DE102012200896A1

DE102012200896A1 - Elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102012200896A1
Application number: DE102012200896A
Authority: DE
Inventors: Yiliang Wu; Ping Liu; Nan-Xing Hu
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2012-07-26
Also published as: KR101887167B1; US20120187379A1; US8748873B2; JP2012156502A; KR20120085206A

Abstract

Ein Dünnschichttransistor besitzt eine halbleitende Doppelschicht mit zwei halbleitenden Teilschichten. Die erste Teilschicht umfasst ein Polythiophen und Kohlenstoffnanoröhren. Die zweite Teilschicht enthält das Polythiophen und besitzt keine Kohlenstoffnanoröhren. Bauelemente mit dieser halbleitenden Doppelschicht zeigen eine hohe Mobilität.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Dünnschichttransistoren (TFTs) und/oder andere elektronische Bauelemente, die eine halbleitende Doppelschicht aufweisen. Die halbleitende Doppelschicht umfasst eine erste Teilschicht und eine zweite Teilschicht. Bauelemente, die die halbleitende Doppelschicht aufweisen, zeigen eine hohe Mobilität und andere guten Eigenschaften.
TFTs sind im Allgemeinen auf einem Substrat aus einer elektrisch leitenden Gateelektrode, Source- und Drainelektroden, einer elektrisch isolierenden Gatedielektrikumsschicht, die die Gateelektrode von der Source- und der Drainelektrode trennt, und einer halbleitenden Schicht aufgebaut, die mit der Gatedielektrikumsschicht in Kontakt steht und die Sourceelektrode und die Drainelekektrode miteinander verbindet. Das Leistungsverhalten der TFTs kann durch die Feldeffektbeweglichkeit und durch das Verhältnis von Durchlassstrom zu Sperrstrom bzw. Aus-Strom des gesamten Transistors bestimmt werden. Eine hohe Beweglichkeit und ein großes Verhältnis von Durchlassstrom/Sperrstrom sind wünschenswert.
Organische Dünnschichttransistoren (OTFTs) können in Anwendung verwendet werden, etwa in Funkidentifizierungsmarken (RFID) und Rückseitenschalteranwendungen für Anzeigen, etwa signalverarbeitende Anzeigen, Lesegeräte, Flüssigkristallanzeigen, in denen eine hohe Schaltgeschwindigkeit und/oder eine hohe Dichte nicht erforderlich ist. Sie haben auch attraktive mechanische Eigenschaften, etwa dass sie physikalisch kompakt und flexibel sind und ein geringes Gewicht aufweisen.
Organische Dünnschichttransistoren können hergestellt werden unter Anwendung von kostengünstigen Strukturierungstechniken für Flüssigkeitslösungen und Abscheidetechniken, etwa das Aufschleudern, das Vergießen mittels Lösungen, Tauchbeschichtung, Präge/Siebdruckverfahren, Flexographie, Tiefdruck, Offsetdruck, Tintenstrahldrucken, Mikrokontaktdruckverfahren und dergleichen. Um die Verwendung derartiger Prozesse auf Basis von Lösungen bei der Herstellung von Dünnschichttransistorschaltungen zu ermöglichen, sind dafür als Lösung verarbeitbare Materialien erforderlich. Jedoch neigen organische oder polymere Halbleiter, die durch Verarbeitung in Form von Lösungen hergestellt werden, dazu, dass sie eine begrenzte Löslichkeit, eine entsprechende Luftempfindlichkeit und insbesondere eine geringe Feldeffektbeweglichkeit besitzen. Diese ungünstigen Leistungseigenschaften können den schlechten Eigenschaften zur Schichtbildung kleiner Moleküle zugewiesen werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, halbleitende Verbindungen zu entwickeln, die eine hohe Feldeffektbeweglichkeit und gute Schichtbildungseigenschaften besitzen.
Die vorliegende Erfindung offenbart in diversen Ausführungsformen elektronische Bauelemente mit einer halbleitenden Doppelschicht. Diese Bauelemente zeigen eine hohe Beweglichkeit und ein gutes Verhalten im Hinblick auf Durchlassstrom/Sperrstrom.
In Ausführungsformen wird ein elektronisches Bauelement offenbart, das eine halbleitende Doppelschicht aufweist. Die halbleitende Doppelschicht umfasst eine erste Teilschicht und eine zweite Teilschicht. Die erste Teilschicht umfasst einen ersten Halbleiter und Kohlenstoffnanoröhren, wobei der erste Halbleiter ein Polythiophen ist. Die zweite Teilschicht umfasst einen zweiten Halbleiter. In einigen Ausführungsformen ist der zweite Halbleiter ebenfalls ein Polythiophen.
In speziellen Ausführungsformen sind der erste Halbleiter und der zweite Halbleiter jeweils Polythiophene, die unabhängig voneinander die Struktur gemäß Formel (II) besitzen:
Formel (II) wobei m von 2 bis ungefähr 2500 reicht.
In einigen Ausführungsformen besitzt das erste Halbleiter-Polythiophen die Strukturformel (I):
Formel (I) wobei A eine divalente Bindung ist; jedes R unabhängig ausgewählt werden kann aus Wasserstoff, Alkyl, substituiertes Alkyl, Alkenyl, substituiertes Alkenyl, Alkynyl, substituiertes Alkynyl, Aryl, substituiertes Aryl, Alkoxy, substituiertes Alkoxy, einer hetereoatomenthaltenden Gruppe, Halogen, -CN, oder NO₂; wobei n im Bereich von 2 bis ungefähr 5000 liegt.
In einigen Ausführungsformen ist R ein Alkyl mit ungefähr 6 bis ungefähr 25 Kohlenstoffatomen, insbesondere mit ungefähr 8 bis ungefähr 16 Kohlenstoffatomen.
Die erste Teilschicht umfasst Polymeraggregate des ersten Halbleiters, der zwischen dem Kohlenstoffnanoröhren angeordnet ist oder diese trennt.
Alternativ umfasst die erste Teilschicht Nano-Aggregate, die durch das erste halbleitende Polymer gebildet sind, das eine Kohlenstoffnanoröhre umgibt.
In einigen Ausführungsformen besitzt die erste Teilschicht eine Dicke von weniger als 10 nm.
Die Kohlenstoffnanoröhren können oberflächenmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren sein. In Ausführungsformen sind die Kohlenstoffnanoröhren Einzelwandkohlenstoffnanoröhren.
Die Kohlenstoffnanoröhren können ungefähr 10 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent der ersten Teilschicht ausmachen, wobei dies auf dem Gesamtgewicht des ersten Halbleiter-Polythiophen und der Kohlenstoffnanoröhren beruht. In einigen Ausführungsformen umfassen die Kohlenstoffnanoröhren ungefähr 15 bis ungefähr 40 Gewichtsprozent der ersten Teilschicht bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Halbleiterpolythiophen und der Kohlenstoffnanoröhren.
Das elektronische Bauelement kann ein Dünnschichttransistor sein. In einigen Ausführungsformen umfasst das Bauelement ferner eine dielektrische Schicht, die mit der ersten Teilschicht in Berührung ist.
Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements offenbart. Das Verfahren bzw. der Prozess umfasst die Flüssigabscheidung einer ersten halbleitenden Zusammensetzung auf einer dielektrischen Schicht, so dass eine erste halbleitende Schicht hergestellt wird; und eine Flüssigabscheidung einer zweiten halbleitenden Zusammensetzung auf der ersten halbleitenden Teilschicht, so dass eine zweite halbleitende Teilschicht erzeugt wird. Die erste halbleitende Teilschicht umfasst ein erstes Polythiophen und Kohlenstoffnanoröhren. Die erste Teilschicht kann vor dem Abscheiden der zweiten halbleitenden Teilschicht getrocknet werden. Die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht können optional miteinander ausgeheizt werden.
