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Die
Erfindung betrifft eine Verbindung zur Bildung einer selbstorganisierenden
Monolage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Schichtstruktur
gemäß Anspruch
15, ein Halbleiterbauelement mit einer Schichtstruktur gemäß Anspruch
26 und ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur gemäß Anspruch 27.
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Systeme
mit integrierten Schaltungen basierend auf organischen Feldeffekttransistoren
(OFET) stellen eine zukunftsträchtige
Technologie im Massenanwendungsbereich preiswerter Elektronik dar.
Ein Feldeffekttransistor gilt insbesondere als organisch, wenn die
halbleitende Schicht aus einem organischen Material hergestellt
ist.
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Da
sich mit OFET komplexe Schaltungen aufbauen lassen, bestehen zahlreiche
Anwendungsmöglichkeiten.
So gilt beispielsweise die Einführung
von RF-ID (RF-ID: radio frequency identification) Systemen basierend
auf dieser Technologie als potentieller Ersatz für den störanfälligen und nur in direktem
Sichtkontakt zum Scanner anwendbaren Barcode.
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Organische
Feldeffekttransistoren bestehen normalerweise aus mindestens vier
verschiedenen, übereinander
aufgebrachten Schichten: einer Gateelektrode, einem Dielektrikum,
einer Source-Drain-Kontaktschicht und einem organischen Halbleiter.
Die Reihenfolge der Schichten kann dabei variieren. Damit die Funktionalität entsteht,
müssen
die einzelnen Lagen strukturiert werden, was relativ aufwändig ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel und ein
Verfahren zu schaffen, mit dem die Herstellung von Halbleiterbauelementen,
insbesondere für
organische Feldeffekttransistoren vereinfacht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verbindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei
der erfindungsgemäßen Verbindung
sind drei unterschiedliche funktionelle chemische Gruppen aufeinander
abgestimmt: mindestens eine Ankergruppe, mindestens eine dielektrische
Gruppe und mindestens eine halbleitende Gruppe.
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Ankergruppen
an sich sind in den Artikeln von G. M. Whitesides et al., "Formation of Monolayer
Films by the Spontaneous Assembly of Organic Thiols from Solution
onto Gold" JACS,
vol. 111, p. 321–335
(1989) und von J.H. Menzel et al., "Mixed silane selfassembled monolayers
and their in situ modification" Thin
Solid Films, vol. 327–9,
p. 199–203
(1998) beschrieben.
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Dielektrische
Schichten sind in dem Artikel von J. Collet, D. Vuillaume, "Nano-field effect
transistor with an organic SAM gate insulator" APL vol. 73, p. 2681(1998) beschrieben.
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Organische
Halbleiter sind grundsätzlich
bekannt, wobei ein Überblick über das
Gebiet dem Artikel von Katz, H. E., Bao, Z. & Gilat, S. L. "Synthetic chemistry for ultrapure, processable,
and high-mobility organic thin film transistor semiconductors". Acc. Chem. Res.
34, 359–369
(2001) zu entnehmen ist.
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Die
Erfindung betrifft einen Molekülaufbau,
mit dem die beschriebenen drei Gruppen in einer Verbindung integriert
werden:
- a) mindestens eine Ankergruppe zur
Bindung der Verbindung an ein Substrat, insbesondere eine Elektrodenmaterial,
- b) mindestens eine dielektrische Gruppe,
- c) mindestens eine halbleitende Gruppe.
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Damit
ist es möglich,
eine selbstorganisierende Monolage aufzubauen, bei denen die einzelnen
Gruppen unterschiedliche Schichten ausbilden.
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Dieser
Molekülaufbau
zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage ermöglicht z.B.
einen preiswerten Aufbau von organischen Feldeffekttransistoren,
die aufgrund der im Molekül
integrierten extrem dünnen
Dielektrikumsschicht bei sehr geringen Spannungen betrieben werden
können.
