DE112009000595T5

DE112009000595T5 - Elektronische Bauelemente und Verfahren zu deren Herstellung unter Einsatz von auf Lösungstechnologie beruhenden Verfahren

Info

Publication number: DE112009000595T5
Application number: DE112009000595T
Authority: DE
Inventors: John James Gregory; Barry Wild; Hidehiro Kadoma-shi Yoshida; Kenji Kadoma-shi Okumoto
Original assignee: Cambridge Display Technology Ltd; Panasonic Corp
Current assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2011-02-17
Also published as: WO2009112569A1; KR20110031900A; GB2458454B; GB2458454A; JP2011526694A; CN102017158A; CN102017158B; GB0804875D0; US20110101317A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Basisteils mit Schaltungselementen; Bilden einer Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist; und Abscheiden einer Lösung aus organischem Material in einer durch die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefung, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet wird, indem zur Ausbildung der Vertiefung in einem einzigen Bearbeitungsschritt von der ersten und zweiten Schicht Material entfernt wird, und wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die bei dem einzigen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten haben, wodurch aufgrund des Unterschieds der Abtragraten der Materialien der ersten und zweiten Schicht um einen Randbereich der Vertiefung herum eine Stufenstruktur gebildet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Bauelemente und Verfahren zu deren Herstellung unter Einsatz von auf Lösungstechnologie beruhenden Verfahren. Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen organische Dünnschichttransistoren, organische optoelektronische Bauelemente, organische lichtemittierende Anzeigeeinheiten und Verfahren zur Herstellung der Bauelemente unter Einsatz von auf Lösungstechnologie beruhenden Verfahren.
Hintergrund der Erfindung
Verfahren zur Herstellung von elektronischen Bauelementen, die das Abscheiden aktiver Komponenten aus einer Lösung heraus beinhalten, sind im Stand der Technik bekannt. Solche Verfahren umfassen die Herstellung eines Substrats, auf dem eine oder mehrere aktive Komponenten abgeschieden werden können. Wenn aktive Komponenten aus einer Lösung heraus abgeschieden werden, besteht ein Problem darin, wie die aktiven Komponenten auf gewünschte Bereiche des Substrats eingegrenzt werden können. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, ein Substrat mit einer strukturierten Lagenschicht bereitzustellen, die Vertiefungen bildet, in denen die aktiven Komponenten in Lösung befindlich abgeschieden werden können. Die Vertiefungen enthalten die Lösung, während diese trocknet, so dass die aktiven Komponenten in den durch die Vertiefungen gebildeten Bereichen des Substrats verbleiben.
Solche auf Lösungstechnologie beruhende Verfahren haben sich zur Abscheidung von in Lösung befindlichen, organischen Materialien als besonders nützlich herausgestellt. Die organischen Materialien können leitend, halbleitend und/oder optoelektrisch aktiv sein, so dass sie Licht aussenden können, wenn sie von einem elektrischen Strom durchlaufen werden, oder Licht erfassen können, indem sie einen Strom erzeugen, wenn Licht auf sie fällt. Bauelemente, bei denen diese Materialien genutzt werden, sind als organische elektronische Bauelemente bekannt. Ein Beispiel ist ein organisches Transistorbauelement. Wenn es sich bei dem organischen Material um ein lichtemittierendes Material handelt, ist das Bauelement als organisches, lichtemittierendes Bauelement bzw. organische Leuchtdiode bekannt. Nachstehend werden Transistoren und lichtemittierende Bauelemente näher erläutert.
Transistoren lassen sich in zwei Haupttypen einteilen: bipolare Sperrschichttransistoren und Feldeffekttransistoren. Beide Arten haben eine gemeinsame Struktur, die drei Elektroden mit einem zwischen diesen in einem Kanalbereich angeordneten halbleitenden Material aufweisen. Die drei Elektroden eines bipolaren Sperrschichttransistors sind als Emitter, Kollektor und Basis bekannt, wohingegen bei einem Feldeffekttransistor die drei Elektroden als Source, Drain und Gate bekannt sind. Bipolare Sperrschichttransistoren können als strombetätigte Bauelemente beschrieben werden, da der Strom zwischen dem Emitter und Kollektor durch den zwischen der Basis und dem Emitter fließenden Strom gesteuert wird. Dagegen können Feldeffekttransistoren als spannungsbetätigte Bauelemente beschrieben werden, da der zwischen Source und Drain fließende Strom durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert wird.
Je nach dem, ob sie ein halbleitendes Material aufweisen, das positive Ladungsträger (Defektelektronen oder Löcher) oder negative Ladungsträger (Elektronen) befördert, können Transistoren auch als Transistoren des p-Typs bzw. n-Typs klassifiziert werden. Das halbleitende Material kann entsprechend seiner Fähigkeit zur Aufnahme, Leitung und Abgabe von Ladung ausgewählt werden. Die Fähigkeit des halbleitenden Materials zur Aufnahme, Leitung und Abgabe von Löchern oder Elektronen kann durch Dotieren des Materials verstärkt werden. Auch das für die Source- und Drain-Elektrode verwendete Material kann entsprechend seiner Fähigkeit zur Aufnahme und Injektion von Löchern oder Elektronen ausgewählt sein.
Ein Transistorbauelement des p-Typs kann zum Beispiel gebildet werden, indem ein halbleitendes Material gewählt wird, das in Bezug auf die Aufnahme, Leitung und Abgabe von Löchern effizient ist, und ein Material für die Source- und Drain-Elektrode gewählt wird, das in Bezug auf die Injektion und Aufnahme von Defektelektronen aus dem halbleitenden Material effizient ist. Eine gute Anpassung des Energieniveaus des Fermi-Niveaus in den Elektroden an das HOMO-Niveau des halbleitenden Materials kann die Löcherinjektion und -aufnahme verbessern. Andererseits kann ein Transistorbauelement des n-Typs gebildet werden, indem ein halbleitendes Material gewählt wird, das bei der Aufnahme, Leitung und Abgabe von Elektronen effizient ist, und ein Material für die Source- und Drain-Elektrode ausgewählt wird, das beim Injizieren von Elektronen in und der Aufnahme von Elektronen aus dem halbleitenden Material effizient ist. Eine gute Anpassung des Energieniveaus des Fermi-Niveaus in den Elektroden an das LUMO-Niveau des halbleitenden Materials kann die Elektroneninjektion und -aufnahme verbessern. Es sind auch ambipolare Bauelemente bekannt, die als Bauelemente des n-Typs oder p-Typs fungieren können.
