DE102012112796B4

DE102012112796B4 - Vertikaler organischer Transistor, Schaltungsanordnung und Anordnung mit vertikalem organischen Transistor sowie Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE102012112796B4
Application number: DE102012112796.4A
Authority: DE
Inventors: Axel Fischer; Björn Lüssem; Karl Leo
Original assignee: NovaLED GmbH
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: DE102012112796A1; US10103343B2; US20140284567A1

Abstract

Vertikaler organischer Transistor, mit einer Schichtstruktur (11) auf einem Substrat (10), die Schichtstruktur (11) aufweisend:
- eine Elektrode (12),
- eine Gegenelektrode (13) und
- eine elektronisch aktive Schichtanordnung (14), die zwischen der Elektrode (12) und der Gegenelektrode (13) angeordnet ist, wobei die Schichtanordnung (14) die folgenden Schichten aufweist:
- eine mittlere Elektrode (19), die konfiguriert ist, durch eine daran angelegte Spannung einen Stromfluss zwischen der Elektrode (12) und der Gegenelektrode (13) zu steuern, und die einen Durchgang von elektrischen Ladungsträgern, die von der Elektrode (12) in die Schichtanordnung (14) injiziert werden, durch die mittlere Elektrode (19) hindurch zulassend ausgeführt ist, so dass im Betrieb die injizierten elektrischen Ladungsträger von der Elektrode (12) durch die Schichtanordnung (14) zu der Gegenelektrode (13) transportierbar sind,
- eine organische Schicht (17) aus organischem Halbleitermaterial, die zwischen der mittleren Elektrode (19) und der Elektrode (12) angeordnet ist,
- eine weitere organische Schicht (18) aus organischem Halbleitermaterial, die zwischen der mittleren Elektrode (19) und der Gegenelektrode (13) angeordnet ist, und
- eine oder mehrere Funktionsschichten (15, 16), die in der Schichtanordnung (14) einen aktiven Bereich, in welchem im Betrieb zwischen Elektrode (12) und Gegenelektrode (13) durch die Schichtanordnung (14) hindurch ein Betriebsstrom fließen kann, sowie einen nicht aktiven Bereich, der außerhalb des aktiven Bereiches angeordnet ist, zumindest abschnittsweise strukturieren.

Description

Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet des vertikalen organischen Transistors.
Hintergrund
Vertikale organische Transistoren sind Halbleiterbauelemente mit drei Elektroden. Insbesondere werden organische Moleküle, Kohlenstoffverbindungen sowie Polymere als halbleitende Schichten verwendet. Das Bauelement verfügt über mehrere übereinander liegende planare Schichten, welche auf einem Substrat gefertigt werden. Da die Ströme im Bauelement senkrecht zu den funktionalen Schichten und somit auch zum Substrat fließen, wird es als vertikales Bauelement bezeichnet.
Folgenden Aufgaben oder Funktionen werden dem vertikalen organischen Transistor zugedacht: Verstärken von Strömen und / oder Spannungen, elektrischer Schalter, um den Stromfluss durch nachfolgende Bauelemente zu steuern, Durchführung von logischen Operation in Kombination mehrerer Bauelemente und verschiedenste Aufgaben der analogen Signalverarbeitung.
Ein Vorteil von organischen Transistoren mit vertikalem Stromfluss liegt in der geringen Länge zwischen den Elektroden, die mittels Aufdampfen von Materialien im Vakuum sehr genau eingestellt werden können. Hierdurch verringert sich die Zeit, die ein Ladungsträger zum Durchqueren des organischen Halbleiters benötigt. Es ergeben sich so hohe Schaltgeschwindigkeiten, die zum Beispiel für die aktive Ansteuerung von Bildschirmen mit organischen Leuchtdioden (OLED) benötigt werden.
Außerdem werden aufgrund der geringen Abmessungen von wenigen 100 Nanometern schon bei kleinen Spannungen, die typischerweise unter 5V liegen, sehr hohe elektrische Felder erreicht. Es ergeben sich hierdurch hohe Stromdichten im Bauelement, die ausreichend sind, um eine nachgeschaltete OLED auf eine anwendungsrelevante Helligkeit zu bringen. Des Weiteren werden OLEDs ebenfalls so konstruiert, dass die Ströme vertikal zum Substrat fließen. OLEDs und vertikale organische Transistoren sind von der gleichen Architektur und damit geeignet, in einem Herstellungsprozess aufeinander prozessiert zu werden. Dies führt zu einer höheren Packungsdichte und einem höheren Anteil der Fläche eines Bildschirms der zur Abstrahlung von Informationen beitragen kann.
Aus dem Dokument US 2010/0213447 A1 ist ein vertikaler organischer Transistor bekannt, bei dem eine mittlere Elektrode als ein kontinuierlicher Schichtkörper gebildet ist, welcher eine isolierende Metallverbindung und Metallpartikel enthält, die in der Isolierverbindung verteilt sind.
In dem Dokument US 6 884 093 B2 ist ein organisches Halbleiterbauelement offenbart, bei dem eine mittlere Elektrode in einer organischen Schichtanordnung mit einem leitenden Gittermaterial gebildet ist.
In dem Dokument US 6 774 052 B2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines permeablen Basistransistors beschrieben, bei dem auf einem Halbleitersubstrat eine Basisschicht abgeschieden wird und auf der Basisschicht eine Halbleiterschicht aufwächst, wobei die Basisschicht metallische Nanotubes umfasst.
Vertikale organische Transistoren sind als solche weiterhin zum Beispiel aus den folgenden Dokumenten bekannt: Nakayama et al., Appl. Phys. Lett., 2006, 88, Cheng et al., Org. Electron., 2009, 10, Watanabe et al., Jpn. J. Appl. Phys., 2006, 45, Fujimoto et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 87.
Für organische vertikale Transistoren wurden auch Anwendungen bei hohen Frequenzen und hoher Stromdichte beschrieben (Fischer et al, Appl. Phys. Lett., 2012, 213303).
Zur Herstellung eines vertikalen organischen Transistors oder von Schaltungsanordnungen hiermit kann die sogenannte Maskentechnologie eingesetzt werden. Hierbei erfolgt die Abscheidung der Bauelementschichten unter Verwendung von Maskenstrukturen, die eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, durch welche hindurch die jeweilige Schicht in einem gewünschten Bauelementbereich abgeschieden wird. Die Zielgenauigkeit der Schichtabscheidung in einem gewünschten Bereich hängt insbesondere von den Toleranzen der Maskenstruktur selbst sowie der Positioniergenauigkeit der Maskenstruktur ab. Es kommt deshalb zu Fehlstrukturen, insbesondere im äußeren Randbereich des herzustellenden vertikalen organischen Transistors, in denen die gewünschte Schichtüberlappung fehlerhaft ist. Beispielsweise kann es vorkommen, dass die Steuerelektrode (mittlere Elektrode) des Transistors nur einseitig mit einer organischen Schicht überlappt, so dass es hier zu Fehlströmen kommt, die nicht für den ordnungsgemäßen Betrieb des Transistors zur Verfügung stehen.
Das Dokument US 2010/0090202 A1 offenbart einen organischen Transistor mit einer Hilfselektrode, einer erste Elektrode und einer zweiten Elektrode. Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist eine Schicht aus einem organischen Licht imitierenden Material angeordnet. Im Betrieb des Transistors wird zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Drain-Spannung angelegt. Zwischen der Hilfselektrode und der ersten Elektrode wird eine Gate-Spannung angelegt, mittels welcher die Erzeugung von Ladungsträgern in der ersten Elektrode gesteuert wird. Die Ladungsträger werden von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode transportiert.
Das Dokument US 2009/0315043 A1 offenbart einen organischen lichtemittierenden Transistor mit einer Source-Elektrodenschicht, einer Drain-Elektrodenschicht, die der Source-Elektrodenschicht zugewandt ist, einer organischen lichtemittierenden Schicht, die zwischen der Source-Elektrodenschicht und der Drain-Elektrodenschicht gebildet ist, einer Halbleiterschicht, die zwischen der organischen lichtemittierenden Schicht und der Source-Elektrodenschicht gebildet ist und einer Gate-Elektrodenschicht auf der Seite der Source-Elektrodenschicht, die der anderen Seite, die der Drain-Elektrodenschicht zugewandt ist, gegenüberliegt. Der organische lichtemittierende Transistor umfasst ferner eine Ladungsträgerunterdrückungsschicht, die zwischen der organischen lichtemittierenden Schicht und der Source-Elektrodenschicht gebildet ist und eine Öffnung aufweist und einen Relaisbereich, der zwischen der Ladungsträgerunterdrückungsschicht und der Source-Elektrodenschicht gebildet ist, um Ladungsträger von der Source-Elektrodenschicht zur Öffnung zu leiten.
