DE112005002274B4

DE112005002274B4 - Transistoren mit Tunneleffekt-Pulverelektrode und Elektroden-Gate

Info

Publication number: DE112005002274B4
Application number: DE112005002274.9T
Authority: DE
Inventors: Yang Yang; Kawakami Haruo
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; University of California
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; University of California
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: US20070252130A1; GB2433840B; JP5000516B2; WO2006033794A3; JP2008525994A; GB0707414D0; US7759674B2; GB2433840A; DE112005002274T5; WO2006033794A2

Abstract

Transistorvorrichtung, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode, eine organische Materialschicht, die zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist, und eine feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln, die innerhalb der organischen Materialschicht angeordnet ist, wobei eine Ladung in die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln durch einen Tunnelstrom von der dritten Elektrode, getrennt von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, injiziert wird, wodurch ein Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, gesteuert wird, wobei die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln Anteile umfasst, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen und Anteile, die eine niedrige Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, wobei die Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, in Kontakt mit der dritten Elektrode sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Dünnfilmtransistor, der aus einem organischen elektronischen Material hergestellt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen vertikalen Feldeffekttransistor, der aus einem organischen elektronischen Material hergestellt ist, in welchem eine Source-Elektrodenschicht, eine Halbleiterschicht und eine Drain-Elektrodenschicht der Reihe nach in dieser Folge laminiert sind, und der Stromwert zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode wird durch elektrische Signale zu einer getrennt vorgesehenen Gate-Elektrode gesteuert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Feldeffekttransistors.
STAND DER TECHNIK
Feldeffekttransistoren, die anorganische Halbleitermaterialen einsetzen, sind bekannt, da sie bereits als Industrieerzeugnisse hergestellt werden. Was die Basisstruktur eines solchen Feldeffekttransistors betrifft, ist der Feldeffekttransistor, so wie in 4 dargestellt, in einer horizontalen Richtung zu einem Substrat 71 angeordnet. Eine Source-Elektrodenschicht 75 und eine Drain-Elektrodenschicht 76 sind durch eine elektrisch neutrale anorganische Halbleiterschicht (Kanalschichtbereich) 74 voneinander getrennt vorgesehen. Eine Gate-Elektrode 72 ist auf dem Substrat 71 elektrisch isoliert von der Halbleiterschicht 74 mittels einer Gate-Isolierungsschicht 73 angeordnet. Die anorganische Halbleiterschicht 74 ist aus einem anorganischen Material, wie beispielsweise einem anorganischen amorphen Material (hydriertes amorphes Si) gebildet, oder ein anorganisches polykristallines Material wird als anorganische Halbleitermaterialanordnung verwendet.
Ferner sind ebenfalls Dünnfilm-Feldeffekttransistoren, die organische Materialien in der Halbleiterschicht verwenden, bekannt. Auch mit solchen herkömmlichen Dünnfilm-Feldeffekttransistoren, die organische Materialien einsetzen, wurden viele Untersuchungen an jenen mit grundsätzlich ähnlicher Struktur wie der Dünnfilm-Feldeffekttransistor, der ein anorganisches Material gemäß obiger Beschreibung einsetzt, durchgeführt, das heißt jenen, die in horizontaler Richtung zum Substrat 71 angeordnet sind. Ein organisches Material wie eine konjugierte hochmolekulare Verbindung mit π-Elektron oder einer aromatischen Verbindung wurden als organisches Halbleitermaterial, das die Halbleiterschicht 74 bildet, eingesetzt, so wie von A. Dodabalapur u. a. in Appl. Phys. Lett., Vol. 69, Seite 4227–29 (Dezember 1996) beschrieben.
Bei solchen Dünnfilm-Feldeffekttransistoren wirkt ein von der Gate-Elektrodenschicht angelegtes elektrisches Feld über die Gate-Isolierschicht auf die Halbleiterschicht (Kanalanteil) und steuert somit den Strom, der zwischen der Source-Elektrodenschicht und der Drain-Elektrodenschicht fließt, wodurch ein Transistoreffekt realisiert wird. Dünnfilm-Feldeffekttransistoren, die ein organisches Material in der Halbleiterschicht einsetzen, weisen im Vergleich zu Dünnfilm-Feldeffekttransistoren, die ein anorganisches Material, wie beispielsweise Si in der Halbleiterschicht einsetzen, Vorteile auf, insbesondere, dass:

• die Vorrichtung ohne Einsatz eines Vakuums hergestellt werden kann,
• eine gleichmäßige Vorrichtung mit einer großen Oberfläche hergestellt werden kann,
• das Herstellungsverfahren einfach ist, beispielsweise kann ein Kunststoffsubstrat zum Einsatz kommen, da die Herstellung der Vorrichtung anhand eines Niedertemperaturprozesses erfolgen kann.