Transistoren können gebildet werden, indem die Komponenten in Dünnschichten abgeschieden werden, um einen Dünnschichttransistor (TFT) zu bilden. Wenn in einem solchen Bauelement ein organisches Material als halbleitendes Material verwendet wird, ist es als organischer Dünnschichttransistor (OTFT) bekannt.
Bei organischen Dünnschichttransistoren sind verschiedene Anordnungen bekannt. Ein solches Bauelement stellt einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate dar, der eine Source- und Drain-Elektrode mit einem halbleitenden Material aufweist, das in einem zwischen diesen befindlichen Kanalbereich angeordnet ist, eine Gate-Elektrode, die angrenzend an das halbleitende Material angeordnet ist, und eine Schicht aus Isoliermaterial, die zwischen der Gate-Elektrode und dem halbleitenden Material im Kanalbereich angeordnet ist.
OTFTs können kostengünstig bei mit niedriger Temperatur arbeitenden Verfahren wie etwa einer auf Lösungstechnologie beruhenden Verarbeitung hergestellt werden. Außerdem sind OTFTs mit flexiblen Kunststoffsubstraten kompatibel, was die Aussicht auf eine großindustrielle Herstellung von OTFTs auf flexiblen Substraten in einem Roll-to-roll-Prozess bietet.
Ein Beispiel eines solchen organischen Dünnschichttransistors ist in 1 gezeigt. Die dargestellte Struktur kann auf einem Substrat 1 abgeschieden sein und umfasst eine Source- und Drain-Elektrode 2, 4, die durch einen zwischen ihnen befindlichen Kanalbereich 6 voneinander beabstandet sind. Ein organischer Halbleiter (OSC) 8 ist im Kanalbereich 6 abgeschieden und kann sich über zumindest einen Teilbereich der Source- und Drain-Elektrode 2, 4 erstrecken. Eine Isolierschicht 10 aus dielektrischem Material ist über dem organischen Halbleiter 8 abgeschieden und kann sich über zumindest einen Teilbereich der Source- und Drain-Elektrode 2, 4 erstrecken. Schließlich ist über der Isolierschicht 10 eine Gate-Elektrode 12 abgeschieden. Die Gate-Elektrode 12 befindet sich über dem Kanalbereich 6 und kann sich über zumindest einen Teilbereich der Source- und Drain-Elektrode 2, 4 erstrecken.
Die vorstehend beschriebene Struktur ist als organischer Dünnschichttransistor mit oberseitigem Gate bekannt, da sich das Gate an der Oberseite des Bauelements befindet. Alternativ dazu ist es auch bekannt, das Gate an einer Unterseite des Bauelements vorzusehen, um einen sogenannten organischen Dünnschichttransistor mit unterseitigem Gate zu bilden.
Ein Beispiel für einen solchen organischen Dünnschichttransistor mit unterseitigem Gate ist in 2 gezeigt. Um das Verhältnis zwischen den in 1 und 2 dargestellten Strukturen deutlicher zu zeigen, sind für entsprechende Teile gleiche Bezugszahlen verwendet. Die in 2 dargestellte Struktur mit unterseitigem Gate umfasst eine auf einem Substrat 1 abgeschiedene Gate-Elektrode 12 mit einer darüber abgeschiedenen Isolierschicht 10 aus dielektrischem Material. Über der Isolierschicht 10 aus dielektrischem Material sind die Source- und Drain-Elektrode 2, 4 abgeschieden. Die Source- und Drain-Elektrode 2, 4 sind durch einen Kanalbereich 6 voneinander beabstandet, der zwischen ihnen über der Gate-Elektrode sitzt. Ein organischer Halbleiter (OSC) 8 ist im Kanalbereich 6 abgeschieden und kann sich über zumindest einen Teilbereich der Source- und Drain-Elektrode 2, 4 erstrecken.
Ein Problem bei den vorstehend erwähnten Anordnungen besteht darin, wie der OSC bei seiner Abscheidung auf den Kanalbereich zu begrenzen ist. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, eine strukturierte Schicht aus einem isolierenden Lagenmaterial 14 vorzusehen, die eine Vertiefung bildet, in welcher der OSC 8 aus der Lösung heraus zum Beispiel durch Tintenstrahldrucken abgeschieden werden kann. Eine solche Anordnung ist in den 3 und 4 für einen organischen Dünnschichttransistor mit unterseitigem bzw. oberseitigem Gate gezeigt. Um das Verhältnis zwischen den in 1 und 2 dargestellten Strukturen in Bezug auf die in 3 und 4 dargestellten Strukturen deutlicher zu zeigen, sind auch hier für entsprechende Teile gleiche Bezugszahlen verwendet worden.
Der Randbereich der Vertiefung, die durch die strukturierte Schicht aus Isoliermaterial 14 gebildet ist, umgibt den zwischen der Source- und Drain-Elektrode 2, 4 gebildeten Kanal 6 teilweise oder ganz, um die Abscheidung des OSC 8 zum Beispiel durch Tintenstrahldrucken zu ermöglichen. Da die Isolierschicht 14 vor Abscheidung des OSC 8 abgeschieden wird, kann sie darüber hinaus abgeschieden und strukturiert werden, ohne den OSC zu beschädigen. Die Struktur der Isolierschicht 14 kann reproduzierbar unter Einsatz bekannter Abscheide- und Strukturierungstechniken wie z. B. Fotolithografie von positiven oder negativen Resistarten, durch Nassätzen, Trockenätzen etc. gebildet werden.
Aber selbst wenn eine strukturierte Schicht aus einem eine Vertiefung bildenden Lagenmaterial vorgesehen ist, bestehen immer noch Probleme in Bezug auf die Eingrenzung des OSC auf den Kanalbereich und die Bereitstellung einer guten Dünnschichtbildung des OSC im Kanalbereich unter Einsatz von auf Lösungstechnologie beruhenden Verfahren zur Abscheidung des OSC. Es kann eine unkontrollierbare Benetzung der die Vertiefung bildenden Lagenschicht auftreten, da der Kontaktwinkel der OSC-Lösung an der die Vertiefung bildenden Lagenschicht typischerweise klein ist. Im schlimmsten Fall kann der OSC aus den Vertiefungen herauslaufen.