Zusammenfassung
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien für einen vertikalen organischen Transistor sowie Schaltungsanordnungen mit einem vertikalen organischen Transistor anzugeben, mit denen der Einfluss von Fehlströmen im Betrieb minimiert oder ganz vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen vertikalen organischen Transistor nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Schaltungsanordnung nach dem unabhängigen Anspruch 12. Darüber hinaus ist eine Anordnung einem vertikalen organischen Transistor nach dem unabhängigen Anspruch 13 vorgesehen. Weiterhin ist ein Verfahren zum Herstellen eines vertikalen organischen Transistors nach dem unabhängigen Anspruch 14 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt ist ein vertikaler organischer Transistor mit einer Schichtstruktur auf einem Substrat geschaffen. Die Schichtstruktur weist eine Elektrode, eine Gegenelektrode und eine elektronisch aktive Schichtanordnung auf, die zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist. Die elektronisch aktive Schichtanordnung umfasst ein oder mehrere Schichten aus organischem Material. In der elektronisch aktiven Schichtanordnung ist eine Steuerelektrode vorgesehen, die auch als mittlere Elektrode bezeichnet wird. Die Steuerelektrode erlaubt einen Durchgang von elektronischen Ladungsträgern, die von der Elektrode in die Schichtanordnung injiziert werden, durch die Steuerelektrode hindurch, so dass im Betrieb des vertikalen organischen Transistors die in die elektronisch aktive Schichtanordnung hinein injizierten elektrischen Ladungsträger von der Elektrode durch die Schichtanordnung zu der Gegenelektrode transportiert werden können. Es entsteht so ein mit Hilfe der Steuerelektrode steuerbarer Stromfluss. In der elektronisch aktiven Schichtanordnung sind weiterhin eine organische Schicht sowie eine weitere organische Schicht aus organischem Material vorgesehen, die zwischen der Steuerelektrode und der Elektrode sowie der Steuerelektrode und der Gegenelektrode angeordnet sind. Die Schichten aus organischem Material bilden Transportschichten, in denen die injizierten Ladungsträger in Form von Löchern und / oder Elektronen transportiert werden. Mit Hilfe einer Funktionsschicht, die in der elektronisch aktiven Schichtanordnung angeordnet ist, sind in der Schichtanordnung ein im Betrieb aktiver Bereich für den Transport der injizierten elektrischen Ladungsträger von der Elektrode durch die Schichtanordnung zu der Gegenelektrode sowie ein im Betrieb nicht aktiver Bereich zumindest abschnittsweise strukturiert.
Die zumindest abschnittsweise Strukturierung von aktivem Bereich und nicht aktivem Bereich in der Schichtanordnung ist eine in der Bauelementfläche gebildete Strukturierung. Die Funktionsschicht kann den aktiven und / oder den nicht aktiven Bereich einseitig, mehrseitig oder sogar vollständig strukturierend umgeben. In dem nicht aktiven Bereich hemmt die Funktionsschicht einen möglichen Transport von elektrischen Ladungsträgern zwischen der Elektrode und / oder der Gegenelektrode einerseits und der mittleren Elektrode andererseits, oder unterbindet diesen sogar vollständig innerhalb einer Messgenauigkeit für einen solchen Fehl strom.
Die mit Hilfe der Funktionsschicht bereitgestellte Strukturierung des aktiven Bereiches des vertikalen organischen Transistors ermöglicht die Vermeidung von Zufälligkeiten im Bauelementaufbau, die nach dem Stand der Technik aufgrund der Toleranzen bei der Nutzung der Maskentechnologie entstehen können. Mit Hilfe der Funktionsschicht, die einschichtig oder mit mehreren Unterschichten gebildet sein kann, erfolgt so eine gezielte und reproduzierbare Abgrenzung zwischen aktivem und nicht aktivem Bereich.
Ein oder mehrere derart ausgeführte vertikale organische Transistoren können in einer Schaltungsanordnung vorgesehen sein, um ein oder mehrere Bauelemente aus der folgenden Gruppe von Bauelementen in der Schaltungsanordnung bereitzustellen: Inverter und Logikgatter wie OR- oder NAND-Gatter.
Des Weiteren ist eine Anordnung mit einem vertikalen organischen Transistor und einem organischen Bauelement, zum Beispiel einem organischen lichtemittierenden Bauelement, vorgesehen, welches als weitere Schichtstruktur auf dem vertikalen organischen Transistor angeordnet und hiermit funktionell verbunden ist. Transistor und weiteres Bauelement können über eine gemeinsame Elektrode miteinander gekoppelt sein. Aber auch eine elektrodenfreie Kopplung zwischen Transistor und hierauf gestapeltem Bauelement kann vorgesehen sein. Zum Beispiel können zwei Transportschichten, von denen wahlweise zumindest eine Transportschicht elektrisch dotiert sein kann, in direktem Kontakt den Übergang zwischen Transistor und Bauelement bilden.
Beim Zusammenschalten oder beim Übereinanderstapeln von Bauelementen kann eine Bauelement übergreifende Strukturierung von aktivem und nicht aktivem Bereich in der elektronisch aktiven Schichtanordnung zwischen äußeren Elektroden vorgesehen sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein elektrischer Betriebsstrom im aktiven Bereich um wenigstens eine Größenordnung größer ist als ein Fehlstrom im nicht aktiven Bereich ist. Innerhalb einer gegebenen Messgenauigkeit kann in den nicht aktiven Bereich auch kein Fehl- oder Sperrstrom messbar sein. Es kann vorgesehen sein, dass der elektrische Betriebsstrom im aktiven Bereich um wenigstens zwei Größenordnungen und weiter bevorzugt um wenigstens drei Größenordnungen größer ist als der Fehlstrom. Bei einem Flächenverhältnis von aktivem Bereich zu nicht aktivem Bereich von etwa 0,9, kann vorgesehen sein, dass die Stromdichte in dem nicht aktiven Gebiet mindestens um einen Faktor 100 kleiner ist als die Stromdichte im aktiven Bereich. Bei einem Flächenverhältnis von etwa 0,5 kann die Stromdichte in dem nicht aktiven Gebiet mindestens um einen Faktor 1000 kleiner sein. Im Fall eines Flächenverhältnisses von etwa 0,1 kann vorgesehen sein, dass die Stromdichte in dem nicht aktiven Gebiet auch mindestens um einen Faktor 1000 kleiner ist.
Bei einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die eine oder die mehreren Funktionsschichten eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, die sich zumindest im nicht aktiven Bereich erstreckt. Die elektrisch isolierende Schicht kann ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein. Die elektrisch isolierende Schicht hemmt oder unterbindet in der elektronisch oder elektrisch aktiven Schichtanordnung einen Transport von elektrischen Ladungsträgern, die in die Schichtanordnung injiziert wurden, zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Auf diese Weise wird eine Art passive Strukturierung erreicht, die also den Transport von in die Schichtanordnung injizierten elektrischen Ladungsträgern hemmt oder ganz unterbindet in dem Bereich (nicht aktiver Bereich), in welchem die elektrisch isolierende Schicht gebildet ist.
Bei dieser oder anderen Ausführungen kann vorgesehen sein, dass an der Elektrode und / oder der Gegenelektrode eine Injektionsschicht in der elektronisch aktiven Schichtanordnung gebildet ist. Die eine oder die mehreren Injektionsschichten können als eine Dotierschicht ausgeführt sein. Hierbei handelt es sich um ein Dotiermaterial, sei es organisch oder anorganisch, welches einen elektrischen Dotanden für eine benachbart zur jeweiligen Injektionsschicht angeordnete organische Schicht aus organischem Material bildet. Die organische Schicht besteht also aus einem Material, welches im Zusammenhang mit dem Dotiermaterial als Matrixmaterial nutzbar ist. In einer anderen Ausführungsform ist die jeweilige Injektionsschicht als elektrisch dotierte Schicht ausgeführt, bei der ein elektrischer Dotand in ein Matrixmaterial eingelagert ist, derart, dass ein teilweiser Ladungsübertrag zwischen Dotand und Matrixmaterial stattfindet, so dass die Dichte freier Ladungsträger erhöht ist. Die Injektionsschicht kann in direktem Berührungskontakt mit der jeweils benachbart angeordneten Elektrode hergestellt sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die elektrisch isolierende Schicht benachbart zu der mittleren Elektrode angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann in direktem Kontakt mit der Steuerelektrode (mittleren Elektrode) gebildet sein. Alternativ ist die elektrisch isolierende Schicht durch ein oder mehrere Zwischenschichten von der Steuerelektrode getrennt. Der Abstand zwischen gegenüberliegenden Oberflächen zwischen der Steuerelektrode und der elektrisch isolierende Schicht kann kleiner sein als für einander gegenüberliegende Oberflächen der elektrisch isolierenden Schicht und der Gegenelektrode / Elektrode. Die elektrisch isolierende Schicht kann in Relation zum Substrat oberhalb oder unterhalb der mittleren Elektrode angeordnet sein.