Als Folge davon ist eine Reduzierung der Herstellungskosten möglich. Allerdings können Probleme bei Dünnfilm-Feldeffekttransistoren, die ein organisches Material in der Halbleiterschicht einsetzen im Vergleich zu Dünnfilm-Feldeffekttransistoren, die eine anorganisches Material wie Si in der Halbleiterschicht einsetzen, auftreten, zum Beispiel:

a) niedrige Trägermobilität (was die Transistorleistung kennzeichnet)
b) kein Durchlass eines hohen Stroms und
c) unmöglicher Hochgeschwindigkeitsbetrieb

Als Mittel zur Lösung dieser Probleme wurde bisher die Übernahme einer Struktur vorgeschlagen, bei welcher eine organische Materialschicht zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode angeordnet ist, und die Richtung des Stromflusses lotrecht zu dieser organischen Materialschicht vorgesehen ist. Zum Beispiel wurden von Yang u. a. eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Maschenschaltung aus Polyanilin als Gate-Elektrode einsetzt. Insbesondere schlagen Yang u. a. ein ”leitendes Netzwerk vor... wobei das Netzwerk fraktal mit hohem Oberflächenbereich, [welcher] als Hochleistungselektrode wirkt... der Kontaktbereich zur Trägerinjizierung in das Polymer vergrößert ist... Oberflächenkörnung... das lokale elektrische Feld verstärkt”. Siehe hierzu die Arbeiten von Y. Yang u. a. in Nature, Vol. 372, Seite 344 (1994). Fraktale können auf einer Oberfläche oder im Raum gebildet werden. Frost auf einer Fensterscheibe ist ein Beispiel für ein Fraktal auf einer Oberfläche. Ein Beispiel für ein Fraktal im Raum ist ein ”Schwamm”, beispielsweise ein würfelförmiger Block mit drei Maßeinheiten auf einer Seite, der einen würfelförmigen Hohlraum mit einer Maßeinheit, welcher vom Mittelpunkt jeder Fläche entfernt ist, aufweist, wobei dieselbe Operation auf jedem der einundzwanzig verbleibenden Würfel mit einer Maßeinheit fortgeführt wird und so weiter auf unendliche Weise.
Muraishi u. a. haben eine Gate-Elektrode mit Hohlräumen im Nanobereich anhand von Latexkugeln als Aufdampfmaske beim Deponieren der Gate-Elektrode benutzt, was zu einer Gate-Elektrode führt, die ein wenig einem Schweizer Käse ähnelt. Siehe hierzu den Bericht von Muraishi u. a. Technical Report of IEICE, OME2002-15 (2002-05) 13.
Des Weiteren offenbart JP 2003-110110 A ein Verfahren zur Anordnung einer Gate-Elektrode auf Seitenwänden organischer Filme.
In der Regel kann die Dicke eines organischen Dünnfilms auf etwa 100 mm reduziert werden, während die Genauigkeit der Strukturierung in einer Richtung parallel zu einem Substrat 100 μm beträgt. Wenn folglich die Richtung des Stromflusses lotrecht (vertikal) zum organischen Dünnfilm vorgesehen ist, dann wird im Vergleich zum Fall, wo die Richtung des Stromflusses parallel (horizontal) zum organischen Dünnfilm verläuft, der Querschnitt des Strompfads größer sein (etwa 100 mm × 100 μm → 100 μm × 100 μm) und die Länge des Strompfads kürzer sein (etwa 100 μm → 100 nm). Infolgedessen kann die Stromdichte um mehrere Größenordnungen erhöht werden.
Bei obiger Gestaltung trat jedoch folgendes Problem auf. Der Bereich des von einer Gate-Elektrodenschicht über eine Gate-Isolierschicht angelegten elektrischen Felds ist in der Regel auf höchstens 1 μm begrenzt. Insbesondere ist der Bereich des elektrischen Felds durch die Dicke d der Entblößungsschicht dargestellt und wird mittels der folgenden Formel berechnet: d = (2εε₀V/_qN_d)^1/2
Hier ist N_d die Ladungsdichte und etwa durch folgende Formel dargestellt: N_d = Avogadro-Nummer × Verunreinigungskonzentration × (1/Molekulargewicht) × organische Halbleitermaterialdichte.
Wird zum Beispiel die Permittivität ε des organischen Halbleitermaterials mit 3, die Gate-Spannung V mit 3 V, das Molekulargewicht mit 230, die Verunreinigungskonzentration mit 0,01% und die organische Halbleitermaterialdichte mit 2 g/cc übernommen, ergibt sich eine Ladungsdichte (N_d von 5,1 × 10²³ m^–3 und eine Entblößungsschichtdicke d von 44 nm. (N_d = Avogadro-Nummer × Verunreinigungskonzentration × (1/Molekulargewicht) × organische Halbleitermaterialdichte = 6 × 10²³ × 0,0001 × (1/230) × 2 × 10⁶ = 5,1 × 1023 m^–3).
Um den zwischen der Source-Elektrodenschicht und der Drain-Elektrodenschicht fließenden Strom zu steuern und so den Transistorbetrieb zu realisieren, muss der Abstand zwischen den jeweiligen Anteilen der Gate-Elektrode kleiner als der elektrische Feldbereich vorgesehen sein (das heißt kleiner als 1 μm), aber es ist großtechnisch kompliziert eine Gate-Elektrode mit einem derartigem Abstand zu bilden. Wenn das Gate zum Beispiel einem Schweizer Käse ähnelt, dann sollte der Lochdurchmesser etwa 10²² betragen.