Eine Lösung besteht in der Behandlung der Oberfläche der die Vertiefung bildenden Lage unter Verwendung beispielsweise eines auf Fluor basierenden Plasmas wie etwa CF₄, um vor der Abscheidung des OSC aus der Lösung deren Benetzbarkeit zu reduzieren. Eine schlecht benetzbare Oberfläche an der Oberseite der die Vertiefung bildenden Lagenschicht trägt dazu bei, den OSC bei seiner Abscheidung innerhalb der Vertiefungen zu behalten.
Eine weitere Lösung besteht darin, als Material für die die Vertiefung bildende Lagenschicht eines mit naturgemäß geringer Benetzbarkeit zu verwenden. In US 2007/0023837 ist eine Anordnung beschrieben, bei der ein fluorhaltiges Polymer mit geringer Benetzbarkeit (z. B. „Cytop”, hergestellt von Asahi Glass, Japan) verwendet wird, um bei der Herstellung eines TFT-Substrats eine strukturierte, eine Vertiefung bildende Lagenschicht zu bilden. Das Fluor enthaltende Polymermaterial mit geringer Benetzbarkeit hat dahingehend gute Eigenschaften, ein Überlaufen des OSC aus den Vertiefungen zu verhindern, wenn er aus der Lösung heraus abgeschieden wird. Weil aber auch die Seiten der Vertiefung eine geringe Benetzbarkeit aufweisen, neigt die Lösung dazu, am Grund der Vertiefung enthalten zu sein, was zu einer schlechten Dünnschichtbildung führt. Das heißt, weil die Lösung des OSC die Seiten der Vertiefung nicht benetzt, bildet sie einen gekrümmten Tropfen am Grund der Vertiefung und trocknet, so dass sich eine Dünnschicht mit ungleichmäßiger Dicke bildet. Dünnschichten mit ungleichmäßiger Dicke können die Leistungsfähigkeit eines sich ergebenden Bauelements negativ beeinflussen, wie im Stand der Technik bekannt ist.
In US 2007/0020899 ist die Behandlung der Oberfläche einer Lagenschicht offenbart, die eine Verdrahtungsstruktur für ein elektronisches Substrat bildet, und zwar unter Einsatz eines auf Fluor basierenden Plasmas, um wie vorstehend erläutert deren Benetzbarkeit zu reduzieren. In dieser Druckschrift ist auch ein alternatives Verfahren beschrieben, bei dem eine aus zwei Schichten bestehende Lagenstruktur vorgesehen ist, die eine Verdrahtungsstruktur für ein elektronisches Substrat bildet. Die aus zwei Schichten bestehende Lagenstruktur weist eine erste Schicht mit guter Benetzbarkeit auf, und darüber eine zweite Schicht mit einem Fluor enthaltenden Polymer mit geringer Benetzbarkeit.
Bei der vorstehend erwähnten, aus zwei Schichten bestehenden Lagenstruktur kann eine in den Vertiefungen abgeschiedene Flüssigkeit die Seiten der aus der ersten Schicht bestehenden Vertiefungen benetzen, um in den Vertiefungen beim Trocknen eine gute Dünnschichtbildung bereitzustellen, während durch die zweite Schicht ein Überlaufen der Flüssigkeit aus den Vertiefungen verhindert ist. In der Druckschrift ist vorgeschlagen, dass es sich bei den Materialien für die erste und zweite Lagenschicht jeweils um Polymere handeln sollte, die Siloxan-Bindungen in einer Hauptkette umfassen, wobei das Polymer der zweiten Lagenschicht Fluor-Bindungen in einer Seitenkette aufweisen sollte. Als Materialien für die zweite Lagenschicht sind solche mit Kontaktwinkeln von 50° und mehr beschrieben. Es ist auch ein Herstellungsprozess offenbart, bei dem die aus zwei Schichten bestehende Lagenstruktur gebildet wird, in den durch die Lagenstruktur gebildeten Vertiefungen eine aktive Komponente abgeschieden wird, und die aktive Komponente und die Lagenstruktur dann gleichzeitig ausgeheizt werden.
Der vorstehend erwähnte Stand der Technik bezieht sich auf die Bereitstellung von Lagen mit geringer Benetzbarkeit für die Herstellung von TFT-Substraten, obwohl auch die Verwendung von Strukturen mit einer einzigen Lagenschicht für lichtemittierende Materialien erwähnt ist. Nachstehend werden organische lichtemittierende Bauelemente näher erläutert.
Anzeigen, die unter Verwendung von OLEDs (organischen Leuchtdioden) hergestellt sind, bieten gegenüber anderen Flachanzeigetechnologien eine Reihe von Vorteilen. Sie sind hell, farbkräftig, schalten schnell, bieten einen weiten Sichtwinkel und sind auf einer Vielzahl von Substraten leicht und billig herzustellen. Organische (was hier den Begriff organometallische mit einschließt) Leuchtdioden (LEDs) können unter Einsatz von Materialien hergestellt werden, die Polymere, kleinmolekulare Stoffe und Dendrimere umfassen, und zwar in einem Bereich von Farben, die von den verwendeten Materialien abhängen. Beispiele für organische, auf Polymere basierende LEDs sind in WO 90/13148 , WO 95/06400 und WO 99/48160 beschrieben. Beispiele für auf Dendrimere beruhende Materialien sind in WO 99/21935 und WO 02/067343 beschrieben. Beispiele für Bauelemente, die auf sogenannten kleinmolekularen Stoffen beruhen, sind in US 4,539,507 beschrieben.
Ein typisches OLED-Bauelement umfasst zwei Schichten aus organischem Material, wovon eine eine Schicht aus einem lichtemittierenden Material wie zum Beispiel einem lichtemittierenden Polymer (LEP), Oligomer oder lichtemittierenden Material mit geringem Molekulargewicht ist, und die andere eine Schicht aus einem Löchertransportmaterial wie zum Beispiel ein Polythiophen-Derivat oder Polyanilin-Derivat ist.