Eine Fortbildung kann vorsehen, dass die elektrisch isolierende Schicht benachbart zu der Elektrode oder der Gegenelektrode angeordnet ist. Die elektrische isolierende Schicht kann in direktem Berührungskontakt mit der Elektrode / Gegenelektrode gebildet sein. Bei dieser Ausführung kann der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der elektrisch isolierenden Schicht und der Elektrode / der Gegenelektrode kleiner sein als der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der elektrisch isolierenden Schicht und der Steuerelektrode.
Bei einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die eine oder die mehreren Funktionsschichten eine strukturierte Injektionsschicht aufweisen, die sich zumindest im aktiven Bereich erstreckt. Bei dieser Ausführungsform ist im aktiven Bereich an der Elektrode und / oder der Gegenelektrode ein Injektionsschichtbereich gebildet, welcher den Übergang von elektrischen Ladungsträgern aus der Elektrode und / oder der Gegenelektrode in die elektronisch aktive Schichtanordnung (Injektion) und / oder den Übergang elektrischer Ladungsträger aus der elektrisch aktiven Schichtanordnung in die Elektrode / die Gegenelektrode im Vergleich zu benachbarten Bauelementbereichen (nicht aktiver Bereich) fördert. Dieses kann auch als aktive Strukturierung des Bauelementes bezeichnet werden. Der Injektionsschichtbereich kann ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein. Der Injektionsschichtbereich kann kombiniert werden mit einer Injektion hemmenden Schicht an der Elektrode und / oder der Gegenelektrode. Die Injektion hemmende Schicht stellt eine zusätzliche Injektionshemmung für elektrische Ladungsträger aus der jeweiligen Elektrode in die elektronisch aktive Schichtanordnung zur Verfügung, die außerhalb des aktiven Bereiches (also im nicht aktiven Bereich) ihre Wirkung vollständig entfalten kann. Im aktiven Bereich steht die Injektion hemmende Schicht in Wechselwirkung mit dem Injektionsschichtbereich, so dass im aktiven Bereich insgesamt die Injektion gefördert wird im Vergleich zum nicht aktiven Bauelementbereich. Passive und aktive Strukturierung können einzeln und in Kombination in einem vertikalen organischen Transistor zur Strukturierung von aktivem und nicht aktivem Bereich genutzt werden.
Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass die strukturierende Injektionsschicht ein elektrisch dotiertes Halbleitermaterial enthält, bei dem in ein Matrixmaterial ein elektrischer Dotand eingelagert ist. Es kann ein organisches Halbleitermaterial als Matrixmaterial verwendet werden. Der Injektionsschichtbereich kann aus dem elektrisch dotierten Halbleitermaterial bestehen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die strukturierende Injektionsschicht einen Dotandenschichtbereich bestehend aus einem Dotierungsmaterial aufweist, wobei das Dotierungsmaterial ein elektrischer Dotand für das organische Halbleitermaterial der organischen Schicht und / oder ein elektrischer Dotand für das organische Halbleitermaterial der weiteren organischen Schicht ist. Die Ladungsträgerinjektion hemmende Funktionsschicht kann elektrisch dotiert sein, wobei vorzugsweise eine zum Injektionsschichtbereich entgegengesetzte elektrische Dotierung vorgesehen ist. Beispielsweise kann der Injektionsschichtbereich mit einer n-Dotierung versehen sein, wohingegen die Ladungsträgerinjektion hemmende Funktionsschicht mit einer p-Dotierung versehen ist. Die Wechselwirkung von p- und n-Dotierung bewirkt dann die Strukturierung von aktivem und nicht aktivem Bereich oder trägt hierzu bei.
Für die Schicht(en) aus organischem Material, insbesondere die die Ladungsträger transportierenden Schichten (Transportschichten), können C₆₀, Me-PTCDI (Perylen-3,4,9,10-Tetracarbonsäure-N,N'-Dimethyl-Diimid) oder Pentacen verwendet werden, insbesondere um einen elektronenleitenden Transistor bereitzustellen. Um einen löcherleitenden Transistor bereitzustellen, können für die Schicht(en) aus organischen Materialien Pentacen, C₆₀, ZnPC (Zink-Phthalocyanin), CuPC (Kupfer-Phthalocyanin), NPB (N,N'-Di(Naphthalen-1-yl)-N,N'-Diphenyl-Benzidin), Meo-TPD (N,N,N',N'-Tetrakis(4-Methoxyphenyl)-Benzidin) oder DNTT (Dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]-Thiophen) zum Einsatz kommen.
Es kann vorgesehen sein, dass, wenn der vertikale organische Transistor vom löcherleitenden Typ ist, als p-dotierende Materialien F₆-TCNNQ, 2,2',2"-(Cyclopropan-1,2,3-Triyliden) tris(2-(2,3,5,6-Tetrafluoro-4-(Trifluoromethyl)phenyl)-Acetonitril), 2,2',2"-(Cyclopropan-1,2,3-Triyliden)tris(2-(p-Cyanotetrafluorophenyl)-Acetonitril), F₄-TCNQ, WO₃, MoO₃ oder ähnliche Materialien eingesetzt werden, die die Eigenschaft haben, bei Raumtemperatur freie energetische Zustände zu besitzen, die in der Nähe des löcherleitenden Transportniveaus des Matrixmaterials liegen.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass, wenn der vertikale organische Transistor vom elektronenleitenden Typ ist, als n-dotierende Materialien W₂(hpp)₄ (Tetrakis(1,3,4,6,7,8-Hexahydro-2H-Pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)-Diwolfram (II)), Cr₂(hpp)₄ (Tetrakis(1,3,4,6,7,8-Hexahydro-2H-Pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)-Dichrom (II)), Cs, N1,N4-Bis(Triphenylphosphoranyliden)-Benzen-1,4-Diamin, oder ähnliche Materialien eingesetzt werden, die die Eigenschaft haben, bei Raumtemperatur besetzte energetische Zustände zu besitzen, die in der Nähe des elektronenleitenden Transportniveaus des Matrixmaterials liegen.
Die oben erwähnten Moleküle und Materialien können auch in Dotandenschichten ohne Matrixmaterial genutzt werden.
Moleküle oder Materialien können als elektrische Dotanden in einem Matrixmaterial fungieren, insbesondere in der oder den strukturierenden Injektionsschichten, wenn sie die Energiebarriere für eine entsprechende Ladungsträgerart, Elektronen und / oder Löcher, von einem Metall in eine angrenzende Molekülschicht auf einen Wert von weniger als 0,5 eV absenken / einstellen. Dies geschieht dann, wenn der elektrische Dotand im Falle der p-Dotierung ein LUMO aufweist, was nicht mehr als etwa 0,5 eV oberhalb des HOMOs der zu dotierenden Löchertransportmatrix liegt. Die Energieskala ist hier so definiert, dass HOMO's und LUMO's negative Werte aufweisen und das Vakuumniveau bei 0 eV liegt. Im Falle des elektrischen n-Dotanden soll das HOMO des n-Dotanden nicht weiter als etwa 0,5 eV unter dem LUMO des zu dotierenden Elektronentransportmaterials liegen. Das HOMO des n-Dotanden bezieht sich hierbei auf den als Dotand wirksamen Teil eines Moleküls, falls das dotierende Molekül im Schichtherstellungsprozess erst aus einem Vorstufen-Molekül (Precursormolecule) gebildet wird.
Moleküle oder Materialien können zum Ausbilden von Ladungsträgerinjektion hemmenden Schichten eingesetzt werden, wenn sie die Energiebarriere für eine entsprechende Ladungsträgerart, Elektronen und / oder Löcher, von einem Metall in eine angrenzende Molekülschicht auf einen Wert von größer als 0,2 eV, bevorzugt von größer als 0,25 eV erhöhen / einstellen.