1 ist ein Diagramm einer ersten Ausführungsform eines TFT gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines TFT gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform eines TFT gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Ansicht einer vierten Ausführungsform eines TFT gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Bauelemente mit einer halbleitenden Doppelschicht. Die halbleitende Doppelschicht umfasst eine erste Teilschicht und eine zweite Teilschicht. Die erste Teilschicht enthält ein erstes Halbleiter-Polythiophen und Kohlenstoffnanoröhren. Die zweite Teilschicht enthält einen zweiten Halbleiter und enthält keine Kohlenstoffnanoröhren. Prozesse zum Herstellen von elektronischen Bauelementen, die die halbleitende Doppelschicht aufweisen, werden hierin ebenfalls offenbart.
1 zeigt eine TFT-Konfiguration mit unten liegendem Gate und unten liegendem Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung. Der TFT 10 umfasst ein Substrat 20, das mit der Gateelektrode 30 und einer Gatedielektrikumsschicht 40 in Verbindung steht. Die Gateelektrode 30 ist hier in einer Einsenkung innerhalb des Substrats 20 dargestellt, wobei die Gateelektrode auch auf dem Substrat ausgebildet sein kann. Es ist wichtig, dass die Gatedielektrikumsschicht 40 die Gateelektrode 30 von der Sourceelektrode 50, der Drainelektrode 60 und der halbleitenden Doppelschicht 70 trennt. Die halbleitende Doppelschicht umfasst eine erste Teilschicht 72 und eine zweite Teilschicht 74. Die halbleitende Doppelschicht 70 verläuft über und zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode 50 bzw. 60. Der Halbleiter besitzt eine Kanallänge 80 zwischen der Sourceelektrode 50 und der Drainelektrode 60. Beide halbleitenden Teilschichten 72 und 74 sind mit der Sourceelektrode und der Drainelektrode 50 und 60 in Kontakt.
2 zeigt eine weitere TFT-Konfiguration mit unten liegendem Gate und oben liegendem Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung. Der TFT 10 umfasst ein Substrat 20, das mit der Gateelektrode 30 und einer Gatedielektrikumsschicht 40 in Kontakt ist. Die halbleitende Doppelschicht 70 ist auf der Gatedielektrikumsschicht 40 angeordnet und trennt diese von der Sourceelektrode von der Drainelektrode 50 bzw. 60. Die halbleitende Doppelschicht 70 enthält eine erste Teilschicht 72 und eine zweite Teilschicht 74. Zu beachten ist, dass lediglich eine halbleitende Teilschicht die Sourceelektrode und die Drainelektrode kontaktiert.
3 zeigt eine TFT-Konfiguration mit unten liegendem Gate und unten liegendem Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung. Der TFT 10 umfasst ein Substrat 20, das ebenfalls als die Gateelektrode dient und mit einer Gatedielektrikumsschicht 40 in Verbindung steht. Die Sourceelektrode 50, die Drainelektrode 60 und die halbleitende Doppelschicht 70 sind über der Gatedielektrikumsschicht 40 angeordnet. Die halbleitende Doppelschicht 70 enthält eine erste Teilschicht 72 und eine zweite Teilschicht 74. Beide halbleitende Teilschichten 72 und 74 sind mit der Sourceelektrode 50 und der Drainelektrode 60 in Kontakt.
4 zeigt eine TFT-Konfiguration mit oben liegendem Gate und oben liegendem Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung. Der TFT 10 umfasst ein Substrat 20, das mit der Sourceelektrode 50, der Drainelektrode 60 und der halbleitenden Schicht 70 in Kontakt ist. Die halbleitende Schicht 70 verläuft über oder zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode 50 und 60. Die Gatedielektrikumsschicht 40 ist auf der halbleitenden Schicht 70 angeordnet. Die Gateelektrode 30 liegt auf der Gatedielektrikumsschicht 40 und ist nicht mit der halbleitenden Schicht 70 in Kontakt. Die halbleitende Doppelschicht 70 umfasst eine erste Teilschicht 72 und eine zweite Teilschicht 74. Beide halbleitende Teilschichten 72 und 74 sind mit der Sourceelektrode und der Drainelektrode 50 und 60 in Kontakt.
Die erste Teilschicht 72 kann auch als die Polythiophen-stabilisierte Karbonnanoröhrenschicht bezeichnet werden. Die zweite Teilschicht 74 kann auch als die Polythiophenschicht bezeichnet werden.
Die erste Teilschicht 72 der vorliegenden Erfindung umfasst Kohlenstoffnanoröhren und einen ersten Halbleiter. Der erste Halbleiter ist ein Polythiophen, das in der Lage ist, Polymeraggregate zu erzeugen. Der Begriff „Polymeraggregate” bezeichnet die Fähigkeit des Polymers, diskrete Teilchen oder Anhäufungen von Polymermolekülen anstelle einer aufgelösten individuellen molekularen Kette zu bilden. Derartige Teilchen besitzen einen Durchmesser von ungefähr einigen Nanometern bis ungefähr einige Mikrometer. In Ausführungsformen ist das halbleitende Polymer ein konjugiertes Polymer, wobei das konjugierte Polymer Aggregate bildet mit einer Teilchengröße von ungefähr 5 nm bis ungefähr 1 Mikrometer, insbesondere von ungefähr 5 nm bis ungefähr 500 nm, wie dies durch die Anwendung von Lichtbrechungsverfahren bestimmt werden kann.
In Ausführungsformen kann das Polymer stabile Aggregate bei Raumtemperatur in der Flüssigkeit erzeugen. Es kann eine Vielzahl von Prozessen Anwendung finden, um die Polymeraggregate zu bilden, wozu Prozesse gehören, ohne einschränkend zu sein, die beispielsweise in den US-Patenten 6,890,868 oder 6,803,262 offenbart sind.
In Ausführungsformen besitzt das erste Halbleiter-Polythiophen die Struktur der Formel (I):
wobei A eine divalente Bindung ist; jedes R unabhängig ausgewählt wird aus der Gruppe: Wasserstoff, Alkyl, substituiertes Alkyl, Alkenyl, substituiertes Alkenyl, Alkynyl, substituiertes Alkynyl, Aryl, substituiertes Aryl, Alkoxy oder substituiertes Alkoxy, einer heteroatomenthaltenden Gruppe, Halogen, -CN, oder -NO₂; und wobei n im Bereich von 2 bis ungefähr 5000 liegt. Das Polythiophen der Formel (I) ist ein Homopolymer und ist in der Lage, Polymeraggregate zu bilden.
Der Begriff „Alkyl” bezeichnet ein Radikal, das vollständig aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen aufgebaut und vollständig gesättigt ist. Das Alkylradikal kann linear, verzweigt oder zyklisch sein.
Der Begriff „Alkylen” bezeichnet ein Radikal, das vollständig aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen aufgebaut ist und die Fähigkeit besitzt, eine Einzelbindung mit zwei unterschiedlichen nicht-Wasserstoffatomen zu bilden. Ein Alkylen-Radikal besitzt die Formel -C_nH_2n.
Der Begriff „Alkenyl” bezeichnet ein Radikal, das vollständig aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen aufgebaut ist, und das zumindest eine Kohlenstoff-Doppelbindung aufweist, die nicht Teil einer Aryl-Struktur oder einer Heteroarylstruktur ist. Das Alkenylradikal kann linear, verzweigt oder zyklisch sein.
Der Begriff „Alkynyl” bezeichnet ein Radikal, das vollständig aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen aufgebaut ist und das mindestens eine Kohlenstoff-Zweifachbindung aufweist.
Der Begriff „Aryl” bezeichnet ein aromatisches Radikal, das vollständig aus Kohlenstoffatomen und Wasserstoffatomen aufgebaut ist. Wenn Aryl in Verbindung mit einem numerischen Bereich für Kohlenstoffatome angegeben ist, sollte es nicht so verstanden werden, dass es substituierte Radikale enthält. Beispielsweise sollte die Aussage „Aryl mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen” so verstanden werden, dass damit eine Phenylgruppe (6 Kohlenstoffatome) oder eine Naphthylgruppe (10 Kohlenstoffatome) gemeint ist und sollte nicht so verstanden werden, dass in diesem Ausdruck eine Methylphenylgruppe (7 Kohlenstoffatome) enthalten ist. Beispielhafte Arylgruppen umfassen Phenylgruppen, Biphenyl und Fluorenyl.