OLEDs können auf einem Substrat in einer Matrix aus Pixeln abgeschieden werden, um eine einfarbige oder mehrfarbige, gepixelte Anzeige zu bilden. Unter Verwendung von Gruppen aus rot, grün und blau emittierenden Pixeln lässt sich eine vielfarbige Anzeige aufbauen. Sogenannte Anzeigen mit aktiver Matrix verfügen über ein Speicherelement, typischerweise einen Speicherkondensator und einen Dünnschichttransistor (TFT), die jedem Pixel zugeordnet sind, wohingegen Anzeigen mit passiver Matrix kein derartiges Speicherelement haben und stattdessen wiederholt abgerastert werden, um den Eindruck eines ruhigen Bildes zu vermitteln. Andere passive Anzeigen umfassen segmentierte Anzeigen, bei denen sich eine Vielzahl von Segmenten eine gemeinsame Elektrode teilen, und ein Segment zum Leuchten gebracht werden kann, indem an seine andere Elektrode eine Spannung angelegt wird. Eine einfache segmentierte Anzeige braucht nicht abgerastert zu werden; in einer Anzeige mit einer Vielzahl von segmentierten Bereichen können die Elektroden jedoch im Multiplexbetrieb angesteuert (um deren Anzahl zu verringern) und dann abgerastert werden.
5 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Beispiel eines OLED-Bauelements 100. In einer Anzeige mit aktiver Matrix ist ein Teil der Fläche eines Pixels durch die zugehörige Ansteuerschaltung (in 5 nicht gezeigt) belegt. Zu Darstellungszwecken ist die Struktur des Bauelements etwas vereinfacht.
Die OLED 100 umfasst ein Substrat 102, typischerweise aus 0,7 mm oder 1,1 mm dickem Glas, optional aber auch aus durchsichtigem Kunststoff oder aus irgendeinem anderen, im Wesentlichen transparenten Material. Auf dem Substrat ist eine Anodenschicht 104 abgeschieden, typischerweise in einer ca. 40 bis 150 nm dicken Schicht aus ITO (Indiumzinnoxid), über der teilweise eine Metallkontaktschicht vorgesehen ist. Die Kontaktschicht besteht typischerweise aus einer ca. 500 nm dicken Aluminiumschicht, oder aus einer Schicht aus Aluminium, die sandwichartig zwischen Chromschichten eingeschlossen ist; dies wird manchmal auch als Anodenmetall bezeichnet. Glassubstrate, die mit ITO und Kontaktmetall beschichtet sind, sind in einer breiten Palette verfügbar. Das Kontaktmetall über dem ITO unterstützt die Bereitstellung von Strompfaden mit verringertem Widerstand, wo die Anodenverbindungen nicht transparent zu sein brauchen, insbesondere für externe Kontakte zum Bauelement. Das Kontaktmetall wird vom ITO entfernt, wo es nicht erwünscht ist, insbesondere an Stellen, wo es andernfalls die Anzeige verdecken würde; dies geschieht durch einen standardmäßigen Fotolithografieprozess, an den sich ein Ätzvorgang anschließt.
Über der Anodenschicht ist eine im Wesentlichen transparente Löcherinjektionsschicht 106 abgeschieden, an die sich eine elektrolumineszierende Schicht 108 und eine Kathode 110 anschließen. Die elektrolumineszierende Schicht 108 kann beispielsweise PPV (Poly(p-phenylenvinylen)) enthalten, und die Löcherinjektionsschicht 106, die dazu beiträgt, die Löcherenergieniveaus der Anodenschicht 104 und elektrolumineszierenden Schicht 108 aneinander anzugleichen, kann ein leitfähiges transparentes Polymer aufweisen, zum Beispiel PEDOT:PSS (Polyethylendioxythiophen, dotiert mit Polystyrolsulfonat), das von H. C. Starck aus Deutschland erhältlich ist. In einem typischen, auf Polymer basierenden Bauelement kann die Löchertransportschicht 106 eine ca. 200 nm dicke Schicht aus PEDOT umfassen. Die lichtemittierende Polymerschicht 108 ist typischerweise ca. 70 nm dick. Diese organischen Schichten können durch Schleuderbeschichten abgeschieden werden (danach wird durch Plasmaätzen oder Laserablation Material von unerwünschten Bereichen entfernt), oder durch Tintenstrahldrucken. Im letzteren Fall können Lagen oder Stege 112 auf dem Substrat gebildet werden, beispielsweise unter Verwendung eines Fotoresists, um Vertiefungen zu bilden, in denen die organischen Schichten abgeschieden werden können. Solche Vertiefungen bilden lichtemittierende Bereiche oder Pixel der Anzeige.
Die Kathodenschicht 110 enthält typischerweise ein Metall mit geringer Austrittsarbeit wie zum Beispiel Kalzium oder Barium (zum Beispiel durch physikalische Dampfabscheidung abgeschieden), das mit einer dickeren Abdeckschicht aus Aluminium bedeckt ist. Optional kann eine weitere Schicht unmittelbar angrenzend an die elektrolumineszierende Schicht vorgesehen sein, wie z. B. eine Schicht aus Lithiumfluorid, was einer verbesserten Anpassung des Elektronenenergieniveaus dient. Durch den Einsatz von Kathodentrennelementen (in 5 nicht gezeigt) kann eine gegenseitige elektrische Isolierung von Kathodenleitungen erreicht oder verbessert werden.
Dieselbe Basisstruktur kann auch für kleinmolekulare Bauelemente verwendet werden.
Auf einem einzelnen Substrat werden typischerweise mehrere Anzeigen hergestellt, und am Ende des Herstellungsprozesses wird das Substrat geritzt und die Anzeigen werden getrennt, bevor an jeder ein Verschlussbehälter angebracht wird, um Oxidation und den Eintritt von Feuchtigkeit zu verhindern. Alternativ können die Anzeigen auch vor dem Ritzen und Trennen verkapselt werden.
Um die OLED aufleuchten zu lassen, wird zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt, zum Beispiel durch eine in 5 dargestellte Batterie 118. In dem in 5 gezeigten Beispiel wird Licht durch die transparente Anode 104 und das transparente Substrat 102 emittiert, und die Kathode ist im Allgemeinen reflektierender Natur. Solche Bauelemente werden als „unterseitig abstrahlende Emissionsquellen” bezeichnet. Es können auch Bauelemente konstruiert werden, die durch die Kathode hindurch emittieren („oberseitig abstrahlende Emissionsquellen”), zum Beispiel indem man die Dicke der Kathodenschicht 110 kleiner als ca. 50–100 nm hält, so dass die Kathode im Wesentlichen transparent ist, und/oder indem man ein transparentes Kathodenmaterial wie zum Beispiel ITO verwendet.