Die elektrisch isolierende Schicht kann aus Molekül bestehen, die für die Ladungsträger in der zugeordneten Schicht aus organischem Material (Transportschicht) eine zusätzliche Energiebarriere an der Grenzfläche zwischen Transportschicht und strukturierender Funktionsschicht einführt, die vorzugsweise mindestens etwa 0,3 eV hoch ist. Weiterhin können Molekülschichten genutzt werden, die eine Ladungsträgerbeweglichkeit aufweisen, welche, dem benötigten Stromverhältnis zwischen aktiven und nicht aktiven Bereichen entsprechend, um ein Vielfaches kleiner ist als die Ladungsträgerbeweglichkeit der Transportschicht.
Die elektrisch isolierende Schicht können die folgenden Moleküle verwendet werden: BPAPF(9,9-Bis[4-(N,N-bis-Biphenyl-4-yl-amino)phenyl]-9H-Fluoren), Spiro-TTB (Spiro-Tetra(p-methyl-Phenyl)-Benzidin), Spiro-TAD (2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-Diphenylamino)-9,9'-Spirobifluoren), Meo-TPD (N,N,N',N'-Tetrakis(4-Methoxyphenyl)-Benzidin), TCTA(4,4',4"-Tris(carbazol-9-yl)-Triphenylamin), NPB (N,N'-Di(naphthalen-1-yl)-N,N'-Diphenyl-Benzidin) und / oder BF-DPB (N,N'-((Diphenyl-N,N'-bis)9,9,-Dimethyl-Fluoren-2-yl)-Benzidin). Weiterhin können Oxidmaterialien zum Einsatz kommen, zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titan(IV)-Oxid (TiO₂), die mittels Sputterprozess oder Elektronenstrahlverdampfung erzeugt werden können. Auch eine Prozessierung mittels schichtweiser Abscheidung über Atomlagenabscheidung kann vorgesehen sein. Die elektrisch isolierenden Schichten können auch mittels Aufschleudern von Polymeren hergestellt werden. Die Polymere können über eine Ladungsträgerbeweglichkeit verfügen, die klein gegenüber der Ladungsträgerbeweglichkeit der Transportschicht ist, oder eine Energiebarriere zur Transportschicht für die entsprechende Ladungsträgersorte einführt.
Die elektrisch isolierenden Schichten können bis zu einer Temperatur von 150°C temperaturbeständig, so dass ihre elektrisch isolierende Wirkung erhalten bleibt.
Die elektrischen Dotanden können eine n- oder eine p-Dotierung des Matrixmaterials bewirken, derart, dass das Matrixmaterial elektrisch dotiert wird, indem ein teilweise Ladungsübertrag zwischen dem elektrischen Dotanden und den Molekülen des Matrixmaterials stattfindet, sodass die Dichte der freien Ladungsträger in der jeweiligen Schicht erhöht ist. Dieses entspricht einer elektrischen Dotierung des jeweiligen Matrixmaterials. Die molekularen Dotanden können ein Molekulargewicht von >200 g / mol aufweisen, damit sie lagestabil in den Matrizen eingebaut werden. Es können oxidische Dotanden verwendet werden in einer Ausführung.
Neben der Strukturierung der isolierenden Schichten und der dotierten Schichten durch Schattenmasken ist der Einsatz von lithografischen Techniken, Stempeltechniken und Drucktechniken denkbar.
Im Fall einer elektrisch dotierten Schicht, bei der zum Erhöhen der Dichte freier Ladungsträger ein Dotand in ein Matrixmaterial eingelagert ist, ist die Diffusion von Dotanden in dem Matrixschicht unerwünscht, insbesondere deshalb, weil Transportschichten aus organischem Material, die ohne Dotanden hergestellt wurden, nicht mit Dotanden zu versetzen. Zudem kann eine Diffusion von Dotanden bei einer strukturierten Dotierschicht / Dotandenschicht zu einer ungewünschten Verbreitung des aktiven Bereichs führen oder sogar Bereiche aktivieren, in denen die Elektroden des vertikalen organischen Transistors nicht zur Überlappung kommen. Aus diesem Grund kann vorgesehen sein, elektrische Dotanden zu nutzen, deren Diffusionslänge bei den verwendeten Prozesstemperaturen nicht größer ist als die Dicke der Transportschichten (Schichten aus organischem Material) und kleiner als die laterale Ausdehnung des aktiven Bereichs ist. Entsprechende Dotiermoleküle können im Vergleich zu den Molekülen der Transportschicht ähnliche größere Massen oder ähnliche oder größerer Volumen besitzen, um eine Verankerung der Dotiermoleküle in der Matrix der Moleküle in der Transportschicht zu gewährleisten.
Eine Ausgestaltung der aktiven Strukturierung kann vorsehen, dass die Elektrode oder die Gegenelektrode, wenn als Emitter genutzt, aus einem Material hergestellt wird, derart, dass in den nicht aktiven Bereichen eine Energiebarriere zwischen der Elektrode und der angrenzenden Transportschicht realisiert wird, so dass die für den Stromfluss zuständige Ladungsträgersorte (Löcher / Elektronen) eine Energie von mindestens 0,2 eV aufbringen müsste, um von der Elektrode in die Transportschicht zu gelangen. Eine mögliche Realisierung kann zum Beispiel mit Pentacen und Aluminium erfolgen.
Als Molekül für die organische(n) Schicht(en) können Materialien mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit genutzt werden, die vorzugsweise über 0,1 cm²/Vs liegen, zum Beispiel C₆₀ oder Pentacen oder DNTT (Dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]-Thiophen).
Es kann vorgesehen sein, dass eine Dotierkonzentration in den elektrisch dotierten Bereichen etwa 2 Gewichtsprozent beträgt. Wahlweise kann die Dotierkonzentration je nach Bedarf und gewünschter Ladungsträgerdichte auch unterhalb von etwa 0,1 Gewichtsprozent liegen, um die Verarmung der Schicht bei geeigneter Wahl der Potentiale an den Elektroden vollständig zu gewährleisten. In einer anderen Ausführung kann die Dotierkonzentration oberhalb von etwa 10 Gewichtsprozent liegen, um die Anreicherung von Ladungsträgern in der Schicht zu unterstützen, wenn hierdurch zum Beispiel die Transmission von Ladungsträgern durch die mittlere Elektrode begünstigt wird.
Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt, wobei eine elektrisch isolierende Funktionsschicht oberhalb einer Steuerelektrode angeordnet ist,
2 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt, wobei eine elektrisch isolierende Funktionsschicht benachbart zu einer Deckelektrode angeordnet ist,
3 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt, wobei eine elektrisch isolierende Funktionsschicht auf der Steuerelektrode angeordnet ist,
4 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt, wobei eine elektrisch isolierende Funktionsschicht an der Deckelektrode und in Kontakt hiermit angeordnet ist,
5 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt, wobei zwei elektrisch isolierende Funktionsschichten vorgesehen sind,
6 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt, wobei an der Grundelektrode und der Deckelektrode eine strukturierende Injektionsschicht vorgesehen sind,
7 eine schematische Darstellung der Schichtstruktur aus 6, wobei zusätzlich eine elektrisch isolierende Funktionsschicht vorgesehen ist,
8 eine schematische Darstellung der Schichtstruktur aus 6, wobei zusätzlich eine Injektion hemmende Schicht an der Deckelektrode vorgesehen ist,
9 eine schematische Darstellung einer nicht strukturierte Vergleichsschichtanordnung,
10 eine schematische Darstellung einer weiteren nicht strukturierten Vergleichsschichtanordnung,
11 eine grafische Darstellung der Stromverstärkung in Abhängigkeit vom Stromverhältnis,
12 eine grafische Darstellung der Stromdichte in Abhängigkeit von der Spannung,
13 eine grafische Darstellung der Stromdichte in Abhängigkeit von der Spannung,
14 eine grafische Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Spannung,
15 eine grafische Darstellung der Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung,
16 eine grafische Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Basis-Emitterspannung,
17 eine grafische Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Basis-Emitterspannung,
18 eine grafische Darstellung der Stromverstärkung in Abhängigkeit vom Strom,
19 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Elektroden für einen vertikalen organischen komplementären Inverter,
20 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur mit zwei vertikalen organischen Transistoren für einen Inverter im Querschnitt,
21 eine schematische Darstellung der Schichtstruktur aus 20, wobei die elektrisch isolierenden Funktionsschichten nach innen verlagert sind,
22 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur mit zwei vertikalen organischen Transistoren für einen in organischen komplementären Inverter mit strukturierenden Inj ektionsschichten,
23 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur mit zwei vertikalen organischen Transistoren für einen Inverter mit strukturierenden Injektionsschichten sowie elektrisch isolierenden Funktionsschichten,
24 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur mit einem vertikalen organischen Transistor und einem hierauf angeordneten Bauelement,
25 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur mit einem vertikalen organischen Transistor und einem hierauf angeordneten Bauelement ohne mittlere Elektrode und
26 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur mit einem vertikalen organischen Transistor und einem hierauf angeordneten Bauelement ohne mittlere Elektrode.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor im Querschnitt. Auf einem Substrat 10 ist eine Schichtstruktur 11 abgeschieden, bei der zwischen einer als Grundelektrode dienenden Elektrode 12 und einer als Deckelektrode dienenden Gegenelektrode 13 eine elektrisch aktive Schichtanordnung 14 gebildet ist. Auf der der elektronisch aktiven Schichtanordnung 14 zugewandten Seite ist an der Elektrode 12 und der Gegenelektrode 13 eine jeweilige Injektionsschicht 15, 16 gebildet. Die Injektionsschicht 15, 16 können als Dotierschicht gebildet sein, die aus einem Dotiermaterial bestehen, bei dem es sich um einen elektrischen Dotanden für das organische Material der jeweils benachbarten organischen Schicht 17, 18 handelt. Die organischen Schichten 17, 18 dienen als Transportschichten für elektrische Ladungsträger, um diese zwischen der Elektrode 12 und der Gegenelektrode 13 zu transportieren. Der Transport der elektrischen Ladungsträger erfolgt durch eine als Steuerelektrode dienende mittlere Elektrode 19 hindurch. Bei angelegter Spannung bilden im Betrieb die Elektrode 12, die Gegenelektrode 13 sowie die mittlere Elektrode 19 Kollektor, Emitter und Basis eines vertikalen organischen Transistors. Die in die elektronisch aktive Schichtanordnung 14 hinein injizierten Ladungsträger durchtunneln hierbei die mittlere Elektrode 19 oder gelangen durch Öffnungen in der mittleren Elektrode 19 hindurch, um so schließlich am Kollektor eingesammelt zu werden.