Falls ferner das Größenverhältnis des Bereichs der Vorrichtung, der durch die Gate-Elektrode belegt wird, hoch ist, dann ist der für die Strompfade verfügbare Bereich begrenzt. Dies wirkt sich nachteilig im Hinblick auf die Leistung der Vorrichtung aus. US2003/0226996A1 offenbart ein organisches Halbleitermaterial, das eine Verbindung umfasst, die ein verallgemeinertes Porphyringerüst und die eine molekulare Struktur aufweist, so dass der Abstand von der verallgemeinerten Porphyrinringebene zum Zentrum jedes Atoms des verallgemeinerten Porphyringerüsts, nicht mehr als 1 Å beträgt. US4374916A offenbart eine elektroleitfähige Zwischenschicht (ECI-Schicht) für ein elektrisch aktivierbares Aufzeichnungselement. Die ECI-Schicht trennt (a) eine elektrisch aktivierbare Aufzeichnungsschicht und (b) eine photoleitfähige Schicht oder elektrische Betätigungseinrichtung. Die ECI-Schicht beinhaltet elektrisch leitende Teilchen, die gleichmäßig in einem elektrisch isolierenden Bindemittel dispergiert sind. Die Zwischenschicht ermöglicht eine Bildgebung mit möglichst geringem Luftspalt zwischen (a) und (b).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um die Einschränkungen der zuvor angesprochenen Elektroden besser zu begreifen, ist eine Parallele zu einer Triodenvakuumröhre dienlich. Eine Triodenröhre ist mit einer Anode und einer Katode und einer Gate-Elektrode zwischen den beiden ausgestattet. Das Gate steuert die Strommenge, die zwischen den anderen zwei Elektroden und durch das Gate fließt, das üblicherweise eine Metallmaschenschaltung oder ein Gitter ist. Je nach der darauf durch die Schaltkreise angelegte Spannung erzeugt das Gitter ein elektrostatisches Potential an der Stelle, wo es sich befindet, lässt aber auch Elektronen durch die Löcher in der Maschenschaltung laufen. Der maximal nutzbare Strom fließt, wenn das Gitter auf demselben Potential wie die Katode ist, aber bei dieser Spannung schirmt das Gitter die Katode, und der Elektronenstrom von der Katode zur Anode ist nicht so hoch, wie er es bei nicht vorhandenem Gitter wäre. Um einen maximalen Strom durch das Gitter zu ermöglichen, sollten dessen Öffnungen groß sein. Falls jedoch die Öffnungslöcher zu groß sind, erreicht das elektrostatische Feld nicht die Mitte der Löcher ohne Abschwächung, und die Stromsteuerung spricht nicht genau auf die Spannung auf dem Gitter an. Daher sollte der Bereich der Gate-Elektrode minimiert werden, damit der maximale Strom zwischen Source und Drain fließen kann. Falls sich das Gitter einer Triodenröhre aus geladenem Pulver anstatt geladenen Drähten herstellen ließe, würde die Wirksamkeit des Gitters erhöht, weil der geplante Bereich des Gitters reduziert werden könnte, während die Konstanz des elektrischen Felds beibehalten wird. Dies ist selbstverständlich in einer Vakuumröhre nicht möglich, da nichts vorhanden ist, um das Pulver zu halten. Angenommen, dass ein Pulver irgendwie gehalten werden könnte, bliebe das Problem des Ladens des suspendierten Pulvers in ein hohes Vakuum, da Vakuum isoliert. Wenn jedoch die Pulverpartikel dicht genug aneinander lägen, könnten die Elektronen von einem Pulverpartikel zum nächsten anhand des quantenmechanischen ”Tunneleffekts” laufen. Wenn solche Partikel sehr klein wären, dann könnten sie dicht genug aneinander liegen, um den Tunneleffekt zu ermöglichen, während weiterhin ein hohe Proportion eines offenen Bereichs zwischen ihnen beibehalten wird, damit der Strom um sie herum fließen kann. Man kann dies begreifen, indem man ein Papier mit Punktmustern betrachtet. Wenn das Bild verkleinert wird, bleibt das Größenverhältnis des weißen Raums unverändert, aber der Abstand zwischen den Punkten nimmt ab. In einer Triode besteht ein hohes Vakuum, aber wenn ein Gas innerhalb des Gases leitend wird, dann können sich die Elektronen auf dem Gitter davon in den umgebenden Raum fortbewegen, und es mag sein, dass die Röhre schlecht funktioniert. Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen. Angesichts des zuvor angesprochenen Problems aus dem Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Transistorvorrichtung mit 3 Anschlüssen, die ein organisches Halbleitermaterial einsetzt, zu schaffen, wobei die Transistorvorrichtung eine Vorrichtungsstruktur aufweist, die eine ausgezeichnete Leistung und hohe Produktivität ermöglicht. Eine Transistorvorrichtung gemäß der Erfindung ist eine Transistorvorrichtung, bei welcher eine organische Materialschicht zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei eine feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln innerhalb der organischen Materialschicht angeordnet ist, und Ladung wird in die feine Metallpartikelschicht durch einen Tunnelstrom von einer dritten Elektrode, getrennt von der ersten und zweiten Elektrode, injiziert, wobei ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließender Strom gesteuert wird.
Gemäß der Transistorvorrichtung der Erfindung ist die Gate-Elektrode aus einer feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln gebildet, und folglich wird die Potentialsteuerung für jedes der feinen Metallpartikel durch einen Tunnelstrom erzielt. Auf diese Weise ist keine Verdrahtung zu jedem einzelnen der feinen Metallpartikel erforderlich. Ebenfalls ist keine feine Strukturierung bei der Bildung der Gate-Elektrode erforderlich. Somit ergibt sich eine verbesserte Produktivität der Vorrichtung.
Darüber hinaus umfasst die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln vorzugsweise Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen und Anteile, die eine niedrige Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, wobei die Anteile mit einer hohen Konzentration feiner Metallpartikel in Kontakt mit der dritten Elektrode sind. Als Folge kann ein Strom über die Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, abgegeben werden, weil die Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, einen niedrigen elektrischen Widerstand haben, selbst wenn der Abstand von der dritten Elektrode groß ist.
Außerdem wird die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln vorzugsweise durch simultane Vakuumdeposition (Codeposition) eines organischen Materials und eines Metalls gebildet. Als Folge kann die Dispersion der feinen Metallpartikel in das organische Material ohne Umstände und über einen großen Bereich ausgeführt werden.