5b zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine OLED-Anzeigeeinheit 150 mit passiver Matrix, in der Elemente, die denen von 5 entsprechen, mit gleichen Bezugszahlen angegeben sind. Wie gezeigt ist, sind die Löchertransportschicht 106 und die elektrolumineszierende Schicht 108 im Überschneidungsbereich von zueinander senkrechten Anoden- und Kathodenzeilen, die im Anodenmetall 104 bzw. der Kathodenschicht 110 gebildet sind, in eine Mehrzahl von Pixeln 152 unterteilt. In der Figur verlaufen leitfähige Zeilen 154, die in der Kathodenschicht 110 gebildet sind, in die Seite hinein, und es ist ein Querschnitt durch eine aus einer Vielzahl von Anodenzeilen 158 gezeigt, die senkrecht zu den Kathodenzeilen verlaufen. Ein elektrolumineszierendes Pixel 152 am Schnittpunkt einer Kathoden- und einer Anodenzeile kann adressiert werden, indem zwischen den betreffenden Zeilen eine Spannung angelegt wird. Die Anodenmetallschicht 104 stellt externe Kontakte zur Anzeige 150 bereit und kann sowohl für die Anoden- als auch Kathodenanschlüsse an die OLEDs (indem man die Kathodenschichtstrukturierung über die Anodenmetallherausführungen legt) verwendet werden.
Die vorstehend erwähnten OLED-Materialien, und besonders das lichtemittierende Polymermaterial und die Kathode, sind gegenüber Oxidation und Feuchtigkeit empfindlich. Das Bauelement ist deshalb in einem Metall- oder Glasbehältnis 111 verkapselt, das durch einen UV-vernetzbaren Epoxidkleber 113 an der Anodenmetallschicht 104 angebracht ist. An der Stelle, wo die Anodenmetallkontakte unter der Lippe des Metallbehältnisses 111 verlaufen, sind sie vorzugsweise ausgedünnt, um zum Vernetzen die Belichtung des Klebers 113 mit UV-Licht zu ermöglichen.
Zur Verwirklichung einer Vollfarbenanzeige in Vollkunststoffausführung ist ein beträchtlicher Aufwand betrieben worden. Die größten Herausforderungen zur Erreichung dieses Ziels waren Folgende: (1) Zugang zu konjugierten Polymeren, die Licht in den drei Grundfarben rot, grün und blau emittieren; und (2) die konjugierten Polymere müssen leicht zu verarbeiten sein und aus ihnen müssen sich Vollfarben-Anzeigestrukturen leicht herstellen lassen. Bei der Erfüllung der ersten Anforderung sind lichtemittierende Bauelemente auf Polymerbasis (PLEDs) recht vielversprechend, da die Manipulation der Emissionsfarbe erreicht werden kann, indem man die chemische Struktur der konjugierten Polymere verändert. Während jedoch die Modulierung der chemischen Beschaffenheit von konjugierten Polymeren im Labormaßstab oftmals einfach und kostengünstig ist, kann dies im industriellen Maßstab ein teurer und komplizierter Prozess sein. Die zweite Anforderung in Bezug auf die einfache Verarbeitbarkeit und den einfachen Aufbau von Vollfarben-Matrixbauelementen wirft die Frage auf, wie die Mikrostrukturierung kleinteiliger Vielfarbenpixel erfolgen und die Vollfarbenemission erreicht werden soll. Um zur Entwicklung einer Vollfarbenanzeige beizutragen, hat man nach konjugierten Polymeren gesucht, die eine direkte Farbabstimmung, eine gute Bearbeitbarkeit und das Potenzial zu einer kostengünstigen Herstellung im industriellen Maßstab bieten. In Bezug auf die Strukturierung von PLED-Bauelementen haben die Tintenstrahldrucktechnologie und Hybridtintenstrahldrucktechnologie großes Interesse auf sich gezogen (siehe zum Beispiel Science 1998, 279, 1135; Wudl et al, Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2561; und J. Bharathan, Y. Yang, Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 2660).
Im Stand der Technik sind organische Leuchtdioden mit aktiver Matrix (AMOLEDs) bekannt, bei denen elektrolumineszierende Pixel und eine Kathode auf ein Glassubstrat abgeschieden werden, das eine Schaltung für die aktive Matrix aufweist, um einzelne Pixel und eine transparente Anode zu steuern. Bei diesen Bauelementen kann Licht zum Betrachter durch die Anode und das Glassubstrat (sogenannte unterseitige Emission) oder durch eine transparente Kathode (sogenannte „oberseitig emittierende” Bauelemente) abgestrahlt werden.
Ein Beispiel für ein oberseitig abstrahlendes Bauelement ist in 6 gezeigt. Das oberseitig abstrahlende Bauelement weist ein Substrat 202 auf, auf dem eine isolierende Planarisierungsschicht 204 angeordnet ist. Ein Durchkontaktierungsloch ist in der Planarisierungsschicht 204 vorgesehen, so dass eine Anode an ihren zugehörigen TFT (nicht gezeigt) angeschlossen werden kann. Auf der Planarisierungsschicht 204 ist eine Anode 206 angeordnet, über der Vertiefungen bildende Lagen oder Stege 208 vorgesehen sind. Die Anode 206 ist vorzugsweise reflektierender Natur. In den durch die Lagen gebildeten Vertiefungen ist ein elektrolumineszierendes Material 210 angeordnet, und über den Vertiefungen und den Lagen ist eine transparente Kathode 212 so abgeschieden, dass eine durchgehende Schicht gebildet ist.
Das Tintenstrahldrucken von elektrolumineszierenden Formulierungen ist ein billiges und effektives Verfahren zur Bildung strukturierter Bauelemente. Wie in EP-A-0880303 offenbart ist, bedingt dies den Einsatz von Fotolithografie zur Bildung von Lagen mit darin befindlichen Vertiefungen, die Pixel bilden, in denen das elektrolumineszierende Material durch Tintenstrahldrucken abgeschieden wird. Für die die Vertiefungen ausbildenden Lagen sind verschiedene Strukturen vorgeschlagen worden.
