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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines organischen
Dünnfilmtransistors (OTFT)
und einen OTFT mit einer Zwischenschicht zwischen Substrat und organischer
Halbleiterschicht.
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Technologischer Hintergrund
und Stand der Technik
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Organische
Dünnfilmtransistoren
(OTFT: organic thin film transistor) sind seit der Entdeckung und
Entwicklung organischer Halbleitermaterialien zunehmend in den Fokus
der Entwicklung miniaturisierter elektronischer Bauelemente gerückt. In
seiner einfachsten Ausformung umfasst ein OTFT eine leitfähige Gate-Elektrode,
die mit einem dünnen
dielektrischen Film bedeckt ist und an den sich eine Schicht aus
dem aktiven organischen Halbleitermaterial anschließt. Als
Halbleitermaterialien werden in der Regel kleinere Moleküle und Oligomere,
wie Pentacene und Polythiophene eingesetzt. Die Halbleiterschicht hat
eine Dicke von wenigen 10 nm und wird seitlich von den Source- und
Drain-Elektroden begrenzt. In der Längserstreckung misst die Halbleiterschicht
wenige 100 nm. Das organische Halbleitermaterial liegt idealerweise
in monokristalliner Form vor, jedoch können auch polykristalline oder
amorphe Filme auf Grund ihrer wesentlich kostengünstigeren Herstellungsweise
Einsatz finden.
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Die
Herstellung von OTFTs lässt
sich sehr kostengünstig
realisieren, z. B. in Anlehnung an die bereits bestehenden Technologien
zur Herstellung von Kunststoff-Mikrostrukturen,
wie insbesondere dem Tintenstrahldruckverfahren (inkjet printing).
Der zur Herstellung von OTFTs in der Praxis bedeutendste Ansatz
zur Herstellung der organischen Halbleiterschicht dürfte der
Tintenstrahldruck sein, bei dem ein aus dem organischen Halbleitermaterial
bestehendes oder diese enthaltene Tinte selektiv in einem bestimmten
Bereich des Substrates aufgebracht wird.
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Herkömmliche
Tinten für
die Herstellung von organischen Halbleiterschichten nach dem Tintenstrahl-Beschichtungsverfahren
sind in der Regel als eher unpolar zu charakterisieren, d. h. das
Halbleitermaterial selbst ist unpolar oder das Lösungsmittel zur Herstellung
der Tinte ist unpolarer Natur. Bei Einsatz herkömmlicher Substrate besteht
nun die Notwendigkeit einer Oberflächenbehandlung des Substrates, um
eine hinreichende Benetzung derselben mit der Tinte sicherzustellen.
Ansonsten wird die erzeugte Halbleiterschicht ungleichmäßig und
erfüllt schlimmstenfalls
nicht die geforderte elektronische Charakteristik des OTFT. Ein
weiterer Nachteil ist das ungünstige
Benetzungsverhalten der Tinte bei Auftrag auf Flächen, die aus Werkstoffen mit
zwei oder mehr verschiedenen Oberflächenenergien bestehen. Obgleich
der zunächst
aufgesetzte Tintentropfen beide Werkstoffe benetzt, kommt es beim
Trocknen der Tinte häufig
zu einer erneuten Separation und es bilden sich keine homogenen
Strukturen über
die beiden Werkstoffe aus. Hier wird im Stand der Technik eine Oberflächenbehandlung
mittels UV-Licht oder Plasma durchgeführt, wobei allerdings auch
die Oberflächen
und damit Eigenschaften der bereits vorhandenen funktionellen Elemente
verändert
werden, was unerwünscht
ist.
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Ein
weiteres Problem ist darin zu sehen, dass die Oberflächenstruktur
des Trägermaterials
für die
Zwischenschicht Einfluss auf den Kristallisationsprozess hat. Da
der Kristallisationsgrad und die Kristallisationsrichtung wesentliche
Charakteristika des OTFTs darstellen, sollte in der Massenproduktion
ein möglichst
gleichmäßiges Kristallisationsverhalten
gegeben sein. Bei herkömmlichen
OTFTs wird je nach Auslegung des Herstellungsverfahren das organische
Halbleitermaterial direkt auf die dielektrische Schicht oder direkt
auf das Substrat aufgetragen, ohne das der Einfluss dieser Bauelemente
auf das Kristallisationsverhalten berücksichtigt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die geschilderten Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden
oder zumindest zu mindern.
