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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer selbstorganisierten Schicht welche mit einem leitfähigen Substrat verbunden ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein elektronisches oder ein bioelektronisches Bauelement, insbesondere ein Sensorelement, mit einem elektrischen Kontakt hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 10.
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Eine selbstorganisierte Schicht kann durch unterschiedliche Reaktionswege hergestellt werden. Beispielsweise kann durch chemische Reaktion mit Silanen, Alkenen, Alkinen, Thiolen, Diazoniumsalzen, Phenylen oder anderen funktionalen Polymeren oder Molekülen eine meist wenige Nanometer dicke selbstorganisierte Schicht ausgebildet werden, welche die Oberflächeneigenschaften des darunter liegenden leitfähigen Substrats in gewünschter Weise verändert.
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Als Substratmaterialien werden üblicherweise Metalle, Isolatoren oder Halbleiter verwendet, welche sowohl amorphe, kristalline, mikrokristalline oder nanokristalline Kristallstruktur und/oder entsprechende Strukturierungen aufweisen können.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer selbstorganisierten Schicht ist zum Beispiel aus D1 bekannt. Das Aufbringen des elektrischen Kontakts durch thermisches oder Elektronenstrahlverdampfen oder auch durch Sputtern hat sich als Defekt verursachend für die selbstorganisierte Schicht erwiesen. Die aus dem Vakuum auf die selbstorganisierte Schicht auftreffenden Metallatome besitzen eine sehr hohe kinetische Energie. Diese Metallatome werden erst bei Stößen mit den Molekülen der selbstorganisierten Schicht abgebremst. Dadurch entstehen Defekte oder ebenso unerwünschte direkte elektrische Verbindungen zwischen leitfähigem Substrat und elektrischem Kontakt.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer selbstorganisierten Schicht ist aus D2 bekannt. Beim indirekten thermischen Aufdampfen befindet sich die zu bedampfende Probe während der Metallisierung nicht im Vakuum, sondern in einer inerten Gasatmosphäre. Ein großer Teil der kinetischen Energie der Metallatome wird dabei durch Stöße mit den schweren Gasatomen abgegeben, bevor die Metallatome die selbstorganisierte Schicht erreichen. Für diese Form des Aufbringens von Kontakten ist ein meist sehr komplexer apparativer Aufbau notwendig, wobei gleichzeitig große Mengen des aufzubringenden Materials meist nutzlos verbraucht werden.
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Ein drittes Verfahren zur Aufbringung eines elektrischen Kontakts auf einer selbstorganisierten Schicht ist aus D3 bekannt. Bei der „Lift-off, float-on”-Technik wird eine in einer PDMS-Matrix hergestellte Leiterstruktur von einer ersten Oberfläche auf die selbstorganisierte Schicht übertragen. Auf diese Weise wird die mechanische und thermische Einwirkung auf die selbstorganisierte Schicht durch die Metalisierung zu minimieren versucht. Dieses Herstellungsverfahren ist technologisch sehr aufwendig und damit teuer und führt oftmals zu unreproduzierbaren elektrischen Kontakten. Ferner ist dieses Verfahren nur schwer auf einen industriellen Maßstab übertragbar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, durch das in einfacher und kastengünstiger Art und Weise ein elektrischer Kontakt mit möglichst geringem Schaden für die selbstorganisierte Schicht hergestellt werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. dem Bauelement nach Anspruch 10 erzielt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem zur Herstellung eines elektrischen Kontakts eine leitfähigen Dispersion oder Lösung auf die selbstorganisierte Schicht aufgebracht und diese leitfähige Dispersion oder Lösung in einem Trocknungsschritt behandelt wird.
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Das Aufbringen der leitfähigen Dispersion oder Lösung kann derart erfolgen, dass durch das Aufbringen keine nachweisbaren Defekte in der selbstorganisierten Schicht erzeugt werden. Das lokale Aufbringen der leitfähigen Dispersion oder Lösung ermöglicht ferner das einfache Definieren von elektrischen Leiterstrukturen. Der thermische Behandlungsschritt der leitfähigen Dispersion oder Lösung führt zur Ausbildung eines stabilen und elektrisch leitfähigen Kontakts.