Mit auf dieser Weise hergestellten organischen Transistoren lassen
sich integrierte Schaltungen mit höherer Leistungsfähigkeit
herstellen, wie Sie zum Beispiel bei RF-ID Anwendungen gefordert
werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Verbindung
weisen mindestens eine Spacergruppe und / oder mindestens eine Quervernetzergruppe
auf.
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Auch
Quervernetzer sind grundsätzlich
bekannt (siehe z.B. B. Vollmert "Polymer
Chemistry" Springer Verlag
New York, Heidelberg 1973).
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Ferner
sind Spacergruppen grundsätzlich
bekannt. Sie dienen zur Trennung von zwei funktionellen Gruppen
in organischen Verbindungen, damit diese sich nicht gegenseitig
beeinflussen.
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Die
mindestens eine Spacergruppe dient zur räumlichen Beabstandung von benachbarten
Verbindungen der gleichen Art oder einer anderen Art. Die mindestens
eine Quervernetzergruppe dient zur mechanischen Verstärkung einer Bindung
mit benachbarten Verbindungen der gleichen Art oder einer anderen
Art.
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In
vorteilhafter Weise ist die Verbindung im Wesentlichen linear ausgebildet
und weist jeweils genau eine Ankergruppe, eine dielektrische Gruppe,
eine halbleitende Gruppe, eine Spacergruppe und eine Quervernetzergruppe
auf, wobei die Reihenfolge der dielektrischen Gruppe, der halbleitenden
Gruppe, der Spacergruppe und der Quervernetzergruppe innerhalb der
Verbindung beliebig ist. Durch eine bestimmte Wahl der Reihenfolge
der Gruppen in der Verbindung kann die Funktion der Verbindung in
einer Monolage gezielt beeinflusst werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist vom Substrat aus gesehen die dielektrische Gruppe unterhalb
der halbleitenden Gruppe angeordnet. Diese Reihenfolge ist z.B.
für die
Herstellung von Monolagen aus den Verbindung für organische Feldeffekttransistoren
gut geeignet.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn vom Substrat aus gesehen, die Quervernetzergruppe
am entfernten Ende der Verbindung liegt, wobei unterhalb der Quervernetzergruppe
eine Spacergruppe angeordnet ist. Bei dieser Reihenfolge lässt sich
eine Quervernetzung, z.B. durch thermische, chemische oder photochemische Einwirkungen
besonders leicht durchführen.
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Mit
Vorteil weist mindestens eine Ankergruppe ein
ein Thiol,
ein
Chlorsilan, insbesondere Trichlorsilan,
ein Alkoxysilan, insbesondere
Trialkoxysilangruppen,
ein Amin,
ein Amid und / oder
ein
Phosphin auf.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine dielektrische Gruppe eine
n-Alkylkette aufweist, insbesondere mit n = 6 ... 20. Eine zu lange
Kette kann zu Problemen bei der Selbstorganisation führen, eine
zu kurze Kette kann zu mangelhaften Isolationseigenschaften führen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindung
weist eine mindestens eine halbleitende Gruppe (
3)
ein α, α'-Oligothiopene,
ein
Thiophen-Phenyl-Oligomer und / oder
ein kondensiertes Aromat,
insbesondere ein Pentazen und /
oder ein Tetrazen auf. Auch
kann mindestens eine halbleitende Gruppe eine der folgenden Gruppen
aufweisen:
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Als
Sparergruppe wird vorteilhafterweise mindestens ein m-Alkyl mit m = 2 ...6
verwendet.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindung
weist mindestens eine Quervernetzergruppe auf, die eine polymerisierbare
Mehrfachbindung, insbesondere ein Acrylat, ein Methacrylat, ein
aktiviertes Alken und / oder ein aktiviertes Alkin aufweist und
/ oder eine polymerisierbare zyklische Gruppe aufweist.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Quervernetzergruppe eine
Gruppe aufweist, die eine intermolekulare Wechselwirkung zur Bildung
eines Netzwerkes mit anderen Molekülen aufweist, insbesondere eine
Gruppe mit einer Möglichkeit
zur Wasserstoffbrückenbindung
und / oder einer Gruppe mit einer Möglichkeit zur van-der-Waals-Bindung
enthält
und / oder dass mindestens eine Quervernetzergruppe eine der folgenden
Gruppen aufweist:
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Quervernetzergruppe eine
Carbonsäure
und / oder ein Amid aufweist.