Außerdem sind die Oberflächen der feinen Metallpartikel vorzugsweise mit einem Oxidfilm des Metalls überzogen. Als Folge wirkt der Metalloxidfilm auf den Oberflächen der feinen Metallpartikel als überzogene Gate-Isolierschicht und somit wird es für ein angelegtes elektrisches Feld möglich, den Strom, der zwischen der Source-Elektrodenschicht und der Drain-Elektrodenschicht fließt, zu steuern. Wenn die Pulverpartikel von Halbleitermaterial umgeben sind, kann jede Ladung auf den Pulverpartikeln durch das Halbleitermaterial entweichen. Wenn sie isoliert sind, dann wird die Leitung von Partikel zu Partikel nicht durch den Tunneleffekt unterdrückt, aber das Entweichen durch das Umgebungsmedium wird unterdrückt.
Außerdem sollen die feinen Metallpartikel vorzugsweise aus Aluminium oder Magnesium hergestellt sein. Aluminium oder Magnesium können auf geeignete Weise zum Einsatz kommen, da Prozesse wie die Vakuumdeposition mit Aluminium oder Magnesium einfach sind, und darüber hinaus lässt sich ein Oxidfilm leicht auf der Aluminium- oder Magnesiumoberfläche erzeugen, was die Anwendung auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung erleichtert.
Gemäß der Erfindung kann eine Transistorvorrichtung mit 3 Anschlüssen anhand eines organischen Halbleitermaterials geschaffen werden, wobei die Transistorvorrichtung eine Struktur aufweist, die eine ausgezeichnete Leistung und hohe Produktivität ermöglicht.
KURZDARSTELLUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind schematische Zeichnungen, die die Gestaltung einer Ausführungsform einer Transistorvorrichtung der Erfindung zeigen, wobei 1B ein Schnitt entlang der Linie A-A' in 1A ist.
2A und 2B sind schematische Zeichnungen, die die Gestaltung einer Ausführungsform einer Transistorvorrichtung der Erfindung zeigen, wobei 2B ein Schnitt entlang der Linie A-A' in 2A ist.
3A und 3B sind schematische Zeichnungen, die die Gestaltung einer herkömmlichen vertikalen Transistorvorrichtung zeigen, wobei 3B ein Schnitt entlang der Linie A-A' in 3A ist.
4 ist eine schematische Zeichnung, die die Gestaltung einer herkömmlichen Transistorvorrichtung horizontaler Bauart zeigt.
AUSFÜHRLICHE ERLÄUTERUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. 1A und 1B sind schematische Zeichnungen, die die Gestaltung einer Ausführungsform einer Transistorvorrichtung mit 3 Anschlüssen der Erfindung zeigen. Gemäß 1A und 1B sind in dieser Transistorvorrichtung eine erste Elektrodenschicht 20, eine organische Halbleitermaterialschicht 30, eine feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40, eine organische Halbleitermaterialschicht 31 und eine zweite Elektrodenschicht 21 als Dünnfilme der Reihe nach auf einem Substrat 10 gebildet. Ein Strom wird von einer dritten Elektrode 45 in die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 durch einen Tunnelstrom injiziert.
Außerdem sind 2A und 2B schematische Zeichnungen, die die Gestaltung einer Ausführungsform einer Transistorvorrichtung mit 3 Anschlüssen der Erfindung zeigen. In 2A und 2B ist die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 in Streifen gebildet. Das heißt, dass die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln so gestaltet sein kann, dass Anteile, die eine hohe Konzentration 46 feiner Metallpartikel aufweisen, in Streifen gebildet sind und Anteile, die eine niedrige Konzentration 47 feiner Metallpartikel aufweisen dazwischen und/oder darum bestehen. Gemäß dieser Gestaltung ist der elektrische Widerstand an den Anteilen, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, niedriger, und folglich kann der Strom, selbst bei hohem Abstand von der dritten Elektrode 45, über die Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, abgegeben werden. Außerdem wirken die Anteile, die eine niedrige Konzentration 47 feiner Metallpartikel aufweisen, effektiv als Pfade für den Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt. Falls beispielsweise die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln durch Vakuumdeposition gebildet wird, kann diese Gestaltung durch maskiertes Aufdampfen in Stufen gebildet werden oder kann erzielt werden, indem der Abstand zwischen Maske und Substrat groß vorgesehen oder der Vakuumdruck erhöht wird, so dass viel deponiertes Material verbreitet wird und indem die resultierende unscharfe Form der feinen Metalleilchendispersionsschicht verwendet wird. Es ist zu beachten, dass in 2A und 2B die Konzentration feiner Metallpartikel der Einfachheit halber mit zwei Ebenen dargestellt ist, aber die Effekte sind dieselben, falls die Konzentration feiner Metallpartikel kontinuierlich verteilt wird.
Beim Vergleich der Vorrichtung der Erfindung mit einem herkömmlichen vertikalen Transistor gemäß 3A und 3B mit einer herkömmlichen Gate-Elektrode, die nur aus Metall hergestellt ist, wird der herkömmliche Gate-Elektrodenanteil nicht als Pfad für den Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt (der Source-Drain-Strom), wirken, und folglich ist der effektive Querschnitts für den Strom begrenzt. Mit der Vorrichtung der Erfindung wird die Gate-Elektrode jedoch mittels einer feinen Metalleilchendispersionsschicht gebildet und daher kann der Source-Drain-Strom durch die Lücken zwischen den feinen Metallpartikel fließen. Der effektive Querschnitt für den Strom kann folglich erhöht werden.