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Diese
Aufgabe der Erfindung wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines organischen Dünnfilmtransistors (OTFT) gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die Schritte:
- (i) Bereitstellen eines
Substrats;
- (ii) ganz oder teilweises Beschichten einer Oberseite des Substrats
mit einer Zwischenschicht;
- (iii) Aufbringen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode
auf der Zwischenschicht; und
- (iv) Aufbringen einer Halbleiterschicht, die aus einem organischen
Halbleitermaterial besteht, auf der Zwischenschicht zwischen der
Source-Elektrode und der Drain-Elektrode.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass mit Hilfe der Zwischenschicht
das Benetzungsverhalten als auch das Kristallisationsverhalten des
organischen Halbleitermaterials verbessert werden kann. Darüber hinaus
hat es sich gezeigt, dass auch ein Haftvermögen der Source- und Drain-Elektroden
an dem Substrat durch die erfindungsgemäße Zwischenschicht verbessert
ist.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen durch das erfindungsgemäße Verfahren
oder auf anderem Wege hergestellten organischen Dünnfilmtransistor
(OTFT). Dieser erfasst erfindungsgemäß:
- (i)
ein Substrat;
- (ii) eine Zwischenschicht, die eine Oberseite des Substrats
ganz oder teilweise bedeckt;
- (iii) eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, die auf
der Zwischenschicht aufgebracht sind; und
- (iv) eine Halbleiterschicht aus einem organischen Halbleitermaterial,
die zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode angeordnet
ist und die auf der Zwischenschicht aufgebracht ist.
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Der
erfindungsgemäße OTFT
unterscheidet sich demnach augenfällig von herkömmlichen
OTFTs durch die Gegenwart einer Zwischenschicht zwischen Substrat
und Halbleiterschicht.
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Das
Substrat ist vorzugsweise aus einem Werkstoff geformt, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Glas oder einem flexiblem Kunststoff. Ist das
Substrat aus Glas geformt, so vorzugsweise aus Borosilikatglas.
Eine Dicke des Glassubstrates beträgt 0,3 bis 3 mm. Ist das Substrat
aus einem flexiblen Kunststoff geformt, so liegt dieser insbesondere als
flexible Folien vor. Der Kunststoff ist vorzugsweise ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus PET (Polyethylenterephthalat), PEN (Polyethylennaphthalat),
PC (Polycarbonat), PES (Polyethersulfon), PCO (polymersierte Cycloolefine),
PAR (Polyarylate), PI (Polyimide). Eine Dicke des Kunststoffsubstrates
beträgt
0,05 bis 1 mm.
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Vorzugsweise
besteht die Zwischenschicht aus einem hydrophoben Werkstoff, insbesondere
einem Polymer. Letztere lassen sich fertigungstechnisch besonders
einfach verarbeiten, so kann vorzugsweise das Beschichten mit der
Zwischenschicht im Schritt (ii) mittels Schleuderauftrag (spin coating) erfolgen.
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Der
hydrophobe Werkstoff der Zwischenschicht ist vorzugsweise ein Polymer
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polyacryl, Polysilan, Polyethylen,
Polyester, Ormocer und Polyoxyphenylen. Der Begriff Ormocer steht
dabei für
ein Hybridpolymer aus organischen und anorganischen Komponenten.
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Die
Zwischenschicht erfüllt
vorzugsweise ein oder mehrere der folgenden Parameter:
- (i) Rauhigkeit
Die Rauhigkeit Ra liegt im Bereich: 0,3
nm < Ra < 3 nm.
- (ii) Oberflächenenergie
Die
Oberflächenenergie
hängt von
dem eingesetzten Material für
die Source/Drain-Elektroden und der halbleitenden Tinte ab. Bevorzugt
ist folgende Kombination:
Source/Drain-Elektroden: Gold;
Lösungsmittel
der Tinte: Dimethylanisol oder Tetralin;
Zwischenschicht: Polyimid
(Oberflächenenergie 50
mN/m).