Gemäß 1 ist in der elektronisch aktiven Schichtanordnung 14 weiterhin eine die Schichtanordnung 14 in einen aktiven Bereich 20 sowie einen nicht aktiven Bereich 21 strukturierende Funktionsschicht 22 vorgesehen, die in 1 als eine elektrisch isolierende Funktionsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeführt ist. Der aktive Bereich 20 ist nicht von der strukturierenden Funktionsschicht 22 erfasst, wohingegen der im Betrieb nicht aktive Bereich 21 der elektronisch aktiven Schichtanordnung 14 mit der strukturierenden Funktionsschicht 22 überlappt. Während im Betrieb die in die elektronisch aktive Schichtanordnung 14 injizierten, elektrischen Ladungsträger im aktiven Bereich 20 von der Elektrode 12 zur Gegenelektrode 13 oder umgekehrt transportiert werden können, ist dieses im nicht aktiven Bereich 21 mit Hilfe der strukturierenden Funktionsschicht 22 aus elektrisch isolierendem Material bis auf einen möglichen Fehl- oder Sperrstrom gehemmt oder sogar ganz unterbunden. Hierbei können im Betrieb elektrische Ladungsträger über die gesamte Fläche der Gegenelektrode 13 in die benachbarte organische Schicht 18 (Transportschicht) injiziert werden. Diese Ladungsträger gelangen im Bereich der strukturierenden Funktionsschicht 22 jedoch nicht zur mittleren Elektrode 19, was einen hierdurch entstehenden Fehlstrom vermeidet.
Die 2 bis 4 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor, wobei die strukturierende Funktionsschicht 22 aus elektrisch isolierendem Material im Vergleich zu 1 an anderen Orten in der elektronisch aktiven Schichtanordnung 14 gebildet ist. In 2 ist die strukturierende Funktionsschicht 22 zur Ausbildung des aktiven Bereiches 20 sowie des inaktiven Bereiches 21 unterhalb von und in Kontakt mit der Injektionsschicht 16 an der Gegenelektrode 13 angeordnet. In 3 befindet sich die strukturierende Funktionsschicht 22 direkt auf der mittleren Elektrode 19. Bei der Ausführung in 4 ist die Strukturierung des Bauelementes mit Hilfe der zwischen Gegenelektrode 13 und zugeordneter Injektionsschicht 16 angeordneten, strukturierenden Funktionsschicht 22 gebildet.
5 zeigt eine Ausführung, bei der zusätzlich zur strukturierenden Funktionsschicht 22 eine weitere strukturierende Funktionsschicht 23 aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen ist. Die strukturierende Funktionsschicht 22 sowie die weitere strukturierende Funktionsschicht 23 sind oberhalb und unterhalb der mittleren Elektrode 19 angeordnet.
Der aktive Bereich 20 wird von der strukturierenden Funktionsschicht 22 bestimmt, die sich zwischen Emitter, also injizierender Elektrode (Gegenelektrode 13), und mittlerer Elektrode 19 befindet, da diese strukturierenden Funktionsschicht 22 definiert, welche Ladungsträger bis zur mittleren Elektrode 19 vordringen dürfen und welche nicht. Die zusätzliche passive Strukturierung mittels der weiteren strukturierenden Funktionsschicht 23, die zwischen mittlerer Elektrode 19 und Ladungsträger aufnehmender Elektrode (Kollektor, Elektrode 12) angeordnet ist, dient der Unterdrückung von möglichen Leckströmen zwischen den beiden Elektroden 12, 13, die in jeden Fall so gering wie möglich ausfallen sollen. Diese Ströme definieren, wie viel Strom im Aus-Zustand des Transistors fließen. Die zweite passive Strukturierung mittels der weiteren strukturierenden Funktionsschicht 23 kann insbesondere dann dienlich sein, wenn der aktive Bereich 20 sehr viel größer ist als die Überlappung zwischen mittlerer Elektrode 19 und Kollektor, da ansonsten die Leckströme zwischen Basis und Kollektor gleich bleiben, aber aufgrund der geringeren aktiven Fläche die An-Ströme zurückgehen. Die Folge wäre eine vermindertes An / Aus-Verhältnis des Transistors. Die Öffnung der zusätzlichen passiven Strukturierung stört den Stromfluss im aktiven Bereich 20 nicht, der dort durch die eigentliche passive Strukturierung mittels der strukturierenden Funktionsschicht 22 definiert ist.
Die unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschriebene Art der Strukturierung des jeweiligen Bauelementes mit Hilfe einer oder mehrerer Funktionsschichten 22, 23 aus elektrisch isolierendem Material kann auch als passive Strukturierung bezeichnet werden. Im Unterschied dazu sieht die Ausführung nach 6 eine Bauelementstrukturierung mit Hilfe einer strukturierenden Injektionsschicht 24 sowie einer weiteren strukturierenden Funktionsschicht 25 vor, die an der Gegenelektrode 13 sowie der Elektrode 12 gebildet sind. Während die Injektion von elektrischen Ladungsträgern im Bereich der beiden strukturierenden Injektionsschichten 24, 25 gefördert wird, liegt eine solche Injektionsunterstützung außerhalb der strukturierenden Injektionsschichten 24, 25 nicht vor, so dass dort der oder die nicht aktiven Bereiche 21 des Bauelementes gebildet werden, in denen die Injektion von elektrischen Ladungsträgern und insoweit dann auch der Transport solcher Ladungsträger zwischen Elektrode 12 und Gegenelektrode 13 im Vergleich zum aktiven Bereich 20 mit den strukturierenden Injektionsschichten 24, 25 gehemmt oder ganz unterbunden ist. Bei der Ausführung in 6 ist der aktive Bereich 20 gebildet durch den Überlappungsbereich der beiden strukturierenden Injektionsschichten 24, 25.
Je nachdem welche Elektrode als Emitter genutzt wird, bestimmt allein die strukturierende Injektionsschicht, die am Emitter anliegt, über den aktiven Bereich 20, solange sich die jeweilige Injektionsschicht im Überlappungsbereich aller drei Elektroden befindet. Dementsprechend definiert genau eine der beiden strukturierenden Injektionsschichten 24, 25 den aktiven Bereich 20. Die strukturierende Injektionsschicht, die am Kollektor vorliegt, kann zwar die Performance des Bauelements erhöhen, ist aber nicht in der Lage, die Injektion von Ladungsträgern zu verhindern, so dass sie keinen Einfluss auf den aktiven Bereich 20 nimmt.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur für einen vertikalen organischen Transistor bei der aktive und passive Bauelementstrukturierung miteinander kombiniert werden. Sowohl die strukturierende Funktionsschicht 22 als auch die strukturierenden Injektionsschichten 24, 25 sind vorgesehen. Ein aktiver Bereich 20 ist gebildet im Bereich der Unterbrechung der strukturierenden Funktionsschicht 22, welcher vollständig mit den beiden strukturierenden Injektionsschichten 24, 25 überlappt.