Ferner wird mit der Vorrichtung der Erfindung die Steuerbarkeit verbessert, da der Source-Drain-Strom nahe an den feinen Metallpartikel durchläuft. Alternativ, selbst bei Übernahme einer gestreifte Elektrodenform mit Anteilen einer organischen Materialschicht, die nur innerhalb der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln gemäß 2A und 2B vorgesehen ist, wirken die Anteile, die eine niedrige Konzentration 47 feiner Metallpartikel aufweisen, als beide Anteile der Gate-Eletrode und Pfade für den Source-Drain-Strom, und der Abstand zwischen den Anteilen der Gate-Elektrode kann folglich größer als auf herkömmliche Weise sein. Somit wird es möglich, nicht nur die Bildung der Elektrode einfach zu gestalten, sondern auch einen effektiv höheren Source-Drain-Strom vorzusehen.
Zum Substrat 10 bestehen keine besonderen Einschränkungen, obwohl vorzugsweise ein herkömmliches Glassubstrat oder dergleichen verwendet werden sollte. Daneben bestehen keine besonderen Einschränkungen zur ersten Elektrodenschicht 20 und der zweiten Elektrodenschicht 21, damit es möglich ist, ein Metallmaterial wie Aluminium, Gold, Silber, Nickel oder Eisen, ein anorganisches Material wie ITO oder Kohlenstoff, ein organisches Material wie ein konjugiertes organisches Material oder ein Flüssigkristall, ein Halbleitermaterial wie Silizium oder dergleichen als geeignetes Material zu wählen.
Was diese Materialien betrifft, ist bekannt, dass die Injizierung von Ladung in das organische Halbleitermaterial der organischen Halbleitermaterialschicht 30 oder 31 sehr von der Austrittsarbeit der Metallelektrode abhängt. Hier bedeutet die Austrittsarbeit der ersten oder zweiten Elektrodenschicht die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron von der Oberfläche des betreffenden Materials zu entfernen, und die ist eine Wertcharakteristik des Elektrodenmaterials. Die Austrittsarbeit kann vom Emissionsspektrum der Fotoelektronen in atmosphärischer Luft gemessen werden. Beispiele von Elektrodenmaterialien mit einem niedrigen Absolutwert der Austrittsarbeit beinhalten Aluminium, Lithium, Magnesium und Calcium, wobei diese für die Injizierung von Elektronen in das organische Material geeignet sind.
In der anderen Elektrode sollte die Austrittsarbeit hoch sein, damit Löcher ohne Umstände aus dem Elektrodenmaterial emittiert werden können (d. h. ohne Umstände Elektronen absorbieren). Ferner umfassen Beispiele von Materialien mit einem hohen Absolutwert der Austrittsarbeit Gold, Chrom, Platin und ITO. Diese eignen sich zum Injizieren von Löchern in das organische Material.
Es bestehen keine besonderen Einschränkungen zum Verfahren des Bildens der ersten Elektrodenschicht 20 und der zweiten Elektrodenschicht 21, wobei vorzugsweise ein herkömmliches öffentlich bekanntes Dünnfilmverfahren eingesetzt werden sollte, beispielsweise ein Verfahren zur Vakuumdeposition oder ein Aufbringungsverfahren wie die Rotationsbeschichtung. Bei Bildung jedes der Dünnfilme durch Vakuumdeposition ist die Substrattemperatur während der Deposition als mit dem Elektrodenmaterial geeignet, aber vorzugsweise in einem Bereich von 0°C bis 150°C, zu wählen. Daneben liegt die Dicke jeder Elektrodenschicht vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 200 nm.
Des Weiteren weisen Beispiele der in jeder der organischen Halbleitermaterialschichten 30 und 31 vorzugsweise zu verwendenden Halbleitermaterialien folgende Materialien auf: Acenmolekulare Materialien, die aus Naphthalen, Anthracen, Tetracen, Pentacen, Hexacen und Derivaten davon selektiert wurden; Pigmente, die aus Phthalocyanin-Verbindungen, Azo-Verbindungen und Perylen-Verbindungen und Derivaten davon selektiert wurden; Verbindungen mit niedermolekularem Gewicht, die aus Aminoimidazol-Verbindungen, Dicyano-Verbindungen, Pyridon-Verbindungen, Styryl-Verbindungen, Stilben-Verbindungen, Quinomethan-Verbindungen, Butadien-Verbindungen, Hydrazon-Verbindungen, Triphenylmethan-Verbindungen, Diphenylmethan-Verbindungen, Arylvinyl-Verbindungen, Pyrazolin-Verbindungen, Triphenylamin-Verbindungen, Phenylen-Derivate und Triarylamin-Verbindungen und Derivaten davon selektiert wurden; makromolekulare Verbindungen, die aus Poly-N-Vinylcarbazol-Verbindungen, halogenisierten Poly-N-Vinylcarbazolen, Polyvinylpyren, Polyvinylanthracen, Polythiophen-Derivaten, Tiophenoligomer-Derivaten, Pyren-Formaldehydharzen, Polyacetylen-Derivaten und Ethylcarbazol-Formaldehydharzen selektiert wurden und Fluorenon-, Diphenoquinon-, Benzoquinon- Anthraquinon- und Indenon-Verbindungen. Jedoch sind diesen Beispielen keine Grenzen gesetzt.