In der WO 2005/076386 sind hinterschnittene vertiefungsbildende Lagen offenbart, die aus einer einzelnen Schicht eines Resists gebildet sind. Man hat herausgefunden, dass hinterschnittene Lagen dahingehend nützlich sein können, die Eingrenzung von aus einer Lösung abgeschiedenem Material in den Vertiefungen zu verbessern. Darüber hinaus ist bei den hinterschnittenen Lagen die Gleichförmigkeit der Materialdünnschicht verbessert, die bei Trocknung der Lösung entsteht. Bei solch hinterschnittenen Lagen besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass oftmals die Bildung einer durchgehenden Materialschicht gewünscht ist, wie zum Beispiel einer Elektrodenschicht über den oberen Bereichen der Vertiefungen. Die hinterschnittene Struktur der Lagen kann Bruchstellen an solch einer darüberliegenden Schicht im Bereich der Ränder der Vertiefungen verursachen, was zu Kurzschlussproblemen führt.
WO 2007/023272 offenbart eine Vertiefung, die durch eine organische Lagenschicht gebildet ist, welche über einer anorganischen, dielektrischen Abstandsschicht angeordnet ist, bei der die organische Lagenschicht über die anorganische dielektrische Abstandsschicht ragt, um eine überhängende Stufenstruktur um den Rand der Vertiefung zu bilden, wie in 5 von WO 2007/023272 gezeigt ist. Diese Struktur wird in einem zweistufigen Prozess gebildet, indem zuerst die organische Lagenschicht strukturiert wird (durch Belichten mit UV-Licht, Entwickeln und Spülen), und dann das anorganische dielektrische Material vom Grund der Vertiefung weggeätzt wird (unter Einsatz eines geeigneten Ätzmittels für das anorganische dielektrische Material), bis sich an den Seiten der Vertiefung die überhängende Stufenstruktur bildet. Es ist beschrieben, dass die organische Lage eine Ätzmaske für den zweiten Schritt des Ätzens des anorganischen dielektrischen Materials bereitstellt. Nach einer alternativen Ausführungsform, die in den 17a bis 17c der WO 2007/023272 gezeigt ist, kann anstelle der Bildung einer überhängenden oder negativen Stufenstruktur um die Ränder der Vertiefung in einem dreistufigen Prozess eine positive Stufenstruktur gebildet werden, indem zuerst die Lagenschicht strukturiert wird, dann das anorganische dielektrische Material vom Grund der Vertiefung weggeätzt wird, und schließlich weiteres Material vom Rand der Lagenschicht um den Umfang der Vertiefung herum entfernt wird, um den Rand der darunterliegenden anorganischen dielektrischen Schicht freizulegen, so dass die anorganische dielektrische Schicht und die Lagenschicht eine positive Stufenstruktur bilden, wobei der Rand der Lagenschicht gegenüber dem Rand der anorganischen dielektrischen Schicht zurückgesetzt ist. Die obere Lagenschicht in den vorstehend erwähnten Ausführungsformen der WO 2007/023272 hat ein positives Profil, so dass eine durchgehende Materialschicht wie zum Beispiel eine Elektrodenschicht auf den oberen Bereichen der Vertiefungen abgeschieden werden kann, ohne dass im Bereich um die Ränder der Vertiefungen Bruchstellen auftreten. Durch die zur Herstellung dieser Lagenstrukturen beschriebenen mehrstufigen Prozesse erhöht sich jedoch die Herstellungsdauer und Komplexität, womit die Kosten in die Höhe steigen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Bauelemente und Herstellungsverfahren zu verbessern.
Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Basisteils mit Schaltungselementen; Bilden einer Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist; und Abscheiden einer Lösung aus organischem Material in einer durch die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefung, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet wird, indem zur Ausbildung der Vertiefung in einem einzigen Bearbeitungsschritt von der ersten und zweiten Schicht Material entfernt wird, und wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die bei dem einzigen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten haben, wodurch aufgrund des Unterschieds der Abtragraten der Materialien der ersten und zweiten Schicht um einen Randbereich der Vertiefung herum eine Stufenstruktur gebildet wird.
Der Anmelder hat erkannt, dass, während Doppellagen-Stufenstrukturen zur Eingrenzung von aus einer Lösung abgeschiedenem organischen Material vorteilhaft sein können, die mehreren, zur Bildung solcher Strukturen erforderlichen Schritte die Herstellungszeit verlängern, die Komplexität vergrößern und somit die Kosten in die Höhe treiben können. Bei dem vorstehend erläuterten Stand der Technik werden Doppellagen-Stufenstrukturen z. B. in einem Prozess mit mindestens zwei Schritten gebildet, bei dem das Material der ersten und zweiten Schicht in separaten Bearbeitungsschritten entfernt wird. Im Stand der Technik ist auch offenbart, dass zur Entfernung von weiterem Material von der oberen Schicht der Doppellagenstruktur ein dritter Schritt eingesetzt werden kann, um eine positive Stufenstruktur mit freiliegenden Rändern der unteren Schicht zu bilden.
Nach Feststellung dieses Problems hat der Anmelder erkannt, dass durch die Auswahl von geeigneten Materialien für die beiden Lagenschichten und durch Auswahl einer geeigneten Abtragtechnik für die beiden Schichten eine Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet werden kann, indem in einem einzigen Bearbeitungsschritt Material von der ersten und zweiten Schicht entfernt wird, wobei sich aufgrund eines Unterschieds in Bezug auf die Abtragrate des Materials der ersten und zweiten Schicht eine Stufenstruktur bildet. Demzufolge kann eine Doppellagen-Stufenstruktur unter Vermeidung mehrerer Bearbeitungsschritte gebildet werden, wodurch sich die Herstellungszeit, die Komplexität und die Kosten verringern.
Dies steht in Gegensatz zu Anordnungen aus dem Stand der Technik, wie zum Beispiel den in WO 2007/023272 beschriebenen, bei denen die organische Lagenschicht und die anorganische Abstandsschicht zu deren Entfernung bei Bildung einer Vertiefung verschiedene Bearbeitungsschritte erfordern. Die organische Schicht wird durch Belichtung mit UV-Licht entfernt und dann entwickelt. Bei diesem Prozess wird das anorganische Material der darunterliegenden Schicht nicht entfernt. Das anorganische Material wird unter Einsatz eines anorganischen Ätzmittels entfernt, das wiederum nichts von der darüberliegenden organischen Schicht abträgt, die so beschrieben ist, dass sie als Ätzmaske wirkt. In diesem Sinne sind die Materialien der Lagen- und Abstandsschicht gemäß WO 2007/023272 orthogonal, was das genaue Gegenteil der vorliegenden Erfindung ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, wenn die erste Schicht aus Lagenmaterial schneller entfernt wird als die zweite Lagenschicht, eine überhängende oder negative Stufenstruktur gebildet werden, bei der die zweite Schicht über den Rand der ersten Schicht hinaus ragt. Alternativ dazu kann, wenn die erste Schicht aus Lagenmaterial langsamer entfernt wird als die zweite Lagenschicht, eine positive Stufenstruktur gebildet werden, bei der der Rand der zweiten Schicht gegenüber dem Rand der ersten Schicht zurückgesetzt ist.
