
perspektivische – sehr
schematische – Darstellung
eines organischen n-Typ Feldeffekt-Transistor in Bottom-Gate Struktur
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; sowie
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2 eine – sehr schematische – ausschnittsweise
Schnittdarstellung des Transistors aus 1 etwa entlang
der Linie I-I aus 1.
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1 zeigt
einen organischen n-Typ Feldeffekttransistor 1 in Bottom-Gate
Struktur gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, 2 zeigt
denselben Transistor in einer Schnittansicht. Es sei angemerkt,
dass die meisten Strukturen des Transistors an sich Stand der Technik
sind; jedoch können
alle auf dem Gebiet der organischen Feldeffekt-Transistoren bekannten Strukturen und
Materialien für
die vorliegende Erfindung benutzt werden.
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Der
Transistor 1 besteht aus einem Substrat 50, auf
welchem die weiteren Strukturen aufgebracht sind. Das Substrat 50 besteht
aus Glas oder einer geeigneten Folie, wie PET. Weiterhin verfügt der Transistor über eine
Gate-Elektrode 40, welche aus Gold oder einem geeigneten
Oxid wie ITO (Indium-Zinn-Mischoxid)
bestehen kann. Die Gateelektrode 40 ist von der erfindungsgemäßen Gateisolatorschicht 30 umgeben,
die wie oben beschrieben aufgebaut ist. In der Gateisolatorschicht 30 ist
ein Zugang 70 zur Gateelektrode 40 vorgesehen,
um die Gateelektrode ansteuern zu können.
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In 1 ist
die Gateelektrode 40 zum besseren Verständnis des Transistors eingezeichnet,
obwohl sie sich in Wahrheit unterhalb des Isolatormaterials 30 befindet.
Die genauen Verhältnisse
sind besser aus 2 ersichtlich. Die beiden Figuren
sind jedoch rein schematisch und die Größenverhältnisse zwischen den einzelnen
Strukturen sind in Wahrheit je nach Anwendung zum Teil drastisch
von den Darstellungen in den Figuren verschieden.
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Auf
der Gateisolatorschicht 30 befindet sich die erfindungsgemäße Halbleiterschicht 10.
Diese besteht aus einem wie oben beschriebenen Material und wurde
in dieser Ausführungsform
durch Drucken aufgebracht. Jedoch kommen prinzipiell auch alle anderen
oben beschriebenen Auftragungsmöglichkeiten
in Frage.
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Oberhalb
der Halbleiterschicht befinden sich zwei Elektroden, die Drain-Elektrode 20 und
die Source-Elektrode 60.
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Die
Gate-Elektrode 40 wirkt als Basis des Transistors 1.
Wird an die Gate-Elektrode ein Feld angelegt, so wirken die Halbleiterschicht 10,
die Gateisolatorschicht 30 und die Gate-Elektrode 40 als eine Art Kondensator,
der einen Stromfluß zwischen Drain 20 und
Source 60 bewirkt, wodurch der Transistor 1 gesteuert
werden kann.
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Dadurch,
dass die Halbleiterschicht 10 und die Gateisolatorschicht 30 bei
der Steuerung des Transistors zusammenwirken, ist es besonders vorteilhaft
und in dieser Ausführungsform
auch vorgesehen, dass die Gateisolatorschicht 30 aus einem Gateisolatormaterial,
welches photochemisch aushärtbar
und/oder strukturierbar ist, hergestellt wurde. In diesem Fall erhält man einen
wie oben beschriebenen besonders vorteilhaften Feldeffekt-Transistor.