8 zeigt eine Ausführungsform, bei der die strukturierende Injektionsschicht 25 an eine Injektion hemmende Schicht 26 grenzt, welche die Ladungsträgerinjektion aus der Gegenelektrode 13 in die benachbart hierzu gebildete organische Schicht 18 hemmt oder sogar ganz unterbindet, soweit die Injektion hemmende Schicht 26 direkt zwischen Gegenelektrode 13 und organischer Schicht 18 angeordnet ist. In einem Bereich 27 überlappen die strukturierende Injektionsschicht 25 sowie die Injektion hemmende Schicht 26, so dass zwar die injektionsfördernde Wirkung der strukturierenden Injektionsschicht 25 gemindert wird. Die injektionsfördernde Wirkung ist jedoch stärker als die Hemmung durch die Injektion hemmende Schicht 26, so dass hier der aktive Bereich 20 ausgebildet ist, in welchem es im Betrieb zur Ladungsträgerinjektion und zum Ladungsträgertransport kommt. Beispielsweise kann die Injektion hemmende Schicht 26 mit einer elektrischen p-Dotierung versehen sein, wohingegen die strukturierende Injektionsschicht 25 eine elektrische n-Dotierung aufweist.
Die 9 zeigt eine schematische Darstellung einer nicht strukturierte Vergleichsschichtanordnung mit einer unten angeordneten Elektrode 90 und einer oben angeordneten Gegenelektrode 91 sowie einer Transportschicht 92 (Molekülschicht) und einer Injektionsschicht 93. Zwischen der Elektrode 90 und der Transportschicht 92 befindet sich eine unstrukturierte elektrisch isolierende Schicht 94. Die Schichten sind auf einem Substrat 95 abgeschieden, zum Beispiel mittels Vakuumverdampfung, wie dies in Verbindung mit organischen Bauelementen als solches bekannt ist.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren nicht strukturierten Vergleichsschichtanordnung. Im Vergleich zu 9 sind Injektionsschicht 93 und unstrukturierte elektrisch isolierende Schicht 94 vertauscht.
11 zeigt eine grafische Darstellung der Stromverstärkung in Abhängigkeit vom Stromverhältnis, nämlich Stromdichte im nicht-aktiven Bereich 21 im Verhältnis zur Stromdichte im aktiven Bereich 20, eines vertikalen organischen Transistors für verschiedene Flächenverhältnisse. Es wird angenommen, dass der vertikale organische Transistor bei einer optimalen Überlappung der Elektroden (keine nicht-aktiven Bereiche) eine Verstärkung von 100 hat. Je schlechter das Flächenverhältnis ist, also das Verhältnis von nicht aktivem (Flächen)Bereich zur Gesamtüberlappungsfläche zwischen der als Emitter dienenden Elektrode und der Steuerelektrode, desto kleiner muss das Stromverhältnis sein, um dennoch nahezu die höchstmögliche Verstärkung von 100 zu erreichen. Bei einem Flächenverhältnis von 0.5 überschneidet die Hälfte der Überlappfläche zwischen Emitterelektrode und Steuerelektrode mit der Kollektorelektrode (aktive Fläche). Die andere Hälfte überschneidet sich nicht mit der Kollektorelektrode (nicht-aktive Fläche). Um dennoch ein Stromverstärkung von nahezu 100 erreichen, kann die Stromdichte in den nicht aktiven Gebieten mindestens um einen Faktor größer 10 verringert werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Stromdichte in den nicht aktiven Gebieten mindestens um einen Faktor von 100 kleiner ist, auch ein Faktor von mindestens 1000 (drei Größenordnungen) kann vorgesehen sein.
Bei einem Flächenverhältnis von aktivem Bereich zu nicht aktivem Bereich von etwa 0,9, kann vorgesehen sein, dass die Stromdichte in dem nicht aktiven Gebiet mindestens um einen Faktor 100 kleiner ist. Bei einem Flächenverhältnis von etwa 0,5 kann die Stromdichte in dem nicht aktiven Gebiet mindestens um einen Faktor 1000 kleiner sein. Im Fall eines Flächenverhältnisses von etwa 0,1 kann vorgesehen sein, dass die Stromdichte in dem nicht aktiven Gebiet auch mindestens um einen Faktor 1000 kleiner ist.
12 zeigt eine grafische Darstellung der Stromdichte in Abhängigkeit von der Spannung. Es wurde ein Schichtaufbau nach 9 getestet mit dem Molekül Spiro-TTB als elektrisch isolierende Schicht 94 (Schichtdicke: 50 nm). Als Referenzstromdichte werden 1000 mA/cm² bei ca. 1 V bis 2V angenommen, die typischerweise durch den vertikalen organischen Transistor im An-Zustand erreicht werden. Als Transportschicht 92 wird eine 100 nm dicke C₆₀-Schicht genutzt. Als obere Injektionsschicht 93 wird eine mit W2(hpp)4 dotierte C₆₀-Schicht genutzt (20 nm, 1 Gewichtsprozent des Dotanden). Die Gegenelektrode 91 besteht aus einer Abfolge von 20 nm Gold und 100 nm Aluminium. Die Elektrode 90 auf dem Substrat 95 besteht aus 100 nm Aluminium. Nach der Herstellung weist die Probe einen um mindestens fünf Größenordnungen geringeren Strom im Bezug auf die Referenzstromdichte auf. Nach einem Ausheizschritt von zwei Stunden bei 150°C steigen zwar die Stromdichten an, befinden sich dennoch drei bis vier Größenordnungen unterhalb der Referenzstromdichte.
13 eine grafische Darstellung der Stromdichte in Abhängigkeit von der Spannung, zum Es wurde ein Schichtaufbau nach 10 getestet mit dem Molekül Spiro-TTB als elektrisch isolierende Schicht 94 (Schichtdicke: 50 nm). Als Referenzstromdichte werden 1000 mA/cm² bei ca. 1 V bis 2V angenommen, die typischerweise durch den vertikalen organischen Transistor im An-Zustand erreicht werden. Als Transportschicht 92 wird eine 100 nm dicke C₆₀-Schicht genutzt. Als untere Injektionsschicht 93 wird eine mit W₂(hpp)₄ dotierte C₆₀-Schicht genutzt (20 nm, 1 Gewichtsprozent des Dotanden). Die Elektrode 90 besteht aus einer Abfolge von 100 nm Aluminium und 20 nm Gold. Die Gegenelektrode 91 besteht aus 100 nm Aluminium. Nach der Herstellung weist die Probe im Vergleich zur Referenzstromdichte einen um etwa fünf Größenordnungen geringeren Strom auf. Nach einem Ausheizschritt von zwei Stunden bei 150°C steigen zwar die Stromdichten an, befinden sich dennoch drei bis vier Größenordnungen unterhalb der Referenzstromdichte.
14 zeigt eine grafische Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Spannung zwischen Emitterelektrode und Steuerelektrode mit einer nicht angeschlossenen Kollektorelektrode nach 3. Die Probe wurde für zwei Stunden bei 150 °C ausgeheizt. Aufgrund der Verwendung einer strukturierten elektrisch isolierenden Funktionsschicht 22 kann die aktive Fläche sukzessiv verkleinert werden. Dadurch verringert sich der Strom, der durch das gesamte Bauelement fließt. Da der Strom jedoch mit der aktiven Fläche skaliert (ca. Faktor 6.4) bleiben die Stromdichten jedoch etwa konstant.