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Die
Aufgabe wird auch durch eine Schichtstruktur zur Verwendung in einem
organischen Halbleiterbauelement, insbesondere einem organischen
Feldeffekttransistor, gelöst.
Erfindungsgemäß weist
diese Schichtstruktur eine molekulare Monolage mit Verbindungen
gemäß mindestens
einem der Ansprüche
1 bis 15 auf.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungen in der Monolage parallel
zueinander angeordnet sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Moleküle in der
Monolage zur Ausbildung von Schichten die gleichen Gruppen in der
gleichen Reihenfolge aufweisen, wobei die Gruppen im Wesentlichen
die gleichen Längen
aufweisen. Damit ergeben sich in der Monolage horizontale Schichten,
in denen chemische Gruppen gleicher Funktionalität liegen (z.B. eine dielektrische
Schicht oder eine halbleitende Schicht).
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Zur
Ausbildung von besonders flachen Halbleiterbauelementen ist es vorteilhaft,
wenn eine Schicht bestehend aus der dielektrischen Gruppe (2)
und der halbleitenden Gruppe (3) zwischen 3 und 10 nm dick
ist.
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Für die Herstellung
eines Halbleiterbauelementes ist es vorteilhaft, wenn ein Basis-Substrat
einen Halbleiterwafer, insbesondere aus Silizium, Glas, Kunststoff
und / oder Papier aufweist. Auf diesen Materialien lassen sich metallische
und / oder organische Materialien abscheiden.
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Es
ist vorteilhaft wenn das Substrat, auf dem z.B. eine Monolage abgeschieden
werden soll, insbesondere ein Elektrodenmaterial oder eine Gateelektrode,
eine Metallschicht, insbesondere aus Gold, Kupfer, Platin oder Palladium
und / oder eine Metalloxidschicht, insbesondere aus Titan und /
oder Aluminium aufweist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Ankergruppe einer Verbindung auf das Substrat,
insbesondere das Elekrodenmaterial abgestimmt ist. Bei einem Substrat
mit einer metallischen Oxidschicht, insbesondere einer Titan- oder
Aluminiumoxidschicht ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe
ein Chlorsilan und / oder ein Alkoxysilan aufweist. Bei einem Substrat
mit einer Goldschicht ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe
ein Thiol aufweist. Bei einem Substrat mit einer Kupferschicht ist
es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe ein Amin und /
oder einem Amid aufweist. Bei einem Substrat mit einer Palladiumschicht
ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe ein Phosphin
aufweist.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch
24 gelöst,
wenn es eine Schichtstruktur gemäß mindestens
einem der Ansprüche
14 bis 23 aufweist.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur
gemäß mindestens einem
der Ansprüche
14 bis 23 nach Anspruch 25 gelöst.
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Dabei
wird auf einer Baugruppe mit einem Basis-Substrat (7) eine
Monolage (11) einer Verbindung nach mindestens einem der
Ansprüche
1 bis 15 durch Aufdampfen, aus einer Lösung abscheiden und / oder einem
Tauchprozess aufgebracht.
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Insbesondere
zur Herstellung eines Feldeffekttransistors ist es vorteilhaft,
wenn eine Monolage auf ein zuvor strukturiertes Substrat, insbesondere
ein Elektrodenmaterial aufgebracht wird.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Monolage nach dem Aufbringen auf ein
Basis-Substrat und / oder ein Substrat durch thermische, photochemische
und / oder chemische Einwirkung quervernetzt wird. Dadurch wird
die Monolage mechanisch stabilisiert, so dass eine weitere Prozessierung
auf der Oberfläche
der Monolage vorgenommen werden kann.