Der Anmelder hat eine ganze Reihe von möglichen Materialien und Verfahren zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung ausgemacht. Bei den Materialien der ersten und zweiten Schicht kann es sich um anorganische oder organische Materialien handeln. Das Material in einer der Schichten kann eine vernetzte Matrix aufweisen, und das Material in der jeweils anderen Schicht kann ohne Vernetzung sein. Die Vernetzung erhöht den Widerstand gegenüber einem Materialabtrag, so dass die Schicht ohne Vernetzung schneller entfernt wird als die Schicht mit Vernetzung. Alternativ dazu können beide Schichten vernetzt sein, wobei das Ausmaß der Vernetzung in jeder Schicht anders sein kann. Die Schicht mit einem niedrigeren Grad an Vernetzung wird leichter entfernt, und das Ausmaß der Vernetzung in jeder Schicht kann auf den Erhalt einer gewünschten Größe der Stufenstruktur abgestimmt sein. So führt zum Beispiel ein großer Unterschied in Bezug auf das Ausmaß der Vernetzung jeder Schicht zu einer Struktur mit einer größeren Stufe, wohingegen ein kleinerer Unterschied im Ausmaß der Vernetzung in jeder Schicht zu einer Struktur mit einer kleineren Stufe führt. Das Ausmaß der Vernetzung lässt sich steuern, indem die Anzahl von vernetzungsfähigen Gruppen in den Materialien abgestimmt wird und/oder die Vernetzungsbedingungen, wie z. B. die Wärmemenge und/oder der Grad der Belichtung mit UV-Licht gesteuert werden.
Als Alternative zur Verwendung verschiedener Vernetzungsgrade können für die Lagenschichten zwei verschiedene Materialien ausgewählt werden, die naturgemäß ein unterschiedliches Ansprechvermögen auf den Bearbeitungsschritt zur Entfernung der Materialschichten bei Ausbildung der Doppellagenstruktur haben. So sind zum Beispiel einige organische Materialien weicher und werden leichter entfernt, als es bei anderen organischen Materialien der Fall ist.
Bei den für die beiden Lagenschichten verwendeten Materialien kann es sich um Polymere handeln. Die Polymere können vernetzt sein und/oder verschiedene Grundeinheiten aufweisen, derart, dass sie ein naturgemäß unterschiedliches Ansprechverhalten auf den Bearbeitungsschritt zur Entfernung der Materialschichten haben, wenn die Doppellagenstruktur wie vorstehend beschrieben gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich können die für die beiden Lagenschichten verwendeten Polymere einen unterschiedlichen Polymerisationsgrad aufweisen. Allgemein werden Polymere mit einem niedrigen Polymerisationsgrad leichter entfernt als Polymere mit einem höheren Polymerisationsgrad.
Der Schritt der Bildung der Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur kann umfassen: Abscheiden der ersten Schicht aus Isoliermaterial über dem Basisteil; Ausheizen der ersten Schicht aus Isoliermaterial; Abscheiden der zweiten Schicht aus Isoliermaterial darüber; und Ausheizen der zweiten Schicht vor dem Abtrag von Material von der ersten und zweiten Schicht zur Bildung einer Vertiefung. Die Ausheizschritte werden vorgesehen, um die Schichten widerstandsfähiger zu machen und jegliches Lösungsmittel zu entfernen, wenn die Schichten aus einer Lösung heraus abgeschieden werden. Diese Technologie kann auch bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Der Anmelder hat jedoch erkannt, dass bei Ausheizen der zweiten Schicht die erste Schicht zwangsläufig einem weiteren Ausheizvorgang ausgesetzt wird. Als solche wird die erste Schicht einer längeren Ausheizdauer ausgesetzt als die zweite Schicht, und dies kann ihren Widerstand gegenüber dem Abtragschritt in Bezug auf die zweite Schicht erhöhen. Während dies bei Ausführungsformen, bei denen für die Doppellagenstruktur eine positive Stufe erwünscht ist, kein Problem darstellt, kann es bei Ausbildung einer überhängenden Struktur durchaus ein Problem geben. Dieses zusätzliche Erwärmen der ersten Schicht kann dadurch ausgeglichen werden, dass für die erste Schicht ein Material gewählt wird, das sich noch leichter entfernen lässt als das Material der zweiten Schicht, selbst nach einem zusätzlichen Ausheizvorgang. Alternativ dazu kann der erste Ausheizschritt in Bezug auf Zeit und/oder Temperatur zurückgefahren werden, oder vollständig entfallen. Der zweite Ausheizschritt kann alternativ oder zusätzlich in Bezug auf die Dauer oder Temperatur ausgedehnt werden, so dass der relative Beitrag des ersten Ausheizens (sofern vorhanden) zur Widerstandsfähigkeit der ersten Schicht vermindert ist.
Nach bestimmten Ausführungsformen kann die Temperatur für das erste Ausheizen im Bereich von 80° bis 180° liegen, bevorzugter im Bereich von 100° bis 160°, noch bevorzugter im Bereich von 120° bis 140°, und kann am meisten bevorzugt bei ungefähr 130° liegen. Die Dauer des ersten Ausheizvorgangs kann im Bereich von 200 bis 400 Sekunden, bevorzugter im Bereich von 250 bis 350 Sekunden, noch bevorzugter im Bereich von 280 bis 320 Sekunden liegen, und kann am meisten bevorzugt ungefähr 300 Sekunden betragen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Temperatur für das zweite Ausheizen im Bereich von 60° bis 160°, bevorzugter im Bereich von 80° bis 140°, noch bevorzugter im Bereich von 100° bis 120° liegen, und am meisten bevorzugt ungefähr 115° betragen. Die Dauer des zweiten Ausheizvorgangs kann im Bereich von 250 bis 450 Sekunden, bevorzugter im Bereich von 300 bis 400 Sekunden, noch bevorzugter im Bereich von 340 bis 380 Sekunden liegen, und am meisten bevorzugt ungefähr 360 Sekunden betragen.