- (iii) Leitfähigkeit
Die
Zwischenschicht ist ein elektrischer Isolator.
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Das
organische Halbleitermaterial der Halbleiterschicht ist vorzugsweise
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Pentacene (insbesondere TIPS-Pentacen),
Polythiophene, Poly(triarylamine), Polymere aus 9,9-Dioctylfluoren
und Bithiophenmonomeren (F8T2) und Oligothiophene.
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Die
Source- und Drain-Elektroden sind vorzugsweise aus einem Werkstoff
geformt, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Palladium, PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat)
und ITO (Indiumzinnoxid). Der Werkstoff ist vorzugsweise ein leitfähiges Material
mit hoher Austrittsarbeit (> 4eV).
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Eine
erhöhte
Haftfestigkeit wurde nachgewiesen für die Kombination:
- (i) Substrat: Borsilikatglas;
- (ii) Zwischenschicht: Polyimid;
- (iii) Source/Drain-Elektroden: Gold (thermisch bedampft);
- (iv) Tinte: Pentacene gelöst
in Dimethylanisol (Konzentration 4 Gew.%).
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Die
Zwischenschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke auf, die im
Bereich von 100 nm bis 1 μm
liegt.
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Vorzugsweise
erfolgt im Schritt (iv) des Verfahrens das Aufbringen der Halbleiterschicht
auf die Zwischenschicht durch Tintenstrahldruck (inkjet coating/printing)
mit einer aus dem organischen Halbleitermaterial bestehenden oder
diese enthaltende Tinte. Insbesondere sind die Tinte und die Zwischenschicht
hinsichtlich der Materialwahl so aufeinander abgestimmt, dass ein
Kontaktwinkel eines auf die Zwischenschicht aufgetragenen Tropfens
der Tinte im Bereich von 20° bis
60° liegt.
Als Kontaktwinkel wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen
auf der Oberfläche
eines Feststoffes zu dieser Oberfläche bildet. Die Größe des Kontaktwinkels
zwischen Flüssigkeit
und Feststoff hängt
ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche. Je
geringer diese Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel
und aus der Bestimmung der Kontaktwinkel können bestimmte Eigenschaften
der Oberfläche
eines Feststoffes, wie z. B. seine Oberflächenenergie, bestimmt werden.
Die Bestimmung des Kontaktwinkels kann beispielsweise nach der Methode
des liegenden Tropfens unter Berücksichtigung
der Young'schen
Gleichung mittels optischer Vermessung erfasst werden. Im Spezialfall der
Verwendung von Wasser als Flüssigkeit
bezeichnet man einen Kontaktwinkel von kleiner als 10° als hydrophil
und Winkel von mehr als 90° als
hydrophob. Der Kontaktwinkel einer Flüssigkeit auf einem Feststoff
stellt damit eine Größe dar,
mit der die Benetzbarkeit des Feststoffes mit der Flüssigkeit
quantifizierbar ist.
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Bevorzugte
Lösungsmittel
für die
Tinte sind: Xylol, Anisol, Tetrahydronaphthalin, Dimethylanisol, Trimethybenzol
und Mesitylen. Die Konzentration des Halbleitermaterials liegt vorzugsweise
im Bereich von 1 bis 10 Gew.% (Gewichtsprozent).
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Topgate-OTFT mit einer kontinuierlichen Zwischenschicht;
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2 einen
Topgate-OTFT mit einer strukturierten Zwischenschicht; und
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3 einen
Vergleich der Verfahrensführung
bei der Herstellung eines OTFT nach dem Stand der Technik und nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 ist
eine schematische Schnittansicht durch ein elektronisches Bauelement
mit zwei organischen Dünnfilmtransistoren
(OTFT) mit topgate-Konfiguration. Nach dieser ersten Ausführungsform
der Erfindung befindet sich auf einem Substrat 5 eine Zwischenschicht 7.
