DE102007002119A1 - Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnfilmtransistors und organischer Dünnfilmtransistor mit einer Zwischenschicht zwischen Substrat und organischer Halbleiterschicht - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnfilmtransistors und organischer Dünnfilmtransistor mit einer Zwischenschicht zwischen Substrat und organischer Halbleiterschicht Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines organischen DünnfiBereitstellen 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.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnfilmtransistors (OTFT) und einen OTFT mit einer Zwischenschicht zwischen Substrat und organischer Halbleiterschicht.
- Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu mindern.
- 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.
- 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.
- 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.
- Der erfindungsgemäße OTFT unterscheidet sich demnach augenfällig von herkömmlichen OTFTs durch die Gegenwart einer Zwischenschicht zwischen Substrat und Halbleiterschicht.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.%).
- Die Zwischenschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke auf, die im Bereich von 100 nm bis 1 μm liegt.
- 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.
- 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).
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Topgate-OTFT mit einer kontinuierlichen Zwischenschicht; -
2 einen Topgate-OTFT mit einer strukturierten Zwischenschicht; und -
3 einen Vergleich der Verfahrensführung bei der Herstellung eines OTFT nach dem Stand der Technik und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
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 Substrat5 eine Zwischenschicht7 . Auf dieser Zwischenschicht7 sind wiederum eine Source-Elektrode2a und Drainelektrode2b , zum Beispiel aus Gold, angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden2a ,2b befindet sich eine Halbleiterschicht1 aus einem organischen Halbleitermaterial. Die Halbleiterschicht1 und die Elektroden2a und2b werden von einer Isolatorschicht3 aus einem dielektrischen Material bedeckt. Auf dieser Isolatorschicht3 ist schließlich eine Gate-Elektrode4 aufgebracht. -
2 zeigt einen Schnitt durch ein elektronisches Bauelement mit zwei OTFTs nach einer zweiten Variante der Erfindung. Bauteile zur Ausführungsform der1 gleicher Funktion tragen die gleichen Bezugszeichen. Die Ausführungsform der2 unterscheidet sich von der der1 nur dadurch, dass die Zwischenschicht7 strukturiert wurde und nur noch direkt unterhalb der Elektroden2a ,2b und der Halbleiterschicht1 vorhanden ist. - 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). - In einem Schritt S1 wird das Substrat
5 bereitgestellt. Das Substrat5 besteht beispielsweise aus Borsilikatglas der Dicke 0,7 mm. - Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Substrat
5 im Schritt S2 mit der Zwischenschicht7 beschichtet. Die Beschichtung erfolgt durch Schleuderauftrag (spin coating). Die Zwischenschicht besteht aus Polyimid und weist eine Schichtdicke auf von 300 nm. - Im Schritt S3 wird ebenfalls durch spin coating ein Fotolack auf die Zwischenschicht
7 aufgetragen, der mittels einer Fotomaske9a und UV-Licht9b im Schritt S4 partiell belichtet wird. Die belichteten Bereiche des Fotolackes8 werden im Schritt S5 in herkömmlicher Weise entfernt und es folgt im Schritt S6 der Auftrag einer dünnen Goldschicht2 . Im Schritt S7 werden die unbelichteten Bereiche des Fotolackes8 sowie die hierauf befindliche Goldschicht2 entfernt und es verbleiben die Source- und Drain-Elektroden2a und2b . - In einem Kanal
6 zwischen den beiden Elektroden2a und2b muss nun im Folgenden das organische Halbleitermaterial eingebracht werden. Im Stand der Technik erfolgt zur Verbesserung des Haftvermögens der herzustellenden Halbleiterschicht1 in einem Zwischenschritt S7' eine Oberflächenbehandlung, z. B. eine UV- und/oder Ozon-Behandlung10 . Diese Behandlung wird aber auch zwangsläufig die physikalischen Eigenschaften der Elektroden2a und2b 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 Zwischenschicht7 auf den Zwischenschritt S7' verzichtet werden. - Im Schritt S8 wird mittels Tintenstrahldruck über einen Kopf
11 eines Tintenstrahlers ein Tropfen12 aus dem organischen Halbleitermaterial in den Kanal6 eingebracht. - Dieser bildet dort nach Trocknung und Auskristallisation die Halbleiterschicht
1 aus. Die Tinte besteht aus Pentacen gelöst in Dimethylanisol (4% Gewichtsprozent). - Das gesamte Halbleiterelement wird in einem Schritt S9 mit der Isolatorschicht
3 aus einem dielektrischen Material, nämlich PVP (Polyvinylpropylen), überdeckt. - Schließlich wird im Schritt S10 eine Goldelektrode
4 aus Aluminium aufgetragen.
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnfilmtransistors (OTFT), umfassend die Schritte: (i) Bereitstellen eines Substrats (
5 ); (ii) ganz oder teilweises Beschichten einer Oberseite des Substrats (5 ) mit einer Zwischenschicht (7 ); (iii) Aufbringen einer Source-Elektrode (2a ) und einer Drain-Elektrode (2b ) auf der Zwischenschicht (7 ); und (iv) Aufbringen einer Halbleiterschicht (1 ), die aus einem organischen Halbleitermaterial besteht, auf der Zwischenschicht (7 ) zwischen der Source-Elektrode (2a ) und der Drain-Elektrode (2b ). - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (iv) des Aufbringens der Halbleiterschicht (
1 ) auf der Zwischenschicht (7 ) durch Tintenstrahldruck (inkjet coating) mit einer aus dem organischen Halbleitermaterial bestehenden oder dieses enthaltende Tinte erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Tinte und die Zwischenschicht (
7 ) hinsichtlich der Materialwahl so aufeinander abgestimmt sind, dass ein Kontaktwinkel eines auf die Zwischenschicht (7 ) aufgetragenen Tropfens der Tinte im Bereich von 20 bis 60° liegt. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Beschichten mit der Zwischenschicht (
7 ) im Schritt (ii) mittels Schleuderauftrag (spin coating) erfolgt. - Organischer Dünnfilmtransistor (OTFT), umfassend: (i) ein Substrat (
5 ); (ii) eine Zwischenschicht (7 ), die eine Oberseite des Substrats (5 ) ganz oder teilweise bedeckt; (v) eine Source-Elektrode (2a ) und eine Drain-Elektrode (2b ), die auf der Zwischenschicht (7 ) aufgebracht sind; und (vi) eine Halbleiterschicht (1 ) aus einem organischen Halbleitermaterial, die zwischen der Source-Elektrode (2a ) und der Drain-Elektrode (2b ) angeordnet ist und die auf der Zwischenschicht (7 ) aufgebracht ist. - OTFT nach Anspruch 5, bei dem die Zwischenschicht (
7 ) aus einem hydrophoben Werkstoff besteht. - OTFT nach Anspruch 6, bei dem der hydrophobe Werkstoff der Zwischenschicht (
7 ) ein Polymer ist. - OTFT nach Anspruch 7, bei dem der hydrophobe Werkstoff der Zwischenschicht (
7 ) ein Polymer ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polyacryl, Polysilan, Polyethylen, Polyester, Ormocer und Polyoxyphenylen. - OTFT nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Zwischenschicht (
7 ) eine Schichtdicke im Bereich von 100 nm bis 1 μm aufweist. - OTFT nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem das Substrat (
5 ) aus einem Werkstoff geformt ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glas oder einem flexiblen Kunststoff. - OTFT nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem die Source- (
2a ) und Drain-Elektroden (2b ) aus einem Werkstoff geformt sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Palladium, PEDOT:PSS und ITO.
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