Im Folgenden wird die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 beschrieben. Ein kennzeichnendes Merkmal der Erfindung ist, dass eine feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40, die feine Metallpartikel und ein organisches Halbleitermaterial aufweist, zwischen der organischen Halbleitermaterialschicht 30 und der organischen Halbleitermaterialschicht 31 angeordnet ist. Für die feinen Metallpartikel kann irgendeines von verschiedenen Metallmaterialien verwendet werden. Zum Beispiel kann Aluminium, Magnesium, Gold, Silber, Kupfer, Platin, Calcium, Lithium, Rhodium oder dergleichen als geeignetes Material ausgewählt werden, wobei keine besonderen Einschränkungen bestehen. Um jedoch den Feldeffekt auf den organischen Halbleitermaterialschichten zu begünstigen, ist es wirksam, einen Isolierfilm, wie beispielsweise einen Oxidfilm, auf der Oberfläche des Metalls zu bilden. Infolgedessen ist der Einsatz von Aluminium oder Magnesium vorzuziehen, für welche die Bildung eines Oxidfilms einfach ist. Ferner kann anstelle des in der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 verwendeten organischen Halbleitermaterials dasselbe Material wie in den organischen Halbleiterschichten 30 und 31 verwendet werden. Zum Beispiel haben Aminoimidazol-Verbindungen, Dicyano-Verbindungen und Quinomethan-Verbindungen eine starke Neigung zur oder leichten Bildung einer Verbindung mit Aluminium, wobei ein Film mit hohem Widerstand auf den Oberflächen der feinen Metallpartikel gebildet werden kann. Infolgedessen sind alle diese Materialien für den Einsatz als organisches Halbleitermaterial in der Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 geeignet.
Als Verfahren zur Bildung der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 ist die Codeposition der feinen Metallpartikel und des organischen Halbleitermaterials durch Vakuumdeposition oder dergleichen vorzuziehen. Da das Metall verdampft, können feine Metallpartikel mit einer Größe von 5 bis 20 nm erhalten werden. Ferner lässt sich ein gleichmäßiger Hybriddünnfilm zwischen den feinen Metallteichen und dem organischen Halbleitermaterial durch eine solche Codeposition erhalten.
Die Codeposition kann anhand herkömmlicher Vorrichtungen zur Dampfdeposition unter ähnlichen Bedingungen wie jenen bei der Deposition der organischen Halbleitermaterialschichten 30 und 31 durchgeführt werden. Die Substrattemperatur ist als mit dem verwendeten organischen Material geeignet, vorzugsweise zwischen 0 bis 150°C, zu wählen. Was ferner den Vakuumgrad betrifft, wird die Codeposition vorzugsweise bei einem Druck von 10^–5 Torr oder darunter realisiert. Ferner befindet sich das Volumenverhältnis zwischen den feinen Metallpartikeln und dem organischen Halbleitermaterial in der Codeposition vorzugsweise in einem Bereich von 10:11 bis 1:20. Des Weiteren befindet sich die Dicke der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 200 nm. Mit einer auf diese Weise gebildeten feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln sind die feinen Metallpartikel nicht miteinander in Kontakt, aber beim Anlegen einer Spannung wird ein Strom anhand eines Tunneleffekts fließen, und das elektrische Potential der feinen Metallpartikel kann gesteuert werden.
Außerdem wird die Austrittsarbeit der feinen Metallpartikel in der Regel innerhalb der Energielücke des organischen Halbleitermaterials sein. Nach Injizierung der Ladung in die feinen Metallpartikel wird diese Ladung folglich nicht zur Migration in das organische Halbleitermaterial neigen. Infolgedessen wird ein Feldeffekt in vielen Fällen durch den sogenannten Schottky-Effekt wirken. Damit der Feldeffekt von den feinen Metallpartikeln zuverlässig ist, ist es für die feinen Metallpartikel und das organische Halbleitermaterial trotz allem wünschenswert, elektrisch voneinander durch einen Metalloxidfilmüberzug oder dergleichen isoliert zu sein. Falls die feinen Metallpartikel durch Vakuumdeposition anhand von Aluminium oder Magnesium gebildet werden, kann ein Oxidfilm mit einer Dicke von etwa ein paar nm leicht auf den Oberflächen der feinen Metallpartikel durch ein Oxidationsgas wie Sauerstoff oder Wasser, die im Vakuum als Restgas enthalten sind, gebildet werden.
Ferner lässt sich die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 auch anhand eines Aufbringungsverfahrens wie die Rotationsbeschichtung unter ähnlichen Bedingungen wie jenen zur Bildung der organischen Halbleitermaterialschichten 30 und 31 realisieren. In diesem Fall ist als Aufbringungslösemittel, insbesondere wenn für die feinen Metallpartikel ein Metall wie Platin oder Rhodium verwendet wird, vorzugsweise ein Lösemittel zu verwenden, in welchem dieses Material leicht dispergiert werden kann, zum Beispiel ein Alkohol wie Ethylalkohol, Methylalkohol oder Propylalkohol, ein Glykol wie Ethylenglykol, THF, Ethylenglykoldimethylether oder destilliertes Wasser.
Das organische Halbleitermaterial wird in einer Menge von 0,001 bis 30 Massenprozent aufgelöst, und die feinen Metallpartikel werden in einer Menge von 0,001 bis 30 Massenprozent im Aufbringungslösemittel dispergiert. Ferner kann ein Bindemittelharz nach Bedarf hinzugefügt werden, so dass eine Aufbringungsflüssigkeit erzeugt wird. Als Bindemittelharz kann zum Beispiel ein Polycarbonat, ein Polyester, Polyvinylalkohol, Polystyren oder dergleichen verwendet werden. Die Bedingungen der Rotationsbeschichtung lassen sich entsprechend der gewünschten Filmdicke auf geeignete Weise einstellen, aber die Drehgeschwindigkeit soll vorzugsweise zwischen 200 bis 3600 UPM liegen. Darüber hinaus soll die Dicke der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 vorzugsweise zwischen 3 bis 200 nm liegen. Solche feinen Metallpartikel mit einer Nanometergrößenordnung können beispielsweise ohne Umstände als marktübliche Produkte von Firmen wie Tanaka Kikinzoku Co. bezogen werden.