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Vorteilhafterweise
wird eine Metallschicht als Source-Drain-Schicht (8a, 8b) auf
die Monolage aufgebracht, um z.B. eine kompakte Feldeffekttransistorstruktur
zu erhalten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verbindung;
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2 eine schematische Darstellung
von mehreren, parallel zueinander angeordneten Verbindungen zur
Bildung einer Schichtstruktur;
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3 allgemeine Formel der
Verbindung zur Bildung einer Schichtstruktur;
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4a–4c chemische
Formeln für
Ankergruppen (4a), halbleitende
Gruppen (4b) und eine Quervernetzergruppen
(4c);
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5 einen schematischen Aufbau
eines organischen Feldeffekttransistors mit einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schichtstruktur;
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6-b Ausgangs- und Durchgangskennlinie
eines organischen Feldeffekttransistors mit einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schichtstruktur.
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In 1 ist eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verbindung 10 dargestellt,
mit dem selbstorganisierende Monolagen 11 (siehe 2) hergestellt werden können. Die
Verbindung 10 ist im Wesentlichen linear aufgebaut, wobei
eine Ankergruppe 1 dazu dient, die Verbindung 10 an
ein hier nicht dargestelltes Elektrodenmaterial 6 als Substrat
zu binden. Die Ankergruppe 1 ist hier als eine Chlorsilangruppe
ausgebildet. Grundsätzlich
kann die Monolage auch auf ein anderes Substrat als ein Elektrodenmaterial 6 aufgebracht
werden.
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Alternativ
kann die Ankergruppe 1 Gruppen gemäß 4a aufweisen, wobei das erste Beispiel
in 4a die Chlorsilangruppe
ist, die auch in dem Beispiel der 1 verwendet
wird. Die anderen Gruppen sind Alkoxysilane mit n-Alkyl-Resten (C1 bis C6), Amine,
Amide und Phosphine. Auf die Anpassung der Ankergruppe 1 an
ein bestimmtes Oberflächenmaterial
des Substrates 6 wird in Zusammenhang mit 2 eingegangen.
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Oberhalb
der Ankergruppe 1 ist in der Verbindung 10 eine dielektrische
Gruppe 2 als Nichtleiter angeordnet. Dies ist im vorliegenden
Beispiel eine n-Alkylgruppe, mit n = 6...20. Ketten mit n > 20 erscheinen unzweckmäßig, da
sich mit zunehmender Länge
die Selbstorganisation von Monolagen 11 schwerer einstellt. Ketten
mit n < 6 könnten zu
einer Verschlechterung der Isolationswirkung führen.
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Durch
die Länge
der dielektrischen Gruppe 2 kann in einer Monolage 11 (siehe 2) die Dicke der Isolatorschicht
eingestellt werden.
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Oberhalb
der dielektrischen Gruppe 2 ist eine halbleitende Gruppe 3 angeordnet,
die hier eine Polythiophenkette aufweist. Besonders gut eignen sich
ein α, α'-Oligothiophene,
Thiophen-Phenyl-Oligomere und / oder kondensierte Aromate, insbesondere
ein Pentacen und / oder ein Tetrazen. Entsprechende halbleitende Gruppen 3 sind
in 4b dargestellt.
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Oberhalb
der halbleitenden Gruppe 3 ist eine relativ kurze Spacergruppe 4 mit
einer m-Alkylkette (m = 2...6) angeordnet. Eine Alkylkette mit m > 6 erscheint nicht
sinnvoll, da eine längere
Sparergruppe 4 als Injektionsbarriere zwischen der Topelektrode
und einer Halbleiterschicht wirken würde.
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Zuoberst
ist eine Quervernetzergruppe 5 angeordnet, die grundsätzlich jede
polymerisierbare Gruppe aufweisen kann. Beispiele sind Acrylate,
Methacrylate, aktivierbare Alkene und / oder aktivierbare Alkine.