Auf dieser Zwischenschicht 7 sind wiederum eine Source-Elektrode 2a und
Drainelektrode 2b, zum Beispiel aus Gold, angeordnet. Zwischen
den beiden Elektroden 2a, 2b befindet sich eine
Halbleiterschicht 1 aus einem organischen Halbleitermaterial.
Die Halbleiterschicht 1 und die Elektroden 2a und 2b werden
von einer Isolatorschicht 3 aus einem dielektrischen Material
bedeckt. Auf dieser Isolatorschicht 3 ist schließlich eine Gate-Elektrode 4 aufgebracht.
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein elektronisches Bauelement mit zwei OTFTs
nach einer zweiten Variante der Erfindung. Bauteile zur Ausführungsform
der 1 gleicher Funktion tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von der der 1 nur
dadurch, dass die Zwischenschicht 7 strukturiert wurde
und nur noch direkt unterhalb der Elektroden 2a, 2b und
der Halbleiterschicht 1 vorhanden ist.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung eines OTFT gemäß der Ausführungsform
der 1 im Vergleich zu einem herkömmlichen OTFT-Herstellungsverfahren
erläutert. 3 illustriert
auf der linken Seite das Verfahren gemäß dem Stand der Technik (I)
und auf der rechten Seite das erfindungsgemäße Verfahren (II).
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In
einem Schritt S1 wird das Substrat 5 bereitgestellt. Das
Substrat 5 besteht beispielsweise aus Borsilikatglas der
Dicke 0,7 mm.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
das Substrat 5 im Schritt S2 mit der Zwischenschicht 7 beschichtet.
Die Beschichtung erfolgt durch Schleuderauftrag (spin coating).
Die Zwischenschicht besteht aus Polyimid und weist eine Schichtdicke
auf von 300 nm.
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Im
Schritt S3 wird ebenfalls durch spin coating ein Fotolack auf die
Zwischenschicht 7 aufgetragen, der mittels einer Fotomaske 9a und
UV-Licht 9b im Schritt S4 partiell belichtet wird. Die
belichteten Bereiche des Fotolackes 8 werden im Schritt
S5 in herkömmlicher
Weise entfernt und es folgt im Schritt S6 der Auftrag einer dünnen Goldschicht 2.
Im Schritt S7 werden die unbelichteten Bereiche des Fotolackes 8 sowie
die hierauf befindliche Goldschicht 2 entfernt und es verbleiben
die Source- und Drain-Elektroden 2a und 2b.
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In
einem Kanal 6 zwischen den beiden Elektroden 2a und 2b muss
nun im Folgenden das organische Halbleitermaterial eingebracht werden.
Im Stand der Technik erfolgt zur Verbesserung des Haftvermögens der
herzustellenden Halbleiterschicht 1 in einem Zwischenschritt
S7' eine Oberflächenbehandlung,
z. B. eine UV- und/oder Ozon-Behandlung 10. Diese Behandlung
wird aber auch zwangsläufig
die physikalischen Eigenschaften der Elektroden 2a und 2b verändern und
darüber
hinaus hat sich gezeigt, dass derartige Behandlungsverfahren schwer
handhabbar sind und die behandelte Oberfläche auf Grund nicht geklärter Mechanismen
sich zeitlich verändert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann auf Grund der vorhandenen Zwischenschicht 7 auf den
Zwischenschritt S7' verzichtet
werden.
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Im
Schritt S8 wird mittels Tintenstrahldruck über einen Kopf 11 eines
Tintenstrahlers ein Tropfen 12 aus dem organischen Halbleitermaterial
in den Kanal 6 eingebracht.
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Dieser
bildet dort nach Trocknung und Auskristallisation die Halbleiterschicht 1 aus.
Die Tinte besteht aus Pentacen gelöst in Dimethylanisol (4% Gewichtsprozent).
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Das
gesamte Halbleiterelement wird in einem Schritt S9 mit der Isolatorschicht 3 aus
einem dielektrischen Material, nämlich
PVP (Polyvinylpropylen), überdeckt.
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Schließlich wird
im Schritt S10 eine Goldelektrode 4 aus Aluminium aufgetragen.