Im Folgenden wird eine nähere Beschreibung der Transistorvorrichtung der Erfindung anhand von Beispielen gegeben. Dabei werden vier Beispiele, ein Vergleichsbeispiel und ein Testbeispiel erläutert.
Beispiel 1
Eine Transistorvorrichtung mit einer Gestaltung gemäß 1A und 1B wurde durch folgende Technik hergestellt. Anhand eines Glassubstrats als Substrat 10, einer ersten Elektrodenschicht 20, einer organischen Halbleitermaterialschicht 30, einer feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40, einer organischen Halbleitermaterialschicht 31 und einer zweiten Elektrodenschicht 21 wurden der Reihe nach Dünnfilme mit Dicken von jeweils 100 nm, 40 nm, 20 nm, 40 nm und 100 nm anhand eines Vakuumrepositionsverfahrens gebildet und somit eine Transistorvorrichtung des Beispiels 1.
Hinsichtlich der Verdampfungsquelle für jede Schicht wurde Gold für die erste Elektrodenschicht 20 und die zweite Elektrodenschicht 21 verwendet, und für die organischen Halbleitermaterialschichten 30 und 31 wurde Kupferphtalocyanin (von Aldrich hergestellt) verwendet. Des Weiteren wurde die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 durch Codeposition von Aluminium und Kupferphtalocyanin in einem Volumenverhältnis von 3:1 gebildet.
Die Deposition wurde anhand eines resistiven Heizverfahrens durchgeführt und unter einem Vakuum von 3 × 10^–6 Torr, wobei die Vorrichtung zur Dampfdeposition anhand einer Diffusionspumpe entleert wurde. Insbesondere bei der Bildung der feinen Metalleilchendispersionsschicht war das Restgas 70% Wasser.
Beispiel 2
Die Deposition wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt, ausgenommen, dass die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 in Streifen mit einem Abstand von 300 μm, so wie in 2A und 2B gezeigt, gebildet wurde, wodurch eine Transistorvorrichtung des Beispiels 2 erhalten wurde. Eine Dampfdepositionsmaske wurde bei der Bildung der Streifen der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 verwendet, wobei die Maskenbreite 50 μm betrug. Der Abstand zwischen Substrat und Maske war mit 1,0 mm vorgesehen.
Beispiel 3
Die Deposition wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2 durchgeführt, ausgenommen, dass die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln durch Deposition von Aluminium und Kupferphtalocyanin unter Bedingungen eines Volumenverhältnisses von 1:3 und einer Filmdicke von 10 nm mit einer Maskenbreite von 200 μm erhalten wurde, und dann wurde Aluminium und Kupferphtalocyanin unter Bedingungen eines Volumenverhältnisses von 3:1 und einer Filmdicke von 10 nm mit einer Maskenbreite von 50 μm deponiert, wobei der Abstand zwischen Substrat und Maske 0,3 mm betrug, wodurch eine Tansistorvorrichtung des Beispiels 3 erhalten wurde.
Beispiel 4
Die Deposition wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2 durchgeführt, ausgenommen dass Pentaxen (von Aldrich hergestellt) für die organischen Halbleitermaterialschichten 30 und 31 verwendet wurde, wodurch eine Transistorvorrichtung des Beispiels 4 erhalten wurde.
Vergleichsbeispiel
Gemäß der Gestaltung der in 3A und 3B gezeigten Vorrichtung wurde keine feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln 40 verwendet, aber stattdessen wurde eine aus einem Metall hergestellte Gate-Elektrode 48 in Streifen mit einem Abstand von 300 μm gebildet. Eine Dampfdepositionsmaske kam bei der Bildung der Streifen der Metall-Gateschicht 48 zum Einsatz, wobei der Abstand zwischen Substrat und Maske 0,3 mm betrug. Auf andere Weise wurde die Deposition unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2 durchgeführt, wodurch eine Transistorvorrichtung des Vergleichsbeispiels erhalten wurde.
Testbeispiel
Der elektrische Widerstand der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln allein wurde in einer Richtung parallel zum Substrat für jedes der Beispiele 1, 2, 3 und 4 gemessen. Der elektrische Widerstand wurde unter Bedingungen eines Strompfadquerschnitts von 35 mm × 20 nm und einer Strompfadlänge von 30 mm in einem Bereich von etwa 4 bis 8 kΩ für alle Beispiele 1, 2, 3 und 4 vorgesehen. Somit ließ sich bestätigen, dass die elektrische Leitung verlässlich war, selbst wenn die feinen Metallpartikel nicht in Kontakt miteinander waren.
Mit der feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln in jedem der Beispiele 2 und 4 betrug die Maskenbreite ferner 50 μm, aber das Ausbreiten der feinen Metallpartikel wurde über etwa 100 μm auf jeder Seite erkannt. Mit anderen Worten, indem der Abstand zwischen der Dampfdepositionsmaske und dem Substrat groß vorgesehen wird, könnten Anteile, die eine niedrige Konzentration feiner Metallpartikel mit einer Breite von 100 μm aufweisen, auf jeder Seite jedes Anteils, der eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweist mit einer Breite von 50 μm gebildet werden, und folglich ließen sich mindestens 250 μm außerhalb des Elektrodenabstands von 300 μm mit einer feinen Dispersionsschicht aus Metallpartikeln beschichten. Daneben kann in Erwägung gezogen werden, dass auf einer Ebene, die nicht mit den Augen beobachtet werden könnte, eine Beschichtung mit einer höheren Verhältniszahl möglich wäre. Im Gegensatz dazu konnten beim Beispiel 3 und dem Vergleichsbeispiel 1 eine derartige Ausbreitung, deren Menge nur etwa 10 μm betrug, kaum erkannt werden.