Beispielhaft sind mögliche
Gruppen für
Quervernetzer in 4c angegeben.
Ferner ist es möglich,
dass auch Gruppen verwendet werden, die über intramolekulare Wechselwirkungen
(z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, van-der-Waals-Kräfte) eine
Quervernetzung erreichen können.
Beispiele dafür
wären Carbonsäuren oder
Amide.
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Allerdings
darf die räumliche
Ausdehnung der Quervernetzungsgruppen 5 nicht zu groß sein,
da sonst in einer Monolage 11 (siehe 2) die Packung der darunterliegenden
halbleitenden Schicht, die meist auf π-π Wechselwirkung beruht, gestört werden
könnte,
wodurch der halbleitende Effekt vermindert wird.
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Eine
verallgemeinerte Struktur der Verbindung ist in 3 dargestellt. Die darin angegebene Nomenklatur
bezieht sich auf die Molekülgruppen
in 4a bis 4c. Mit X werden die Ankergruppen 1,
mit Y die halbleitenden Gruppen 3 und mit Z die Quervernetzergruppen 5 bezeichnet.
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Im 2 wird beschrieben, in welcher
Weise aus Verbindungen 10 eine Schichtstruktur (Monolage 11) gebildet
werden kann, die für
organische Feldeffekttransistoren einsetzbar ist.
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Dazu
wird in 2 eine selbstorganisierende
Struktur von Verbindungen 10 gewählt, die im Wesentlichen aus
der Verbindung 10 der 1 besteht.
Die Ankergruppe 1 ist an eine Titanschicht mit einer natürlichen
Oxidschicht auf einem Elektrodenmaterial 6 gebunden. Da
Elektrodenmaterial 6 bildet hier eine Elektrode für einen
organischen Feldeffekttransistor.
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Die
Ankergruppen 1 können
der entsprechenden Oberflächen
des Elektrodenmaterials 6 angepasst werden. Für Metallschichten,
insbesondere Metallschichten mit natürlichen Oxiden (Titan, Aluminium)
werden bevorzugt Chlorsilane und / oder Alkoxysilane verwendet.
Für Goldschichten
werden bevorzugt Thiole, für Kupferschichten
werden bevorzugt Amine und / oder Amide und für Palladium werden bevorzugt
Phosphine als Ankergruppen 1 verwendet.
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Die
linearen Verbindungen 10 sind im Beispiel im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet. Die Längen der Ankergruppen 1,
der dielektrischen Gruppen 2, der halbleitenden Gruppen 3, der
Spacergruppen 4 und der Quervernetzergruppen 5 sind
dabei jeweils gleich, so dass sich eine Monolage mit einer horizontalen Schichtenstruktur
ausbildet. Es ist vorteilhaft, wenn alle Verbindungen 10 einer
Monolage 11 gleich sind.
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Damit
werden ein organischer Halbleiter, ein organischer Isolator und
mechanischen Verstärker
(Quervernetzung) in einer Verbindung 10 vereinigt. Die
Verbindungen 10 binden sich aufgrund der integrierten Ankergruppe 1 selektiv
an ein geeignetes Elektrodenmaterial und bilden aufgrund ihrer chemischen
Struktur großflächig geordnete
Schichten (Monolagen). Nach der Quervernetzung (mechanische Verstärkung der Schicht)
lassen sich darauf problemlos weitere Strukturen definieren (z.B.
Source-Drain-Elektroden) ohne die Schicht zu zerstören.
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Im
vorliegenden Fall wird in 1, 2 und 3 eine bestimmte Reihenfolge der Gruppen 1, 2, 3, 4, 5 innerhalb
der Verbindung 10 beschrieben. Abgesehen von der Ankergruppe 1,
die bei linearen Verbindungen 10 immer an einem Ende der
Verbindung 10 angeordnet ist, ist aber die Reihenfolge
der Gruppen 2, 3, 4, 5 innerhalb
der Verbindung 10 grundsätzlich beliebig. So können z.B.
die halbleitende Gruppe 3 und die dielektrische Gruppe 2 innerhalb
der Verbindung 10 vertauscht werden, so dass sich eine
andere Schichtenfolge ergibt.