Der Begriff „Arylen” bezeichnet ein aromatisches Radikal mit der Fähigkeit, eine Einzelbindung mit zwei unterschiedlichen nicht-Wasserstoffatomen zu bilden. Ein anschauliches Arylen ist Phenylen (-C₆H₄-).
Der Begriff „Alkoxy” bezeichnet ein Alkylradikal, das an einem Sauerstoffatom anhaftet, d. h. -O-C_nH_2n+1.
Der Begriff „heteroatomenthaltende Gruppe” bezeichnet ein typisches Radikal, das mindestens ein Heteroatom in einem Ring des zyklischen Radikals aufweist. Das zyklische Radikal kann aromatisch oder nicht-aromatisch sein. Das Heteroatom ist generell Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel.
Der Begriff „substituiert” gibt an, dass mindestens ein Wasserstoffatom für die benannten Radikale durch eine andere funktionale Gruppe, etwa durch ein Halogen, -CN, -NO₂, -COOH oder -SO₃H substituiert ist. Eine anschauliche substituierte Alkylgruppe ist eine Perhaloalkylgruppe, wobei ein oder mehrere Wasserstoffatome in einer Alkylgruppe durch Halogenatome, etwa Fluor, Chlor, Jod oder Brom ersetzt sind. Neben den zuvor genannten funktionalen Gruppen kann ein Aryl, Arylen oder eine heteroatomenthaltende Gruppe auch durch Alkyl oder Alkoxyl substituiert sein. Beispielhafte substituierte Arylgruppen umfassen Methylphenyl und Methoxyphenyl. Beispielhafte substituierte Arylengruppen enthalten Methylphenylen und Metoxyphenylen.
Generell enthalten Alkyl, Alkylen, Alkenyl, Alynyl und Alkoxygruppen jeweils unabhängig 1 bis zu 30 Kohlenstoffatome, in besonderen Ausführungsformen besitzen diese jedoch 2 bis 10 Kohlenstoffatome. In ähnlicher Weise enthalten die Aryl- und Arylengruppen unabhängig 6 bis 30 Kohlenstoffatome. In Ausführungsformen liegt n bei ungefähr 5 bis ungefähr 5000.
Der Begriff „divalente Bindung” bezeichnet eine beliebige Molekülgruppe bzw. einen Rest, die bzw. der in der Lage ist, eine Einzelbindung mit zwei unterschiedlichen nicht-Wasserstoffatomen zu bilden, wodurch diese beiden unterschiedlichen Atome miteinander verbunden sind. Anschauliche divalente Bindungen umfassen -O-, -NH-, Alkylen und Arylen.
Die divalente Bindung A bildet eine Einzelbindung zu jeder der beiden Thienyl-Gruppen in Formel (I). Zu beispielhaften divalenten Bindungen A gehören:

und Kombinationen davon, wobei jedes R' unabhängig ausgewählt ist aus: Wasserstoff, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl, substituiertes Aryl, Alkoxy, oder substituiertes Alkoxy, aus einer heteroatomenthaltenen Gruppe, Halogen, -CN, oder -NO₂. Eine oder mehrere dieser Reste oder Molekülgruppen können in einer divalenten Bindung A vorhanden sein. Des weiteren können ein oder mehrere eines speziellen Rests in einer divalenten Bindung A vorhanden sein.
Es sollte beachtet werden, dass die divalente Bindung A stets unterschiedlich ist zu den beiden Thiophenmonomeren, die in der Formel (I) gezeigt sind; anders ausgedrückt, die Formel (I) vereinfacht sich nicht auf ein Polythiophen, das lediglich aus einer einzelnen Molekülgruppe bzw. einem einzelnen Rest aufgebaut ist. In speziellen Ausführungsformen ist A eine Thienyl-Gruppe, die sich von jener der beiden Thiophen-Gruppen unterscheidet, die in der Formel (I) gezeigt ist. Beispielsweise sind R und R' nicht gleich, wenn A eine Thienyl-Gruppe ist.
In speziellen Ausführungsformen der Formel (I) ist R ein Alkyl mit ungefähr 6 bis ungefähr 25 Kohlenstoffatomen, oder R ist ein Alkyl mit ungefähr 8 bis ungefähr 16 Kohlenstoffatomen.
In einigen Ausführungsformen besitzt das erste Polythiophen die Struktur der Formel (II):
Formel (II) wobei m von 2 bis ungefähr 2500 reicht. Das Polythiophen kann als PQT-12 bezeichnet werden.
Die erste Teilschicht umfasst ebenfalls Kohlenstoffnanoröhren. Kohlenstoffnanoröhren sind Allotope des Kohlenstoffs. Sie nehmen die Form zylindrischer Kohlenstoffmoleküle an und besitzen neuartige Eigenschaften, die die Nanoröhrchen in einer Vielzahl von Anwendungen in der Nanotechnologie, der Elektronik, der Optik und anderen Gebieten der Materialeigenschaften nützlich machen. Kohlenstoffnanoröhrchen zeigen eine außergewöhnliche Festigkeit, einzigartige elektrische Eigenschaften und effiziente Wärmeleiteigenschaften. Der Durchmesser einer Nanoröhre ist klein, typischerweise in der Größenordnung von einigen Nanometern. Die Länge einer Nanoröhre ist typischerweise größer, manchmal bis zu mehrere Millimeter. Anders ausgedrückt, die Kohlenstoffnanoröhrchen besitzen ein großes Aspektverhältnis, d. h. ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser.
Die Kohlenstoffnanoröhren können Kohlenstoffnanoröhren mit einer einzelnen Wand sein, können doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanoröhren mit Mehrfachwänden sein. Eine Einzelwandkohlenstoffnanoröhre ist ein Zylinder, der erzeugt wird, indem die Ränder einer rechteckigen Graphen-Schicht zusammengefügt werden. Eine Mehrfachwandkohlenstoffnanoröhre ist aus einer Reihe von zylindrischen Kohlenstoffnanoröhren mit unterschiedlichen Durchmessern zusammengesetzt, die konzentrisch umeinander angeordnet sind. Die Kohlenstoffnanoröhren besitzen eine beliebige geeignete Länge und einen Durchmesser.
In Ausführungsformen sind die Kohlenstoffnanoröhren Einzelwand-Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs). Die SWCNTs besitzen einen Durchmesser von ungefähr 0,5 nm bis ungefähr 2,5 nm, insbesondere von ungefähr 0,7 bis ungefähr 2,5 nm. In einigen speziellen Ausführungsformen besitzen die SWCNTs einen Durchmesser von ungefähr 0,7 bis 1,2 nm oder von ungefähr 0,7 bis ungefähr 1,0 nm. Die SWCNTs besitzen eine Länge von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 Mikrometer, etwa von ungefähr 0,5 bis 10 Mikrometer oder von ungefähr 0,5 bis ungefähr 2,5 Mikrometer, oder von ungefähr 0,7 bis ungefähr 1,5 Mikrometer. Das Aspektverhältnis der SWCNTs liegt im Bereich von ungefähr 500 bis ungefähr 10000, wozu auch ungefähr 500 bis 5000 oder von ungefähr 500 bis 1500 gehört. Diese Aussagen sollte nicht so betrachtet werden, dass alle Nanoröhren den gleichen Durchmesser, die Länge oder das gleiche Aspektverhältnis aufweisen. Vielmehr besitzen die Nanoröhren unterschiedliche Durchmesser, Längen oder Aspektverhältnisse innerhalb der aufgeführten Bereiche. In speziellen Ausführungsformen sind die Kohlenstoffnanoröhren halbleitende Einzelwand-Kohlenstoffnanoröhren.
In anderen Ausführungsformen sind die Kohlenstoffnanoröhren oberflächenmodifizierte Kohlenstoffnanoröhren. Die oberflächenmodifizierende Gruppe kann an der Wand oder an den Enden der Kohlenstoffnanoröhren anhaften. Die Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren können auf zwei Arten modifiziert werden: durch nicht-kovalente Anhaftung oder durch kovalente Anhaftung.