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Ein oder mehrere elektrische Kontakte, hergestellt nach dem hier dargelegten Verfahrensprinzip, werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektronischen oder bioelektronischen Bauelements verwendet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die leitfähige Dispersion ein leitfähiges Pulver. Das leitfähige Pulver weist bevorzugt eine Teilchengröße kleiner als 10 μm auf. Besonders bevorzugt umfasst das leitfähige Pulver wenigstens ein Metall der folgenden Gruppe, bestehend aus Gold, Silber, Platin, Palladium, Graphit, Diamant, Silizium und Germanium.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass die leitfähige Dispersion oder Lösung ein Lösungsmittel aufweist, bevorzugt Propanol, Ethylacetat, Aceton, Ether oder Wasser.
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Vorzugsweise erfolgt die Aufbringung der leitfähigen Dispersion oder Lösung auf die selbstorganisierte Schicht in einem Druckverfahren, bevorzugt in einem indirekten Druckverfahren wie beispielsweise Siebdruck oder Tintenstrahldruck.
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Es kann vorteilhaft sein, dass der Trocknungsschritt durch thermische Behandlung, beispielsweise durch Einwirkung einer Heizplatte oder eines anderen geeigneten Heizelements erfolgt. Bevorzugt erfolgt der Trocknungsschritt über einen vorgegebenen Zeitraum bei Raumtemperatur. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, dass der Trocknungsschritt durch Bestrahlung mit Licht, beispielsweise mit ultraviolettem Licht erfolgt.
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Bevorzugt erfolgt der Trocknungsschritt unter atmosphärischen Bedingungen oder bei einem geringeren Druck.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die selbstorganisierte Schicht als organische Schicht auf einem Substrat ausgebildet, welche bevorzugt durch Reaktion des Substrats mit Silanen, Alkenen, Alkinen, Thiolen, Diazoniumsalzen, Phenylen oder anderen funktionalen Polymeren oder Molekülen hergestellt wird.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die Moleküle der selbstorganisierten Schicht durch Bindungen, bevorzugt durch kovalente Bindungen, mit dem Substrat verbunden sind.
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Bevorzugt umfasst das leitfähige Substrat ein Halbleitermaterial der folgenden Gruppe, bestehend aus Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumaluminiumnitrid-Legierungen, Aluminiumnitrid, Zinkoxid, Zinkmagnesiumoxid-Legierungen und Diamant.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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1a–c zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts gemäß einer ersten Ausführungsform.
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2a–c zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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3a–b zeigt eine Strom-Spannungskennlinie gemessen durch einen erfindungsgemäßen Kontakt und einen ohmschen Rückkontakt auf dem leitfähigen Substrat.
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1a–c zeigen schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer selbstorganisierten Schicht. In 1a ist das leitfähige Substrat 4 dargestellt, welches als dotiertes Silizium-Substrat ausgeführt ist. Dieses leitfähige Substrat 4 kann als Halbleiter des n-Typs oder des p-Typs ausgeführt sein. Bevorzugt weist die Oberfläche des leitfähigen Substrats eine Rauigkeit von weniger als 10 nm auf.
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Die selbstorganisierte Schicht 1 wird auf das leitfähige Substrat 4 aufgebracht. Das Erzeugen der selbstorganisierten Schicht 1 kann als chemische Reaktion zwischen organischen Molekülen, beispielsweise Silanen, Alkenen, Alkinen, Thiolen, Diazoniumsalzen oder Phenylen, und der Oberfläche des leitfähigen Substrats 4 erfolgen. Die chemische Reaktion erfolgt hier als Hydrosilylierungsreaktionen mit Alkenen, bevorzugt 1-Octadecen. Bei dieser Reaktion wird eine kovalente Bindung zwischen einer Monolage von organischen Molekülen und dem Substrat 4 ausgebildet. Ein Oberflächenoxid wird vorzugsweise in einem zuvor ausgeführten Schritt entfernt, beispielsweise durch Behandlung mit einer Lösung enthaltend Fluorwasserstoff und Wasser.