Für die Transistorvorrichtung jedes der Beispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 1 wurde eine Spannung von 3 V zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt, und die Source-Drain-Stromänderung beim Wechsel der Spannung der Gate-Elektrode 45 von 0 V auf 2 V gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 dargestellt. Entsprechende Messungen wurden bei Raumtemperatur vorgenommen. Tabelle 1

	Source-Drain-Strom (pA)
	Gate-Spannung 0 V	Gate-Spannung 2 V	Ein/Aus-Verhältniszahl
Beispiel 1	28	0,2	1,4E+02
Beispiel 2	53	0,04	1,3E+03
Beispiel 3	64	1,1	5,8E+01
Beispiel 4	80	0,07	1,1E+03
Vergleichsbeispiel 1	60	54	1,1E+00

Aus den Ergebnissen in Tabelle 1 lässt sich erkennen, dass bei den Beispielen 1, 2, 3 und 4 eine Source-Drain-Stromänderung beim Wechsel der Gate-Spannung beobachtet wurde, und dass für die Ein/Aus-Verhältniszahl ein hoher Wert erhalten wurde. Dagegen war beim Vergleichsbeispiel die Source-Drain-Stromänderung niedrig, und folglich sind die Effekte der Erfindung eindeutig.

Claims

Transistorvorrichtung, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode, eine organische Materialschicht, die zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist, und eine feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln, die innerhalb der organischen Materialschicht angeordnet ist, wobei eine Ladung in die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln durch einen Tunnelstrom von der dritten Elektrode, getrennt von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, injiziert wird, wodurch ein Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, gesteuert wird, wobei die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln Anteile umfasst, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen und Anteile, die eine niedrige Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, wobei die Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, in Kontakt mit der dritten Elektrode sind.
Transistorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberflächen der feinen Metallpartikel mit einem Oxidfilm des Metalls überzogen sind.
Transistorvorrichtung nach Anspruch 1 wobei die feinen Metallpartikel aus Aluminium oder Magnesium hergestellt sind.
Transistorvorrichtung, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode, eine organische Materialschicht, die zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist; und eine feine durch eine Codeposition eines organischen Materials und eines Metalls gebildete Dispersionsschicht aus Metallpartikeln, die innerhalb der organischen Materialschicht angeordnet ist, wobei eine Ladung in die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln durch einen Tunnelstrom von der dritten Elektrode, getrennt von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, injiziert wird, wodurch ein Strom, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließt, gesteuert wird.
Transistorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei Oberflächen aus den feinen Metallpartikel mit einem Oxidfilm des Metalls überzogen sind.
Transistorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die feinen Metallpartikel aus Aluminium oder Magnesium hergestellt sind.
Transistorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die feine Dispersionsschicht aus Metallpartikeln Anteile umfasst, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen und Anteile, die eine niedrige Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, wobei die Anteile, die eine hohe Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, in Kontakt mit der dritten Elektrode sind.
Transistorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Oberflächen der feinen Metallpartikeln mit einem Oxidfilm des Metalls überzogen sind.
Elektroden-Gate, umfassend eine Folie organischen Materials, das eine feine Metallpartikeldispersion, die innerhalb des organischen Materials angeordnet ist, aufweist, wobei der Abstand der feinen Metallpartikel derart ist, dass eine Spannung, die an mindestens eine Kante der Folie angelegt wird, Elektronentunneln zwischen benachbarten Partikeln der feinen Metallpartikeldispersion verursacht, wobei das Elektroden-Gate die angelegte Spannung durch den Stromfluss durch die Folie erreicht, wobei der Stromfluss Elektronentunneln beinhaltet.
Gate nach Anspruch 9, wobei die Oberflächen der feinen Metallpartikel mit einem Oxidfilm des Metalls überzogen sind.
Gate nach Anspruch 9, wobei die feine Metallpartikeldispersion Anteile umfasst, die eine höhere Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen und Anteile, die eine niedrigere Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, wobei die Anteile, die eine höhere Konzentration feiner Metallpartikel aufweisen, die Kante beinhalten, wo die Spannung angelegt wird.
Gate nach Anspruch 11, wobei die Oberflächen der feinen Metallpartikel mit einem Oxidfilm des Metalls überzogen sind.
Gate nach Anspruch 9, wobei die feinen Metallpartikel Aluminium oder Magnesium umfassen.
Gate nach Anspruch 9, wobei die Austrittsarbeit der feinen Metallpartikel in der Regel innerhalb der Energielücke des organischen Materials ist.
Gate nach Anspruch 9, wobei die feinen Metallpartikel auf einen in der Mitte der Folie gelegenen Abschnitt in einer Richtung der Dicke der Folie beschränkt sind.
Gate nach Anspruch 9, wobei das organische Material ein organisches Halbleitermaterial ist.
Gate nach Anspruch 9, umfassend eine gestreifte Elektrode aus Festmetall.
Verfahren zur Bildung des Gate nach Anspruch 9, umfassend die Codeposition der feinen Metallpartikel und des organischen Materials.