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Auch
sind die Ankergruppe 1, die dielektrische Gruppe 2,
die halbleitende Gruppe 3, die Spacergruppe 4 und
die Quervernetzergruppe 5 in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen
jeweils homogen aus einer chemischen Gruppe zusammengesetzt. Grundsätzlich ist
es auch möglich,
dass z.B. die halbleitende Gruppe 3 aus unterschiedlichen
halbleitenden Gruppen 3 (z.B. Thiophenen und Aromaten)
zusammengesetzt ist.
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Nach
Aufbringen einer Source-Drain-Lage auf diese Monolage 11 zeigt
die Anordnung Feldeffekttransistor Charakteristik mit hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten
und zwar bei sehr geringen Spannungen um die 2V.
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5 zeigt eine schematische
Schnittansicht eines organischen Feldeffekttransistors 100 als
Beispiel für
ein Halbleiterbauelement mit einer selbstorganisierten, vernetzten
Monolage 11, wie sie in 2 beschrieben
wurde.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Feldeffekttransistors 100 beschrieben.
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Auf
ein Basissubstrat 7 (z.B. Siliziumwafer, Glas, Kunststofffolie,
Papier) wird mit Hilfe von Standardverfahren, wie z.B. thermisches
Verdampfen, Sputtern etc.) eine Metallschicht (z.B. Titan, Aluminium,
Palladium, Gold etc.) aufgebracht. Mittels photolithographischen
Verfahren, Drucktechniken und Ätzverfahren
(trocken-, nasschemisch) werden in dieser Metallschicht Strukturen,
wie z.B. eine Gateelektrode 6 eingebracht.
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Diese
Baugruppe (Basis-Substrat 7 mit Gateelektrode 6)
wird für
1 Minute in eine 1 bis 10 %ige Lösung der
oben beschriebenen Verbindungen 10 zur Bildung einer selbstorganisierenden
Monolage 11 getaucht. Das Lösungsmittel ist inert und je
nach der Ankergruppe 1 trocken. Als Lösungsmittel sind z.B. Alkohole,
Toluol, Xylol, n-Hexan, Acteon und / oder PGMEA geeignet.
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Anschließend wird
die beschichtete Baugruppe mit reinem Lösungsmittel abgespült, um überschüssige, nicht
gebundene Verbindungen 10 zu entfernen. Dann wird die beschichtete
Baugruppe mit Wasser gewaschen und getrocknet.
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Die
Baugruppe mit der Monolage 11 wird im Folgenden stabilisiert,
d.h, quervernetzt. Dazu wird je nach verwendeter Quervernetzergruppe 5 eine
thermische Initialisierung (z.B. bei 100 bis 200°C für 5 Minuten) durchgeführt. Auch
kann eine Quervernetzung chemisch, insbesondere säurekatalytisch
oder photochemisch (z.B. durch Bestrahlung durch UV-Licht entsprechender
Dosis) erfolgen.
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Nunmehr
ist die Monolage 11 mechanisch stabilisiert und es kann
die Source-Drain-Lage 8a, 8b definiert werden.
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Zur
Fertigstellung des Feldeffekttransistors 100 wird eine
weitere Metallage (z.B. aus Gold, Platin oder Palladium) aufgebracht.
Diese wird mittels Standardverfahren (z.B. Photolithographie) zur
Source-Drain-Schicht 8a, 8b strukturiert. Alternativ
zu der Metallschicht können
auch leitfähige
organische Materialien (z.B. leitfähige Polymere) für die Source-Drain-Schicht 8a, 8b verwendet
werden.