In Ausführungsformen sind die oberflächenmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren durch die folgende Formel dargestellt: CNT-R₁-R₂ wobei CNT die Kohlenstoffnanoröhre darstellt, R₁ eine verbindende Gruppe darstellt, die ausgewählt ist, aus: Ester (-COO-) und Amid (-CONH-); und wobei R₂ eine konjugierte Gruppe, eine nicht-konjugierte Gruppe, eine kleine molekulare Gruppe, ein anorganisches Material oder Kombinationen davon ist. Der Grad der Oberflächenmodifizierung kann von ungefähr einer Gruppe pro Kohlenstoffnanoröhre bis ungefähr 1000 Gruppen pro Kohlenstoffnanoröhre variieren.
Die Oberflächen der Kohlenstoffnanoröhren können mit einer konjugierten Gruppe, einer nicht-konjugierten Gruppe, einem anorganischen Material und Kombinationen davon modifiziert werden.
Zu anschaulichen konjugierten Gruppen gehören Thiophen-basierte Oligomere, Pyrenyl, Fluorenyl, Karbazolyl, Triarylamin und Phenyl. Die konjugierte Gruppe kann kovalent direkt an die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren gebunden sein oder kann durch eine verbindende Gruppe, etwa Amid oder Ester gebunden sein.
Zu beispielhaften nicht-konjugierten Gruppen gehören Alkyl, Alkoxy, Zyano, Nitro, Urethan, Styren, Acrylat, Amid, Imid, Ester und Siloxan.
Ferner sind enthalten nicht-konjugierte Gruppen mit einem Säurerest, der ausgewählt ist aus der Gruppe: Kohlensäure, Sulfonsäue, Phosphinsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure und dergleichen. In speziellen Ausführungsformen werden die oberflächenmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren mit Kohlensäure, Schwefelsäure und Salpetersäure modifiziert. Die von der Kohlenstoffnanoröhre gestützte Säure kann einen Halbleiter insbesondere einen p-Halbleiter dotieren, so dass die Leitfähigkeit der Halbleiterschicht und somit die Feldeffektbeweglichkeit der Transistoren verbessert werden.
In speziellen Ausführungsformen ist das anorganische Material leitend oder halbleitend. Anschauliche anorganische Materialien enthalten Metalle und Metalloxide, etwa Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Zink, Cadmium, Palladium, Platin, Chrom, Aluminium, ZnO, ZnSe, CdSe, Zn_aIn_bO_c (wobei a, b und c ganze Zahlen sind), GaAs, ZnO·SnO₂, SnO₂, Gallium, Germanium, Zinn, Indium, Indiumoxid, Indiumzinnoxid, und dergleichen. Das anorganische Material kann die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren homogen abdecken oder kann in Form von Nanoteilchen auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren angeordnet sein. In speziellen Ausführungsformen sind die oberflächenmodifizierten Kohlenstoffnanoröhren mit Nanoteilchen modifiziert, die ausgewählt sind aus der Gruppe: Gold, Silber, Nickel, Kupfer, ZnO, CdSe, Zn_aIn_bO_c, GaAs, ZnO·SnO₂, SnO₂ und ZnSe-Nanoteilchen.
Das Modifizieren der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren kann eine bessere Mischbarkeit zwischen dem Kohlenstoffnanoröhren und dem Polythiophen der Formel (I) ermöglichen. Typischerweise bevorzugen Nanoteilchen die Ausbildung von Aggregaten auf Grund der starken Van Der Waals-Kräfte, so dass eine Dispersion im Nano-Maßstab schwer erreichbar ist. Die Oberflächenmodifizierung erhöht die Lösbarkeit und erlaubt eine echte Dispersion auf Nano-Maßstab der Kohlenstoffnanoröhren in dem Polythiophen. Wenn die Oberfläche mit einem konvergierten Rest modifiziert wird, kann ein besserer Ladungsübergang zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Polythiophen-Halbleiter erfolgen.
Kohlenstoffnanoröhren können in ihrer Oberfläche durch geeignete Verfahren modifiziert werden. Beispielsweise kann ein reaktiver Platz an den Kohlenstoffnanoröhren erzeugt werden, anschließend kann ein Oligomer oder eine kleine molekuläre Verbindung mit den Nanoröhren an dem reaktiven Platz angehaftet werden. Eine weitere Vorgehensweise beinhaltet das Einführen von Kohlensäuregruppen auf der Kohlenstoffnanooberfläche mittels einer Säurebehandlung. Beispielsweise kann eine Mischung aus Schwefelsäure und Salpetersäure verwendet werden, um Kohlenstoffsäuregruppen auf der Oberfläche einer Kohlenstoffnanoröhre zu erzeugen. Andere oberflächenmodifizierende Gruppen können mit der Kohlenstoffsäuregruppe reagieren. Zu anderen Vorgehensweisen gehört eine Plasmabehandlung oder eine direkte Reaktion mit sehr reaktiven Chemikalien, etwa Dichlorkarben. In anderen Ausführungsformen werden die Kohlenstoffröhrchen sichtbar an ihrer Oberfläche modifiziert.
Bei einer Vermischung mit dem ersten Halbleiter-Thiophen kann das Polythiophen die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer halbleitenden Zusammensetzung, die ein Lösungsmittel enthält, stabilisieren. Diese Stabilisierung kann durch verschiedene unterschiedliche Mechanismen erfolgen. In Ausführungsformen hilft die Eigenschaft der Erzeugung von Polymeraggregaten dabei, die Kohlenstoffnanoröhren in der Halbleiterzusammensetzung zu verteilen und zu stabilisieren. Als Folge davon helfen die Polymeraggregate dabei, Kohlenstoffnanoröhren in der Lösung zu verteilen und zu stabilisieren. In anderen Ausführungsformen fungieren die verteilten Kohlenstoffnanoröhren als Kerne bzw. Keime, wobei sich das erste Halbeiter-Polythiophen um die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren herumwindet, so dass ein Nano-Aggregat der Kohlenstoffnanoröhrchen und des ersten Halbleiter-Polythiophen entsteht. Diese Nano-Aggregate können zusammen mit den Polymeraggregaten nebeneinander existieren. Die Anwesenheit des halbleitenden Polythiophen, das um die Kohlenstoffnanoröhren herum angeordnet ist, und/oder der halbleitenden Polythiophenaggregate kann untersucht werden unter Anwendung geeigneter Hilfsmittel, etwa mittels einer hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie oder mittels Atomkräfte-Mikroskopietechniken.
Die erste Teilschicht 72 kann ungefähr 10 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent Kohlenstoffnanoröhrchen aufweisen, wobei dies auf dem Gesamtgewicht des ersten Halbleiter-Thiophen und der Kohlenstoffnanoröhren beruht. In einigen Ausführungsformen machen die Kohlenstoffnanoröhren ungefähr 15 bis ungefähr 40 Gewichtsprozent der ersten Teilschicht 72 aus.
Das Gewichtsverhältnis von Kohlenstoffnanoröhren zu Polythiophen in der ersten Teilschicht 72 liegt bei ungefähr 1:9 bis ungefähr 1:1. In einigen Ausführungsformen liegt das Gewichtsverhältnis von Kohlenstoffnanoröhren zu Polythiophen in der ersten Teilschicht bei ungefähr 3:17 bis ungefähr 2:3.
Die zweite Teilschicht 74 enthält einen zweiten Halbleiter. Zu anschaulichen Halbleitern gehören, ohne einschränkend zu sein, Azene, etwa Anthrazen, Tetrazen, Pentazen, Rubren und substituierte Pentazene, etwa TIPS-Pentazen; Perylene, Fullerene, Oligothiophene, Polythiophene und ihre substituierten Derivate, Polypyrrol, Poly-P-Phenylvinylidene, Naphthalenedicarboxyl, Dianhydride, Naphthalene-Bismide, Polynaphthalene, Phthalozyane, etwa Kupferphthalozyane, Titany-Phthalozyane, oder Zinkphthalozyane und deren Substrate, und andere kombinierte Ringstrukturen, etwa substituiertes Benzothieno [3,2-b] Benzothiophen, Triethylsilylethynylanthradithiophen und dergleichen.