15 zeigt eine grafische Darstellung der Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung für die Kapazität zwischen Emitterelektrode und Steuerelektrode mit einer nicht angeschlossenen Kollektorelektrode nach 3. Die Probe wurde für zwei Stunden bei 150 °C ausgeheizt. In Vorwärtsrichtung (positive Spannungen) akkumulieren Ladungsträger vor der Steuerelektrode 19, die durch eine dünne native Oxidschicht umgeben ist. Diese bildet sich im Falle der verwendeten Al-Elektrode durch Luftzufuhr nach Herstellung der Steuerelektrode 19. Dabei entsteht ein natives Oxid, dessen Dicke nach etwa 3 nm sättigt. Die Akkumulation der Ladungsträger an diesem Oxid führt zu einem starken Anstieg der Kapazität. Im Falle einer passiven Strukturierung, bei der die strukturierte elektrische isolierende Funktionsschicht 22 unmittelbar auf die Steuerelektrode 19 aufgebracht wurde, wie in 3 zu sehen, muss die Kapazität entsprechend mit der Fläche variieren. Eine Akkumulation von Ladungsträgern an der strukturierten elektrischen isolierenden Funktionsschicht 22 führt zwar auch zu einer Kapazität. Diese ist jedoch aufgrund der Schichtdicke der strukturierten elektrischen isolierenden Funktionsschicht 22 (50 nm) mindestens zehnmal kleiner. In Rückwärtsrichtung (negative Spannungen) verarmt der Halbleiter und die gemessen Kapazität spiegelt die Schichtdicke der Transportschicht (ca. 100 nm) wieder. Da die strukturierte elektrische isolierende Funktionsschicht 22 ähnlich dick ist und nur in einem Teil des Bauelements vorkommt, ist der Einfluss auf die Kapazität in Rückwärtsrichtung geringer. Die experimentellen Ergebnisse in 15 bestätigen dies.
16 zeigt einen Basisdurchlauf bei einer Betriebsspannung von 3 V eines vertikalen organischen Transistors nach 3. Die Probe wurde für zwei Stunden bei 150 °C ausgeheizt. Die Referenzstromdichte von 1000 mA/cm² wird bei der durch passive Strukturierung eingestellten aktiven Fläche von 2,56 mm² ca. bei 25,6 mA erreicht, was noch unterhalb einer BasisEmitterspannung von 1,5 V der Fall ist. Selbst im An-Zustand wird bei einem Strom von 50 mA noch eine Stromverstärkung von 100 erreicht.
17 eine grafische Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Basis-Emitterspannung. Es werden Basisdurchläufe an einer Probe ohne passive Strukturierung (Schichtanordnung gemäß 3 ohne strukturierende Funktionsschicht 22) und an einer Probe mit passiver Strukturierung (vgl. 3) verglichen. Beide Proben wurden für zwei Stunden bei 150 °C ausgeheizt. Die unteren beiden Linien entsprechen den Strömen der Steuerelektrode 19 (Basis), wohingegen die oberen beiden Linien den Strömen des Kollektors entsprechen. Durch den Einsatz der passiven Strukturierung kann der Basisstrom abgesenkt werden. Insbesondere Ströme, die zuvor in nicht-aktiven Bereichen in die Basiselektrode geflossen sind, werden jetzt entweder gestoppt oder fließen ebenfalls zur Kollektorelektrode. Interessanterweise kann der Strom der passiv strukturierten Probe trotz der Verringerung der aktiven Fläche gesteigert werden. Ein Grund dafür dürfte die bessere Spannungsverteilung innerhalb der resistiven Basiselektrode sein, wenn diese weniger Strom führen muss und dadurch besser das entsprechende Potential für den An-Zustand gewährleisten kann.
18 zeigt eine grafische Darstellung der Stromverstärkung in Abhängigkeit vom Strom. Es wird die Stromverstärkung für die beiden Proben aus 17 verglichen. Eine Probe mit passiver Strukturierung erreicht selbst bei 50 mA noch eine Verstärkung von 100. Eine Vergleichsprobe ohne passive Strukturierung schafft für keinen der Ströme eine Stromverstärkung größer 20. Aufgrund von Schwankungen der Überlappung der Elektroden kann es bei der Stromverstärkung ebenfalls zu Schwankungen kommen und somit auch höhere Werte erreicht werden. Proben mit passiver Strukturierung erreichten jedoch im direkten Vergleich stets höhere Stromverstärkungen.
19 zeigt eine mögliche Anordnung der Elektroden für einen vertikalen organischen komplementären Inverter. Die Schaltung besteht aus einer Elektrode 190 für das Bezugspotential (links), einer Elektrode 191 für das Betriebspotential (rechts), einer Elektrode 192 zur Ansteuerung der Steuerelektroden der zwei verwendeten Transistoren (unten) und einer Elektrode 193, die zum Auslesen des invertierten Signals dient. Die Schaltung hat die Eigenschaft ein eingehendes Signal mit einer bestimmten Spannungsdifferenz zum Bezugspotential in ein ausgehendes Signal zu verwandeln bei dem die bestimmte Spannungsdifferenz nun gegenüber dem Betriebspotential eingenommen wird.
20 zeigt eine Anwendung, bei der die passive Strukturierung genutzt wird, um einen vertikal gestapelten Inverter zu bauen, der aus zwei vertikalen organischen Transistoren 220. 221 besteht. Einer der vertikalen organischen Transistoren ist dabei elektronenleitend (n-Typ) und der andere löcherleitend (p-Typ). Beide Transistoren 220, 221 teilen sich nun die mittlere Elektrode 222, die nun je nach Konfiguration als Emitter oder als Kollektor für beide Transistoren 220, 221 funktioniert. Äußere Elektroden 223, 224, oberste und unterste Elektrode, fungieren dann entsprechend als Kollektor oder Emitter. Beide Transistoren 220, 221 verfügen über eine eigene Steuerelektrode 225, 226, Steuerelektrode 225 des unteren Transistors 220 und Steuerelektrode 226 des oberen Transistors 221.
In 20 ist die passive Strukturierung, welche mittels der strukturierenden Funktionsschichten 22 gebildet ist, derart ausgerichtet, dass Ladungsträger jeweils von den äußeren Elektroden 223, 224 zur mittleren Elektrode 222 fließen. Die äußeren Elektroden 223, 224 werden mit einer konstanten Betriebsspannung versehen. Die beiden Steuerelektroden 225, 226 führen jeweils das gleiche Signal und können außerhalb des Bauteils zusammengeschaltet sein. Durch eine Variation des Eingangssignal an den Steuerelektroden 225, 226 verändert sich aufgrund des Spannungsteilers, der durch die Reihenschaltung aus n-typ Transistor und p-typ Transistor entsteht, gerade die Spannung der mittleren Elektrode derartig, dass sie gegenüber dem Eingangssignal einen logisch entgegengesetzten Zustand einnimmt.
Bei der Ausführung in 20 sind die äußeren Elektroden 223, 224 und die mittlere Elektrode 222 einseitig oder zweiseitig mit Injektionsschichten in Kontakt.
Einer der beiden Transistoren 220, 221 kann durch ein resistives Bauelement ersetzt werden, dessen elektrischer Widerstand einen Wert hat, der größer ist als der Widerstand, den der verbleibende Transistor im logischen Aus-Zustand hat, und kleiner als der elektrische Widerstand ist, den der verbleibende Transistor im logischen An-Zustand besitzt. Das resistive Bauelement kann eine passive Strukturierung mit einer oder mehreren elektrisch isolierenden Schichten aufweisen, die zur Anpassung der Widerstandsverhältnisse dienen können. Das resistive Bauelement kann durch einen vertikalen organischen Transistor gestellt werden, dessen Basiskontakt entweder zum Emitter oder zum Kollektor angeschlossen wird, wahlweise über ein resistives Bauelement, so dass der vertikale organischen Transistor ein Widerstand einnimmt, der nun lediglich von abfallenden Betriebsspannung abhängt.
Die beiden Transistoren, sei es in der Ausgestaltung in 20, dort die Transistoren 220, 221 oder anderen Ausführungen, bilden in der Inverter-Schaltung einen Spannungsteiler, über den die Betriebsspannung abfällt. Je nachdem wie die Widerstandsverhältnisse der beiden Transistoren ist, stellt sich in der mittleren Elektrode ein Potential ein, welches dem Eingangspotential „entgegengesetzt verläuft“. Eine Möglichkeit ist es, einen Transistor durch einen Widerstand zu ersetzen. Der Widerstand kann letztendlich auch durch einen Transistor ermöglicht werden, dessen Basis zum Emitter oder Kollektor angeschlossen ist. Der Vorteil besteht darin, dass zwei n- oder zwei p-Transistoren genutzt werden können, von denen ein Transistor als Widerstand fungiert.
21 zeigt eine Modifikation von 20, bei der die Ladungsträger von der mittleren Elektrode 222 zu den äußeren Elektroden 223, 224 fließen und die strukturierten elektrisch isolierenden Funktionsschichten 22 in der Transportschicht eingebracht werden, die zur mittleren Elektrode 222 anliegen.
22 zeigte einen vertikalen organischen komplementären Inverter, bei dem eine aktive Strukturierung verwendet wird. Hierzu werden strukturierte Injektionsschichten 230a, ..., 230d anliegend an den äußeren Elektroden 223, 224 und der mittleren Elektrode 222 angebracht. Diese Inverterschaltung funktioniert unabhängig von der Polarität der Betriebsspannung.