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In 1b wird eine leitfähige Dispersion 2 auf die selbstorganisierte Schicht 1 aufgebracht. Diese leitfähige Dispersion 2 enthält hier leitfähiges Pulver 3 aus kolloidalem Silber in einem Lösungsmittel. Genauso kann das leitfähige Pulver 3 auch ein oder mehrere Materialien der folgenden Gruppe umfassen, bestehend aus Gold, Silber, Platin, Palladium, Graphit, Diamant, Silizium und Germanium. Das Lösungsmittel vorzugsweise leicht flüchtig und umfasst bevorzugt Propanol, Ethylacetat, Aceton, Ether oder Wasser.
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Die aufgebrachte leitfähige Dispersion 2 wird anschließend in einem Trocknungsschritt behandelt. Dieser Trocknungsschritt wird so ausgeführt, dass das Lösungsmittel vorzugsweise vollständig entweicht. Hierbei bildet das leitfähige Pulver 3 einen stabilen und leitfähigen elektrischer Kontakt 2. Der Trocknungsschritt erfolgt hier auf einer Heizplatte bei 50°C an Raumluft. Bevorzugt kann der Trocknungsschritt aber auch im Vakuum erfolgen oder besonders bevorzugt an Raumluft über wenigstens 30 min.
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2a–c zeigen schematisch eine weitere Ausführungsform zur erfindungsgemäßen Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer selbstorganisierten Schicht 1 auf einem leitfähigen Substrat 4. Gegenüber der in 1 dargestellten Ausführung weist die aufgebrachte Dispersion kein leitfähiges Pulver auf, sondern besteht aus einer leitfähigen Lösung 2, welche beispielsweise leitfähige Moleküle oder Polymere wie beispielsweise P3HT oder PEDOT umfassen kann. Nach dem Trocknungsschritt bilden die leitfähigen Moleküle einen stabilen elektrischen Kontakt 2' mit der selbstorganisierten Schicht 1.
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3b zeigt die Stromdichte-Spannungskennlinie durch die in 3a dargestellte Struktur. Bei dieser Messung wird der Strom als Funktion der angelegten Spannung aufgenommen. Die Stromdichte wird berechnet durch Division der gemessenen Stromwerte durch die Fläche des erfindungsgemäß hergestellten elektrischen Kontaktes 2'. Der erste Pol der Spannungsquelle wird an den elektrischen Kontakt 2', der zweite Pol der Spannungsquelle wird an den Kontakt 5 auf der Rückseite des leitfähigen Substrats angelegt, welcher als ohmscher Kontakt ausgebildet ist.
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In dieser Ausführungsform wird ein n-Typ Silizium-Substrat mit einer 40%igen Lösung aus Fluorwasserstoff-Lösung (40 Vol.-% in Wasser) durch Eintauchen behandelt. Zur Herstellung der selbstorganisierten Schicht wird 1-Octadecen verwendet, welches thermisch bei 160°C oder photochemisch unter Beleuchtung mit UV-Licht mit dem leitfähigen Substrat 4 reagiert. Dadurch entsteht eine geordnete, selbstorganisierte Schicht 1. Eine leitfähige Dispersion 2 bestehend aus kolloidalem Silber und Aceton bildet nach dem Trocknungsschritt einen elektrischen Kontakt 2' mit dieser selbstorganisierten Schicht 1.
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Das elektrische Verhalten dieses Kontakts (Fläche: 0,0038 cm2) ist in 3b dargestellt. Der elektrische Kontakt zeigt ein ausgeprägtes, diodenartiges Verhalten bis zu einer Stromdichte Von ca. 10 A/cm2, womit die Sättigung des Messgeräts erreicht wird. Das diodenartige-Verhalten ist auf die elektrische Eigenschaft der selbstorganisierten Schicht 1 zurückzuführen, welche als organische Isolatorschicht dient. Die Diode zeigt bei einer Spannung von 2 Volt ein Gleichrichtungsverhältnis von 109. In Sperrrichtung sind nur geringe Leckströme messbar. Dieses ausgeprägte Diodenverhalten kann darauf zurückgeführt werden, dass der elektrische Kontakt 2' keine ausgeprägten Defekte oder Kurzschlüsse verursacht.
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Nicht-Patentliteratur:
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- [D1] Wang et al., Rep. Prog. Phys. 68, 523 (2005)
- [D2] Metzger et al., J. Phys. Chem. B 105, 7280 (2001)
- [D3] Vilan et al., Nature 404, 166 (2000)