In speziellen Ausführungsformen ist der zweite Halbleiter ein Polythiophen. In Ausführungsformen besitzt auch das zweite Halbleiter-Polythiophen die Struktur der Formel (I) oder der Formel (II), wie sie zuvor beschrieben sind. Das Polythiophen in der zweiten Metallschicht kann das gleiche oder ein unterschiedliches Polythiophen als das Polythiophen in der ersten Teilschicht 72 sein. Die zweite Teilschicht 74 enthält keine Kohlenstoffnanoröhren oder ist im Wesentlichen frei von Kohlenstoffnanoröhren. In einigen Ausführungsformen ist das Polythiophen der ersten Teilschicht 72 und der zweiten Teilschicht 74 PQT-12.
Die Anwesenheit von Kohlenstoffnanoröhren in der ersten Teilschicht kann die Beweglichkeit des TFT verbessern. Die Kohlenstoffnanoröhren sind allgemein besser leitend als das Polythiophen. Es wird angenommen, dass die Kohlenstoffnanoröhren nicht durchlässige Arrays innerhalb des Kanals bilden. Die wirksame Kanallänge kann somit verringert werden, wodurch die Beweglichkeit drastisch verbessert wird. Es wird ferner angenommen, dass die Kohlenstoffnanoröhren benachbarte Kristallbereiche des Halbleiters elektrisch miteinander verbinden. Diese Verbindungen überwinden die Korngrenzwirkungen, die typischerweise die Beweglichkeit verringern.
Prozesse zur Herstellung der ersten Teilschicht sind hierin ebenfalls offenbart. Insbesondere wurde erkannt, dass zum Erreichen sowohl einer hohen Feldeffektmobilität und einer guten Verteilung der Kohlenstoffnanoröhren in dem Polythiophen ein zweistufiger Prozess angewendet werden muss. Dies verbessert die Feldeffektbeweglichkelt um mindestens 100 Prozent und in einigen Ausführungsformen um einen Faktor 2 bis 3. Allgemein gesprochen, werden die Kohlenstoffnanoröhren und eine erste Menge des ersten Halbleiterleiters in einer Flüssigkeit verteilt, so dass eine erste Dispersion entsteht. Eine zweite Menge des ersten Halbleiters wird dann der ersten Dispersion hinzugefügt, um eine angereicherte Dispersion zu bilden. Die zweite Menge des ersten Halbleiters wird dann aufgelöst oder verteilt in der angereicherten Dispersion, um eine endgültige Dispersion zu erzeugen.
Anders ausgedrückt, die Kohlenstoffnanoröhren werden in einer ersten Menge das Polythiophen in einer Lösung verteilt, so dass eine erste Dispersion entsteht. Kohlenstoffnanoröhren werden durch das Polythiophen stabilisiert. Als nächstes wird eine zweite Menge das Polythiophen der ersten Dispersion hinzugefügt, um eine angereicherte Dispersion zu bilden. Die zweite Menge des Polythiophens wird dann in der angereicherten Dispersion verteilt, um eine endgültige oder abschließende Dispersion zu erzeugen. In Ausführungsformen ist das Polythiophen in der Lage, Polymeraggregate in der Flüssigkeit zu bilden.
Es wird nunmehr eine beispielhafte detaillierte Vorgehensweise erläutert. Zuerst wird die Mischung der ersten Menge des ersten halbleitenden Polymers, der Kohlenstoffnanoröhren und der Flüssigkeit auf eine erste erhöhte bzw. obere Temperatur aufgeheizt. Die erste Menge des ersten halbleitenden Polymers wird zumindest teilweise in der Flüssigkeit bei der ersten erhöhten Temperatur aufgelöst. Die Temperatur der warmen Mischung wird dann auf eine erste untere Temperatur verringert, und mit einer Sonde mit Ultraschall behandelt, um die erste Dispersion zu bilden. Die Schallbeaufschlagung mittels Sonde kann vor, während oder nach dem Absenken der Temperatur auf die erste tiefere Temperatur ausgeführt werden. Beim Absenken der Temperatur bildet das erste halbleitende Polymer Polymeraggregate bei der ersten unteren Temperatur und die Kohlenstoffnanoröhren werden mittels des ersten halbleitenden Polymers und den Polymeraggregaten verteilt und stabilisiert. Sodann wird die zweite Menge des ersten Halbleiters der ersten Dispersion hinzugefügt, um eine angereicherte Dispersion zu bilden. Die angereicherte Dispersion wird optional auf eine zweite obere Temperatur gebracht, wobei die zweite Menge des ersten Halbleiters zumindest teilweise in der Flüssigkeit bei der zweiten erhöhten Temperatur gelöst wird. Die angereicherte Dispersion wird auf eine zweite untere Temperatur gebracht (die tiefer ist als die zweite obere Temperatur) und wird mit einem Ultraschallbad behandelt, um die endgültige Dispersion zu bilden. In einigen Ausführungsformen ist die erste obere Temperatur gleich der zweiten oberen Temperatur. In anderen Ausführungsformen ist die erste obere Temperatur um 5 bis ungefähr 100 Grad C höher als die zweite obere Temperatur, insbesondere ist die Temperatur um 10 bis ungefähr 50 Grad C höher. In einigen Ausführungsformen ist die erste untere Temperatur unterhalb der Raumtemperatur und die zweite untere bzw. tiefere Temperatur ist die Raumtemperatur. In anderen Ausführungsformen liegen sowohl die erste als auch die zweite untere Temperatur unter der Raumtemperatur. Nach dem Absenken auf die zweite untere Temperatur wird die Zusammensetzung auf Raumtemperatur gebracht.
In Ausführungsformen liegt die erste obere Temperatur bei ungefähr 40 Grad C bis ungefähr 180 Grad C, insbesondere bei ungefähr 60 Grad C bis ungefähr 150 Grad C oder bei ungefähr 60 Grad C bis ungefähr 120 Grad C. Die zweite obere Temperatur liegt bei ungefähr 30 Grad C bis ungefähr 150 Grad C und insbesondere bei ungefähr 40 Grad C bis ungefähr 120 Grad C oder ungefähr 60 Grad C bis ungefähr 100 Grad C. Die erste untere Temperatur liegt bei ungefähr –25 Grad C (Minus 25 Grad C) bis ungefähr 15 Grad C, insbesondere bei ungefähr –10 Grad C (Minus 10 Grad C) bis ungefähr 5 Grad C oder bei ungefähr 0 Grad C. Die zweite untere Temperatur liegt bei ungefähr –25 Grad C (Minus 25 Grad C) bis ungefähr 35 Grad C und insbesondere bei –10 Grad C (Minus 10 Grad C) bis ungefähr 25 Grad C oder bei ungefähr 0 Grad C bis ungefähr 25 Grad C.
Das Gewichtsverhältnis der Kohlenstoffnanoröhren zu dem Polythiophen in der ersten Dispersion liegt bei ungefähr 1 Gewichtsprozent bis ungefähr 50 Gewichtsprozent, wobei dies auf dem Gewicht des Polythiophens und der Kohlenstoffnanoröhren beruht. Die Kohlenstoffnanoröhren können in einer Polythiophenlösung sehr gut verteilt bzw. dispergiert werden mit einem hohen Anteil, d. h. mit einem Gewichtsverhältnis von nahe 1:1. Diese erste Dispersion kann durch Ultraschallbehandlung mittels einer Sonde erreicht werden, und führt zu einer sehr stabilen Dispersion, die wochenlang nicht ausfällt. Die erste Dispersion kann auch als eine stabilisierte Dispersion bezeichnet werden. Das Bereitstellen einer sehr stabilen Dispersion vor dem Hinzufügen der zweiten Menge des Polythiophens ist ein entscheidender Aspekt. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die erste Dispersion für eine Langzeitaufbewahrung vor der Verwendung bei der Herstellung einer halbleitenden Schicht verwendet werden kann.
Das Gewichtsverhältnis der Kohlenstoffnanoröhren zu dem Polythiophen der angereicherten Dispersion liegt bei ungefähr 1:99 bis 40:60. Die angereicherte Dispersion kann hergestellt werden, indem eine zweite Menge an Polythiophen zu der ersten Dispersion hinzugefügt wird.