23 zeigt eine Kombination aus passiver Strukturierung und aktiver Strukturierung nach 21 und 22 in einem vertikalen organischen Transistor. Der Fluss der Ladungsträger wird durch die Lage der strukturierten elektrisch isolierenden Funktionsschichten 19 von den äußeren zur mittleren Elektrode 222, 223, 224 hin definiert.
24 zeigt eine Kombination eines vertikalen organischen Transistors 240 unter Verwendung von aktiver und passiver Strukturierung mit einem Bauelement 241, welches auf den vertikalen organischen Transistor 240 gestapelt wurde. Das Bauelement 241 kann ebenfalls eine passive Strukturierung aufzuweisen, um zum Beispiel die Stromdichten anzupassen. Das Bauelement 241 kann eine organische Licht emittierende Diode oder ein informationsspeichernde Schicht sein, zum Beispiel eine resistives oder kapazitives Speicherbauelement. Der vertikale organische Transistor 240 wird mittels einer mittleren Elektrode 242 die außerhalb der aktiven Fläche geführt werden kann, aber nicht muss, mit dem oberen Bauelement 241 zusammengeschaltet. Eine Elektrode 243 ist auf dem Substrat 10 gebildet. Eine Gegenelektrode 244 ist oben auf dem Schichtstapel gebildet.
Das Bauelement 241 und der vertikale organische Transistor 240 weisen im gezeigten Beispiel strukturierte Injektionsschichten 245a, ..., 245d für eine aktive Strukturierung auf.
Zwischen der Elektrode 243 und der mittleren Elektrode 242 sowie der Gegenelektrode 244 und der mittleren Elektrode 242 sind Transportschichten (Molekülschichten) 246a, 246b, 247 angeordnet. Zischen den Transportschichten 246a, 246b des vertikalen organischen Transistors 240 ist die Steuerelektrode 248 angeordnet.
25 zeigt einen vertikalen organischen Transistor 240 mit einem oberen Bauelement 241 ohne die Verwendung die mittlere Elektrode 242 aus 24. Hierbei werden zwei strukturierte Injektionsschichten 245b, 245c genutzt, die vom gleichen Typ, aber auch von unterschiedlichem Typ sein können.
26 zeigt eine Ausgestaltung der Kombination eines vertikalen organischen Transistors 240 mit einem oberen Bauelement 241 bei der auf die mittlere Elektrode 242 aus 24 verzichtet wird und auch keine Injektionsschichten (vgl. 25) benutzt werden. Es wird jedoch angestrebt, dass die Ladungsträger aus der oberen Transportschicht 246b des vertikalen organischen Transistors 240 in die Transportschicht 247 des oberen Bauelementes 241 gelangen können.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Vertikaler organischer Transistor, mit einer Schichtstruktur (11) auf einem Substrat (10), die Schichtstruktur (11) aufweisend: - eine Elektrode (12), - eine Gegenelektrode (13) und - eine elektronisch aktive Schichtanordnung (14), die zwischen der Elektrode (12) und der Gegenelektrode (13) angeordnet ist, wobei die Schichtanordnung (14) die folgenden Schichten aufweist: - eine mittlere Elektrode (19), die konfiguriert ist, durch eine daran angelegte Spannung einen Stromfluss zwischen der Elektrode (12) und der Gegenelektrode (13) zu steuern, und die einen Durchgang von elektrischen Ladungsträgern, die von der Elektrode (12) in die Schichtanordnung (14) injiziert werden, durch die mittlere Elektrode (19) hindurch zulassend ausgeführt ist, so dass im Betrieb die injizierten elektrischen Ladungsträger von der Elektrode (12) durch die Schichtanordnung (14) zu der Gegenelektrode (13) transportierbar sind, - eine organische Schicht (17) aus organischem Halbleitermaterial, die zwischen der mittleren Elektrode (19) und der Elektrode (12) angeordnet ist, - eine weitere organische Schicht (18) aus organischem Halbleitermaterial, die zwischen der mittleren Elektrode (19) und der Gegenelektrode (13) angeordnet ist, und - eine oder mehrere Funktionsschichten (15, 16), die in der Schichtanordnung (14) einen aktiven Bereich, in welchem im Betrieb zwischen Elektrode (12) und Gegenelektrode (13) durch die Schichtanordnung (14) hindurch ein Betriebsstrom fließen kann, sowie einen nicht aktiven Bereich, der außerhalb des aktiven Bereiches angeordnet ist, zumindest abschnittsweise strukturieren.
Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Betriebsstrom im aktiven Bereich um wenigstens drei Größenordnungen größer als ein Fehlstrom im nicht aktiven Bereich ist.
Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Funktionsschichten (15, 16) eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, die sich zumindest im nicht aktiven Bereich erstreckt.
Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht benachbart zu der mittleren Elektrode (19) angeordnet ist.
Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht benachbart zu der Elektrode (12) oder der Gegenelektrode (13) angeordnet ist.
Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Funktionsschichten eine strukturierende Injektionsschicht (24) aufweisen, die sich zumindest im aktiven Bereich erstreckt.
Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierende Injektionsschicht (24) ein elektrisch dotiertes Halbleitermaterial enthält, bei dem in ein Matrixmaterial ein elektrischer Dotand eingelagert ist.
Transistor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierende Injektionsschicht (24) einen Dotandenschichtbereich bestehend aus einem Dotierungsmaterial aufweist, wobei das Dotierungsmaterial ein elektrischer Dotand für das organische Halbleitermaterial der organischen Schicht und / oder ein elektrischer Dotand für das organische Halbleitermaterial der weiteren organischen Schicht ist.
Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung (14) eine Ladungsträgerinjektion hemmende Funktionsschicht aufweist, die sich zumindest im nicht aktiven Bereich erstreckt.
Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der folgenden Schichten mehrschichtig ausgeführt ist: Elektrode (12), Gegenelektrode (13), organische Schicht (17), weitere organische Schicht (18) und die eine oder die mehreren Funktionsschichten (15, 16).
Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Elektrode (19) eine oder mehrere Öffnungen aufweist, durch welche hindurch ein Berührungskontakt zwischen einem Bereich der Schichtanordnung (14) auf einer Seite der mittleren Elektrode (19) und einem Bereich der Schichtanordnung (14) auf einer gegenüberliegenden Seite der mittleren Elektrode (19) gebildet ist.
Schaltungsanordnung mit einem oder mehreren vertikalen organischen Transistoren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Bauelement aus der folgenden Gruppe von Bauelementen gebildet ist: Inverter und Logikgatter wie OR- oder NAND-Gatter.
Anordnung mit einem vertikalen organischen Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11 und einem organischen Bauelement, welches als weitere Schichtstruktur auf dem vertikalen organischen Transistor angeordnet und hiermit funktionell verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen eines vertikalen organischen Transistors, bei dem auf einem Substrat eine Schichtstruktur (11) mit den folgenden Schichten hergestellt wird: - eine Elektrode (12), - eine Gegenelektrode (13) und - eine elektronisch aktive Schichtanordnung (14), die zwischen der Elektrode (12) und der Gegenelektrode (13) angeordnet ist, wobei die Schichtanordnung (14) mit den folgenden Schichten gebildet wird: - eine mittlere Elektrode (19), die konfiguriert ist, durch eine daran angelegte Spannung einen Stromfluss zwischen der Elektrode (12) und der Gegenelektrode (13) zu steuern, und die einen Durchgang von elektrischen Ladungsträgern, die von der Elektrode (12) in die Schichtanordnung (14) injiziert werden, durch die mittlere Elektrode (19) hindurch zulassend ausgeführt ist, so dass im Betrieb die injizierten elektrischen Ladungsträger von der Elektrode (12) durch die Schichtanordnung (14) zu der Gegenelektrode (13) transportierbar sind, - eine organische Schicht (17) aus organischem Halbleitermaterial, die zwischen der mittleren Elektrode (19) und der Elektrode (12) angeordnet ist, - eine weitere organische Schicht (18) aus organischem Halbleitermaterial, die zwischen der mittleren Elektrode (19) und der Gegenelektrode (13) angeordnet ist, und - eine oder mehrere Funktionsschichten (15, 16), die in der Schichtanordnung (14) einen aktiven Bereich, in welchem im Betrieb zwischen Elektrode (12) und Gegenelektrode (13) durch die Schichtanordnung (14) hindurch ein Betriebsstrom fließen kann, sowie einen nicht aktiven Bereich, der außerhalb des aktiven Bereiches gebildet wird, zumindest abschnittsweise strukturieren.