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Zur
Herstellung integrierter Schaltungen ist eine Verbindung der einzelnen
Kontaktlagen notwendig. Dazu müssen
vor der Abscheidung der Source-Drain-Lage 8a, 8b an
entsprechenden Stellen Kontaktlöcher definiert
werden.
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Der
Transistoraufbau auf dem Basis-Substrat 7 erfolgt verglichen
mit herkömmlichen
Methoden sehr einfach, da durch die Kombination von Dielektrikum
und Halbleiter in einer Verbindung 10 die einzelne Abscheidung
der Lagen entfällt.
Die Abscheidung der Materialien auf einem vorher definierten Elektrodenmaterial 6 (Gateelektrode)
kann sowohl durch thermisches Verdampfen als auch aus einer Lösung heraus
erfolgen. Somit lassen sind diese Materialien auch durch preiswerte
Verfahren, wie Tauchprozesse abscheiden. Die Abscheidung ist selektiv
und verläuft
sehr schnell, bedingt durch die Ankergruppen 1, die spezifisch
für das
Gateelektrodenmaterial 6 gewählt werden können (siehe
Beschreibung im Zusammenhang mit 2).
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Die 6a und 6b zeigen Strom-Spannungs-Kennlinien,
die mit organischen Feldeffekttransistoren ermittelt wurden, die
mit Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Monolagen 11 versehen
waren. In 6a ist die
typische Ausgangskennlinienschar für einen OFET zu erkennen. Die
Gate-Source Spannung variiert zwischen –0,5 und –2 V. Deutlich sind die sich
ausbildenden flachen Abschnürbereiche
für den Drain-Strom
zu erkennen.
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Bei
den in 6a und 6b dargestellten Versuchen
betrug die Ladungsträgerbeweglichkeit
0,2 cm2/Vs bei 1 V Betriebsspannung. Der
Subthreshold Swing betrug 240 mV/Dekade, das Ein/Aus Verhältnis war
103, die Schwellspannung betrug –0,1 V.
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Die
erfindungsgemäßen Verbindungen 10 und
die daraus hergestellten Schichtstrukturen bieten im Wesentlichen
folgende Vorteile gegenüber
konventionellen Materialien und deren Prozessierung.
- – Es
werden nur extrem geringe Spannungen zum Betreiben der Transistoren
und Schaltungen benötigt (1–2 V; siehe 6a, 6b)
- – Selektives
simultanes Abscheiden der Isolator- und Halbleiterschicht auf das
Substrat (Elektrodenmaterialien).
- – Die
Schichten werden chemisch auf dem Substrat (Elektrodenmaterial)
fixiert.
- – Die
Prozessführung
durch Tauchprozesse ist kostengünstig,
wobei die Abscheidung einer Lage eingespart wird.
- – Es
werden mechanisch und elektrisch stabile Oberflächen durch Quervernetzung erhalten,
die durch Folgeprozesse leicht strukturierbar sind.
- – Aufgrund
der dünnen
Schichten sind extrem dünne
Devicearchitekturen möglich
(Isolator- und Halbleiterschicht sind typischerweise ca. 3–10 nm dick).
- – Aufgrund
der vorhanden Chemie besteht eine große chemische Variationsmöglichkeit
der Verbindungen, so dass die elektrischen Eigenschaften leicht
variierbar sind.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Verbindung,
der erfindungsgemäßen Schichtstruktur,
dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement
und dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch machen.
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Im
Folgenden wird beispielhaft die Herstellung eines organischen Feldeffekttransistors
beschrieben.
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- 1
- Ankergruppe
- 2
- dielektrische
Gruppe
- 3
- halbleitende
Gruppe
- 4
- Spacergruppe
- 5
- Quervernetzergruppe
- 6
- Elektrodenmaterial
(Substrat)
- 7
- Basissubstrat
- 8a,
b
- Source-Drain-Lage
- 10
- Verbindung
(Molekül)
- 11
- Monolage
- 100
- Halbleiterbauelement