Es werden zumindest zwei unterschiedliche Möglichkeiten des Hinzufügens der zweiten Menge des Polythiophens hierin betrachtet. Die zweite Menge des Polythiophens kann in eine Lösung hinzugegeben und verteilt werden, um eine zweite Dispersion zu erzeugen. Die Anreicherung des Polythiophens in der zweiten Dispersion im Verhältnis zu dem Gewicht der gesamten zweiten Dispersion sollte größer sein als die Anreicherung des Polythiophens in der ersten Dispersion im Verhältnis zu dem Gewicht der gesamten ersten Dispersion. Anders ausgedrückt, die zweite Dispersion sollte eine höhere Konzentration an Polythiophen im Vergleich zu der ersten Dispersion aufweisen. Die erste Dispersion und die zweite Dispersion werden dann kombiniert, um die angereicherte Dispersion zu bilden. Das Gewichtsverhältnis von Kohlenstoffnanoröhren zu Polythiophen ist in der angereicherten Dispersion geringer als in der ersten Dispersion auf Grund des Hinzufügens der zweiten Dispersion.
Alternativ kann die zweite Menge des Polythiophens als ein Pulver zu der ersten Dispersion hinzugefügt werden. Die erste Dispersion wird dann erwärmt, um die zweite Menge des Polythiophens in der ersten Dispersion aufzulösen, wodurch die angereicherte Dispersion gebildet wird.
In Ausführungsformen wird die erste Dispersion hergestellt unter Anwendung einer Ultraschallbeaufschlagung mit einer Sonde, und die endgültige Dispersion wird unter Anwendung einer Ultraschallbehandlung mittels Bad erzeugt. Der Begriff „Ultraschallbehandlung mittels Sonde” bezeichnet eine Ultraschallbehandlung, wobei eine Sonde in einen Behälter eingeführt wird, der die Dispersion enthält. Der Begriff „Ultraschallbehandlung mittels Bad” bezeichnet eine Ultraschallbehandlung, in der der Behälter mit der Dispersion in einem Bad angeordnet wird und das Bad wird anschließend mit Ultraschall beaufschlagt. Die Ultraschallbeaufschlagung mit Sonde führt wird eine wesentlich größere Energie/Leistung im Vergleich zur Ultraschallbeaufschlagung mittels Bad zu. Anders ausgedrückt, für den zweistufigen Prozess wird eine hohe Leistung oder hohe Energie während des ersten Verteilungsschrittes verwendet, während eine deutlich geringere Energie/Leistung während des zweiten Verteilungsschrittes eingesetzt wird.
Ein Prozess zum Erzeugen eines elektronischen Bauelements, das die halbleitende Doppelschicht der vorliegenden Erfindung enthält, umfasst eine Flüssigabscheidung einer ersten Teilschichtzusammensetzung auf einer dielektrischen Schicht, um eine erste halbleitende Teilschicht zu bilden. Die erste halbleitende Teilschicht kann bei Bedarf getrocknet werden. Als nächstes wird eine zweite halbleitende Zusammensetzung als Flüssigkeit auf der ersten halbleitenden Teilschicht abgeschieden, um eine zweite halbleitende Teilschicht zu bilden. Die erste Teilschichtzusammensetzung enthält ein erstes Polythiophen und Kohlenstoffnanoröhren. Die zweite Teilschichtzusammensetzung enthält einen zweiten Halbleiter. Es sind keine Kohlenstoffnanoröhren in der zweiten Teilschichtzusammensetzung enthalten. Abhängig von der gewünschten TFT-Konfiguration kann die halbleitende Doppelschicht auf dem Substrat oder auf einer dielektrischen Schicht angeordnet werden. Source- und Drain-Elektroden werden dann auf der Oberseite des Substrats, der dielektrischen Schicht oder der halbleitenden Doppelschicht hinzugefügt. Die Source- und Drainelektroden werden vor oder nach der halbleitenden Doppelschicht aufgebracht. Die erste und die zweite Teilschicht können zusammen bei Bedarf aufgeheizt werden.
Die halbleitenden Teilschichten können in einem elektronischen Bauelement unter Anwendung konventioneller bekannter Prozesse hergestellt werden. In Ausführungsformen werden die Teilschichten unter Anwendung von Techniken zum Aufbringen von Lösungen hergestellt. Zu anschaulichen Abscheidetechniken für Lösungen gehören das Aufschleudern, die Beschichtung mittels einer Beschichtungskante, eine Stabbeschichtung, eine Tauchbeschichtung, das Siebdrucken, das Tintenstrahldrucken, das Stempeln, das Matrizendrucken, das Siebdrucken, das Tiefdruckverfahren, das Flexographiedrucken und dergleichen. Alternativ können die Teilschichten durch Dampfabscheidung aufgebracht werden.
Die halbleitende Doppelschicht kann mit ungefähr 5 nm bis ungefähr 1000 nm Tiefe hergestellt werden, insbesondere mit ungefähr 20 bis ungefähr 100 nm Tiefe. In gewissen Konfigurationen, etwa in denen in den 1 und 4 gezeigten Konfigurationen, bedeckt die halbleitende Doppelschicht die Sourceelektrode und die Drainelektrode vollständig.
Die erste halbleitende Teilschicht kann eine Dicke von ungefähr 1 nm bis ungefähr 30 nm insbesondere von ungefähr 2 nm bis ungefähr 20 nm oder von ungefähr 5 nm bis ungefähr 10 nm aufweisen. In Ausführungsformen besitzt die erste halbleitende Teilschicht eine Dicke von weniger als 10 nm.
Die zweite halbleitende Teilschicht kann eine Dicke von ungefähr 5 nm bis ungefähr 1000 nm insbesondere von ungefähr 5 nm bis ungefähr 100 nm oder von ungefähr 5 nm bis ungefähr 50 nm aufweisen. In einigen Ausführungsformen besitzt die zweite halbleitende Teilschicht eine Dicke von ungefähr 30 nm bis 50 nm.
Das Leistungsverhalten eines TFT kann durch die Beweglichkeit gemessen werden. Die Beweglichkeit wird in Einheiten von cm²/V·Sekunde gemessen; generell ist eine höhere Beweglichkeit wünschenswert. Der resultierende TFT unter Anwendung der Halbleiterzusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann eine Feldeffektbeweglichkeit von mindestens 0,1 cm²/V·Sekunde insbesondere von mindestens 0,2 cm²/V·Sekunde besitzen. Der TFT der vorliegenden Erfindung besitzt ein Verhältnis von Durchlassstrom zu Sperrstrom von mindestens 10⁴ und insbesondere von mindestens 10⁵. Der TFT der vorliegenden Erfindung kann ferner einen Sperrstrom bzw. einen Strom im ausgeschalteten Zustand (d. h. Leckstrom) von weniger als ungefähr 10^–9 oder weniger als 10^–10 Ampere aufweisen.
Ein Dünnschichttransistor enthält generell ein Substrat, eine optionale Gateelektrode, eine Sourceelektrode, eine Drainelektrode und eine dielektrische Schicht zusätzlich zu der halbleitenden Schicht.
Das Substrat kann aus Materialien aufgebaut sein, wozu, ohne einschränkend zu sein, Silizium, eine Glasplatte, eine Kunststoffschicht oder ein Kunststofffilm gehören. Für strukturell flexible Bauelemente werden Kunststoffsubstrate beispielsweise Polyesterschichten, Polykarbonatschichten, Polyimidschichten und dergleichen bevorzugt. Die Dicke des Substrats liegt bei ungefähr 10 Mikrometer bis 10 mm, wobei eine anschauliche Dicke im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 50 μm liegt, insbesondere für ein flexibles Kunststoffsubstrat, und bei ungefähr 0,5 bis 10 mm für ein steifes Substrat, etwa Glas oder Silizium, liegt.
Die dielektrische Schicht kann generell eine anorganische Materialschicht, eine organische Polymerschicht oder eine organisch-anorganisch zusammengesetzte Schicht sein. Zu Beispielen von anorganischen Materialien, die für die dielektrische Schicht geeignet sind, gehören Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Bariumtitanat, Bariumzirkontitanat und dergleichen. Zu Beispielen für geeignete organische Polymere gehören Polyester, Polykarbonate, Poly(vinylphenol), Polyimide, Polystyren, Polymethaacrylate, Harze und dergleichen. Die Dicke der dielektrischen Schicht hängt von der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials ab und kann beispielsweise ungefähr 10 nm bis ungefähr 500 nm betragen. Die dielektrische Schicht besitzt eine Leitfähigkeit, die beispielsweise kleiner ist als ungefähr 10^–12 Siemens pro Zentimeter (S/cm). Die dielektrische Schicht kann unter Anwendung konventioneller bekannter Prozesse erfolgen, wozu jene Prozesse gehören, die zur Herstellung der Gateelektrode beschrieben sind.
In der vorliegenden Erfindung kann die dielektrische Schicht oberflächenmodifiziert sein mittels eines Oberflächenmodifiziermittels. Die erste halbleitende Teilschicht kann direkt mit dieser modifizierten Oberfläche der dielektrischen Schicht in Kontakt sein. Der Kontakt kann vollständig oder teilweise erfolgen. Diese Oberflächenmodifizierung kann auch so betrachtet werden, als dass eine Grenzflächenschicht zwischen der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht gebildet wird. In speziellen Ausführungsformen wird die Oberfläche der dielektrischen Schicht mit einem Organosilanmittel der Formel (A) modifiziert: R_m-Si-(R'')_4-m Formel (A) wobei R ein Kohlenwasserstoff oder ein Fluorkohlenstoff ist, der 1 bis ungefähr 20 Kohlenstoffatome enthält, R'' ein Halogen oder Alkoxy ist; und m eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist. Zu anschaulichen Organosilan gehören Oktyltrichlorosilan (OTS-8) (R = Oktyl; R'' = Chloro, m = 1), Dodecyltrichlorosilan, Phenyltrichlorosilan, Methyltrimethoxysilan, Phenylmethyldimethoxysilan, Phenylmethyldichlorosilan, (3-Phenylpropyl) Dimethylchlorosilan, (3-Phenylpropyl) Methyldichlorosilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenethyltrichlorosilan und dergleichen. In speziellen Ausführungsformen enthält R eine Phenylgruppe. Es können auch andere Oberflächenmodifiziermittel, etwa Polystyren, Polysiloxan, Polysilsesquioxan verwendet werden.
Die Gateelektrode ist aus einem elektrisch leitenden Material aufgebaut. Dieses kann eine dünne Metallschicht, eine leitende Polymerschicht, eine leitende Schicht aus leitender Tinte oder einer Paste oder das Substrat selbst sein, beispielsweise in Form eines stark dotierten Siliziummaterials. Beispiele von Gateelektrodenmaterialien umfassen, ohne einschränkend zu sein, Aluminium, Gold, Silber, Chrom, Indiumzinnoxid, leitende Polymere, etwa Polystyren, sulfonatdotiertes Poly(3,4-Ethylendioxythiophen) (PSS-PEDOT), und eine leitende Tinte/Paste mit Ruß/Graphit. Die Gateelektrode kann durch Vakuumaufdampfung, das Sputtern von Metallen oder leitenden Metalloxiden, durch konventionelle Lithographie- und Ätztechniken, durch chemische Dampfabscheidung, durch Aufschleudern, durch Vergießen oder Drucken oder durch andere Prozesse hergestellt werden. Die Dicke der Gateelektrode liegt im Bereich von beispielsweise ungefähr 10 bis 200 nm für Metallschichten und von ungefähr 1 bis 10 μm für leitende Polymere. Typische Materialien, die zur Verwendung als Sourceelektrode oder Drainelektrode geeignet sind, umfassen auch jene der Gateelektrodenmaterialien, etwa Aluminium, Gold, Silber, Chrom, Zink, Indium, leitende Metalloxide, etwa Zink, Galliumoxid, Indiumzinnoxid, Indiumantimonoxid, leitende Polymere und leitende Tinten. Eine typische Dicke der Source- und Drainelektrode liegt beispielsweise bei ungefähr 40 nm bis ungefähr 1 μm und insbesondere liegt die Dicke bei ungefähr 100 bis 400 nm.
Typische Materialien, die für die Verwendung als Sourcelektrode und Drainelektrode geeignet sind, enthalten jene, wie sie auch für die Gateelektrodenmaterialien verwendet werden, etwa Gold, Silber, Nickel, Aluminium, Platin, leitende Polymere und leitende Tinten. In speziellen Ausführungsformen besitzen die Elektrodenmaterialien einen geringen Kontaktwiderstand zum Halbleitermaterial. Eine typische Dicke liegt bei ungefähr beispielsweise 40 nm bis ungefähr 1 μm und insbesondere bei einer Dicke von ungefähr 100 nm bis ungefähr 400 nm. Die OTFT-Bauelemente der vorliegenden Erfindung enthalten einen Halbleiterkanal. Der Halbleiterkanal besitzt eine Breite von beispielsweise ungefähr 5 μm bis ungefähr 5 mm, wobei insbesondere eine Kanalbreite bei ungefähr 100 μm bis ungefähr 100 mm liegt. Die Länge des Halbleiterkanals beträgt beispielsweise ungefähr 1 μm bis ungefähr 1 mm und insbesondere bei ungefähr 5 μm bis ungefähr 100 μm.
Die Sourcelektrode ist geerdet und eine Vorspannung von beispielsweise ungefähr 0 Volt bis ungefähr 80 Volt wird an die Drainelektrode angelegt, um die Ladungsträger einzusammeln, die über den Halbleiterkanal transportiert werden, wenn eine Spannung, beispielsweise ungefähr +10 Volt bis ungefähr –80 Volt an die Gateelektrode angelegt wird. Die Elektroden können hergestellt oder abgeschieden werden, wobei konventionelle bekannte Prozesse angewendet werden.
Bei Bedarf kann auch eine Barrierenschicht auf dem TFT abgeschieden werden, um diesen vor Umwelteinflüssen zu schützen, etwa vor Licht, Sauerstoff und Feuchtigkeit etc., die die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Derartige Barrierenschichten sind im Stand der Technik bekannt und können einfach aus Polymermaterialien bestehen.
Die diversen Komponenten des OTFT können auf dem Substrat in einer beliebigen Reihenfolge aufgebracht werden. Generell sollten jedoch die Gateelektrode und die halbleitende Schicht jeweils in Kontakt mit der Gatedielektrikumsschicht sein. Des weiteren können die Sourceelektrode und die Drainelektrode mit der halbleitenden Schicht in Kontakt sein. Der Begriff „in beliebiger Reihenfolge” beinhaltet eine sequenzielle und auch eine gleichzeitige Herstellung. Beispielsweise können die Sourceelektrode und die Drainelektrode gleichzeitig oder nacheinander hergestellt werden. Der Begriff „auf” dem Substrat bezeichnet die diversen Schichten und Komponenten, wobei auf das Substrat Bezug genommen wird und dieses als Unterseite oder Auflage für die Schichten und Komponenten dient, die darauf ausgebildet sind. Anders ausgedrückt, alle Komponenten sind auf dem Substrat, selbst wenn diese nicht direkt das Substrat kontaktieren. Beispielsweise sind die dielektrische Schicht und die halbleitende Schicht beide auf dem Substrat, obwohl eine Schicht näher an dem Substrat liegt als die andere Schicht. Der resultierende TFT besitzt eine gute Mobilität und ein gutes Verhältnis von Durchlassstrom/zu Sperrstrom.
Die folgenden Beispiele dienen zum Zwecke der Darstellung der vorliegenden Erfindung. Die Beispiele sind lediglich anschaulicher Natur und sollen mit Bezug auf die Bauelemente, die gemäß der Erfindung hergestellt sind, keine Einschränkung im Hinblick auf Materialien, Bedingungen oder Prozessparameter darstellen, wie sie nachfolgend angegeben sind. Alle Anteile sind Prozentanteile in Bezug auf das Volumen, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist.
Beispiel 1
Es wurden Einzelwand-Kohlenstoffnanoröhren (CNT) zu 1,3-Dichlorobenzen bis zu einer Konzentration von 0,05 wt% hinzugefügt. Die Mischung wurde mittels einer Sonde durch Ultraschall behandelt bei 50% Leistung und 20 Sekunden Dauer. PQT-12-Pulver wurde der CNT-Dispersion hinzugefügt, bis eine Konzentration von 0,1 wt% PCT-12 erreicht war. Das Gewichtsverhältnis von CNT zu PQT-12 betrug 1:2. Die Mischung wurde erwärmt, um das PQT-12 aufzulösen und anschließend wurde 20 Sekunden lang eine Ultraschallbehandlung mittels einer Sonde ausgeführt. Die resultierende Dispersion von CNT in PQT-Nanoteilchen war sehr stabil. Die Dispersion wurde bei 3500 rpm 30 Minuten lang zentrifugiert, um jegliche Agglomerate zu entfernen.
Beispiel 2
TFTs wurden auf einem Siliziumscheibensubstrat unter Anwendung der PQT-12/CNT-Zusammensetzung aus Beispiel 1 hergestellt, um die erste halbleitende Teilschicht zu erzeugen. Das N-dotierte Silizium fungierte als das Gate und eine 200 nm Siliziumoxidschicht fungierte als das Gatedielektrikum. Das Siliziumoxid wurde mit Oktyltrichlorosilan modifiziert. Die PQT-12/CNT-Zusammensetzung wurde auf die Scheibe bei 1000 bis 2000 Umdrehungen pro Minute aufgeschleudert, um die erste Teilschicht (mit einer Dicke von ungefähr 5 nm) zu bilden. Die erste Teilschicht wurde in einem Vakuum bei 70 bis 80 Grad C 30 bis 60 Minuten lang getrocknet. Als nächstes wurde eine 0,4 wt% (gewichtsprozentige) PQT-12-Dispersion bei 1000 Umdrehungen pro Minute 120 Sekunden lang auf die erste Teilschicht aufgeschleudert, um eine zweite Teilschicht (mit einer Dicke von ungefähr 30 nm) zu bilden. Die zweite Teilschicht wurde bei 80 Grad C getrocknet und bei 140 Grad C in Vakuum ausgeheizt. Es wurden Gold-Elektroden für das Source und Drain auf die halbleitende Doppelschicht durch eine Schattenmaske aufgedampft.
Vergleichsbeispiel 1
TFTs wurden unter Anwendung der gleichen Materialien und des gleichen grundlegenden Vorgehens wie im Beispiel 2 hergestellt. Anstelle einer halbleitenden Doppelschicht wurde jedoch die einzelne halbleitende Schicht, die lediglich PQT-12 enthielt, mit einer Dicke von ungefähr 30 nm verwendet.
Vergleichsbeispiel 2
Im Vergleichsbeispiel 2 wurde die in dem Beispiel 1 erzeugte PQT-12/CNT-Zusammensetzung mit einer PQT-12-Dispersion gemischt, um damit eine Mischung zu erzeugen. Anschließend wurde die Mischung auf ein Siliziumscheibensubstrat aufgebracht und getrocknet, so dass eine einzelne halbleitende Schicht erzeugt wurde, die 10 wt% (Gewichtsprozent) an Kohlenstoffnanoröhren und 90 wt% (Gewichtsprozent) an PQT-12 enthielt. Die Dicke der einzelnen Schicht betrug 40 nm. Es wurden Source- und Drain-Elektroden aus Gold auf der Oberseite der halbleitenden Schicht durch eine Schattenmaske hindurch aufgedampft.
Ergebnisse
Die Ergebnisse dieser Experimente sind in der Tabelle 1 zusammengefasst:

Beweglichkeit (cm²/V-s) Verhältnis von Durchlassstrom/Sperrstrom

Beispiel 2 0.4–0.53 10⁵

Vergleichsbeispiel 1 ~0.1 -

Vergleichsbeispiel 2 0.2–0.3 -
Die TFTs aus Beispiel 2 zeigten Feldeffektbeweglichkeiten von ungefähr 0,4 bis ungefähr 0,53 cm²/V·Sekunde und ein hohes Verhältnis von Durchlassstrom/Sperrstromstrom von ungefähr 10⁵. Bauelemente, die im Vergleichbeispiel 1 hergestellt sind, d. h. Bauelemente mit einer einzelnen halbleitenden Schicht aus reinem Polythiophen, erreichten lediglich Beweglichkeiten von ungefähr 0,1 cm²V·Sekunde. Bauelemente, die gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurden, zeigten lediglich Beweglichkeiten im Bereich von 0,2 bis 0,3 cm²/V·Sekunde.
Bauelemente mit der halbleitenden Doppelschicht der vorliegenden Erfindung zeigten somit bessere Ergebnisse.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6890868 [0029]
US 6803262 [0029]

Claims

Elektronisches Bauelement mit einer halbleitenden Doppelschicht, wobei die halbleitende Doppelschicht umfasst: eine erste Teilschicht mit einem ersten Halbleiter und Kohlenstoffnanoröhren, wobei der erste Halbleiter Polythiophen ist; und eine zweite Teilschicht mit einem zweiten Halbleiter.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der zweite Halbleiter ein Polythiophen ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Teilschicht Polymeraggregate des ersten Halbleiters aufweist, die die Kohlenstoffnanoröhren trennen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Teilschicht Nano-Aggregate aufweist, die durch das erste halbleitende Polymer gebildet sind, das eine Kohlenstoffröhre umgibt.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Teilschicht eine Dicke von weniger als 10 nm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschicht eines elektronischen Bauelements, wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden einer ersten Halbleiterzusammensetzung als Flüssigkeit auf einer dielektrischen Schicht, so dass eine erste halbleitende Teilschicht gebildet wird; optionales Trocknen der Teilschicht; und Abscheiden einer zweiten halbleitenden Zusammensetzung als Flüssigkeit auf der ersten halbleitenden Teilschicht, so dass eine zweite halbleitende Teilschicht gebildet wird; wobei die erste halbleitende Teilschicht ein erstes Polythiophen und Kohlenstoffnanoröhren aufweist; und optionales Ausheizen der ersten Teilschicht zusammen mit der zweiten Teilschicht, so dass die Halbleiterschicht gebildet wird.
Dünnschichttransistor mit einer dielektrischen Schicht und einer Halbleiterdoppelschicht, wobei die Halbleiterdoppelschicht umfasst: eine erste Teilschicht mit einem ersten Halbleiter-Polythiophen und Kohlenstoffnanoröhren; und eine zweite Teilschicht mit einem zweiten Halbleiter; wobei die erste Teilschicht zwischen der dielektrischen Schicht und der zweiten Teilschicht angeordnet ist; und wobei das erste Polythiophen den Aufbau nach folgender Formel aufweist:
wobei A eine divalente Bindung ist; jedes R unabhängig ausgewählt ist aus Wasserstoff, Alkyl, substituiertes Alkyl, Alkenyl, substitutiertes Alkenyl, Alkynyl, substituiertes Alkynyl, Alyl, substituiertes Alyl, Alkoxy, substituiertes Alkoxy, einer heteroatomenthaltenen Gruppe, Halogen, -CN, oder -NO₂; und wobei n im Bereich von 2 bis ungefähr 5000 liegt.
Dünnschichttransistor nach Anspruch 7, wobei der zweite Halbleiter gleich ist zu dem ersten Halbleiter-Polythiophen.
Dünnschichttransistor nach Anspruch 7, wobei das erste Halbleiter-Polythiophen und der zweite Halbleiter unabhängig voneinander die Struktur gemäß der folgenden Formel besitzen:
wobei m im Bereich von 2 bis ungefähr 2500 liegt.
Dünnschichttransistor nach Anspruch 7, wobei die Kohlenstoffnanoröhren ungefähr 15 bis ungefähr 40 Gewichtsprozent der ersten Teilschicht umfassen, wobei dies auf dem Gesamtgewicht des ersten Halbleiter-Polythiophens und der Kohlenstoffnanoröhren in der ersten Teilschicht beruht.