Nach Abtragen von Material von der ersten und zweiten Schicht zur Bildung einer Vertiefung kann ein dritter Ausheizschritt vorgesehen sein. Dieser letzte Ausheizschritt dauert üblicherweise länger an als der erste und zweite Ausheizschritt und kann in der Länge der Summe aus dem ersten und zweiten Ausheizschritt ähnlich sein. Die Temperatur des dritten Ausheizschritts kann dieselbe sein wie bei dem zweiten Ausheizschritt oder annähernd dieselbe. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Temperatur für den dritten Ausheizvorgang im Bereich von 60° bis 160°, bevorzugter im Bereich von 80° bis 140°, noch bevorzugter im Bereich von 100° bis 120° liegen, und am meisten bevorzugt ungefähr 115° betragen. Die Dauer des dritten Ausheizvorgangs kann im Bereich von 400 bis 800 Sekunden liegen, bevorzugter im Bereich von 500 bis 700 Sekunden, noch bevorzugter im Bereich von 550 bis 650 Sekunden, und kann am meisten bevorzugt ungefähr 600 Sekunden betragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Techniken für den einzigen Abtragschritt verwendet werden. So kann zum Beispiel ein durch Lichteinwirkung strukturierbares Material wie etwa ein positiver Fotoresist für die zweite Schicht verwendet werden, der dann mit UV-Licht belichtet wird, um die Schicht zu strukturieren. Anschließend kann ein Entwickler verwendet werden, um belichtete Abschnitte der zweiten Schicht und darunterliegende Bereiche der ersten Schicht zu entfernen. Wenn das Material der ersten Schicht so ausgewählt ist, dass es durch den Entwickler schneller entfernt wird als das mit UV belichtete Material der zweiten Schicht, kann eine überhängende Struktur gebildet werden. Die Entwicklungsdauer kann verlängert werden, um zur Bildung der überhängenden Struktur eine ausreichende Zeitspanne zuzugestehen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Entwicklungsdauer im Bereich von 40 bis 120 Sekunden, bevorzugter im Bereich von 60 bis 100 Sekunden, und noch bevorzugter im Bereich von 70 bis 90 Sekunden liegen. Der Entwickler kann zum Beispiel durch Sprühen aufgetragen werden. Die Auftragsmenge des Entwicklers kann im Bereich von 300 bis 1000 ml pro Minute, bevorzugter im Bereich von 400 bis 900 ml pro Minute, und noch bevorzugter im Bereich von 500 bis 800 ml pro Minute liegen. Die Auftragsmenge des Entwicklers kann während des Auftrags variiert werden. Insbesondere kann die Menge, die zum Entfernen der oberen Lagenschicht verwendet wird, eine andere sein als die Menge, die zur Entfernung der unteren Lagenschicht verwendet wird. Der Entwickler kann anfänglich bei Entfernung der oberen Lagenschicht zum Beispiel mit einer geringeren Menge aufgetragen werden, und dann zum Entfernen der unteren Lagenschicht mit einer höheren Menge. Die anfängliche geringere Menge kann für eine längere Zeitspanne bestehen als die darauf folgende, höhere Auftragsmenge. So kann zum Beispiel zunächst für eine Zeitspanne von 50 bis 70 Sekunden eine Menge von 450 bis 550 ml pro Minute angewendet werden, und dann für eine weitere Zeitspanne von 15 bis 30 Sekunden eine Menge von 700 bis 800 ml pro Minute.
Wenn das Material der ersten Schicht so ausgewählt ist, dass es mit einer langsameren Rate entfernt werden kann als das mit UV belichtete Material der zweiten Schicht, dann kann eine positive Stufenstruktur gebildet werden.
Als Alternative zu dem vorstehend erwähnten positiven Fotoresist kann für die zweite Schicht ein negativer Fotoresist verwendet werden. In diesem Fall werden nach Belichtung mit UV-Licht durch den Entwickler unbelichtete Bereiche der zweiten Schicht und darunterliegende Bereiche der ersten Schicht entfernt.
Als weitere Alternative kann es sich bei dem Material der zweiten Schicht um ein Material handeln, das nicht durch Lichteinwirkung strukturiert werden kann. In diesem Fall kann über der zweiten Schicht aus Lagenmaterial eine strukturierte Maskenschicht gebildet werden. Freiliegende Abschnitte der zweiten Schicht und darunterliegende Bereiche der ersten Schicht können dann mittels eines geeigneten Abtragprozesses wie zum Beispiel Nassätzen, Trockenätzen oder Auflösen in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden. Nach Bildung der gestuften Doppellagenstruktur kann die Maske abgenommen werden.
Die Ränder der einzelnen Schichten in der Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur können vertikal sein oder ein positives oder negatives Profil haben. Eine besonders bevorzugte Anordnung umfasst eine überhängende zweite Schicht, die ein positives Randprofil hat. Bei dieser Anordnung sind durch die überhängende Struktur gute Dünnschichtbildungseigenschaften für organisches Material geschaffen, das aus der Lösung heraus in der Vertiefung abgeschieden wird. Gleichzeitig ist das positive Randprofil der zweiten Lagenschicht vorteilhaft in Bezug auf die darüber stattfindende Abscheidung einer nachfolgenden Schicht bzw. mehrerer nachfolgender Schichten zur Ausbildung einer durchgehenden Schicht ohne irgendwelche darin befindliche Bruchstellen an den Vertiefungsrändern. Bei organischen lichtemittierenden Bauelementen mit aktiver Matrix wird zum Beispiel eine Kathodenschicht über einer Matrix aus Vertiefungen abgeschieden, wobei es hier erwünscht ist, dass die Kathode eine durchgehende Schicht bildet. Die vorstehend erwähnte Doppellagenstruktur ist für eine solche Anwendung ideal.
Die zweite Lagenschicht hat vorzugsweise eine geringere Benetzbarkeit als die erste Lagenschicht. Die zweite Schicht ist aus einem Material gebildet, das selbst eine geringe Benetzbarkeit (einen hohen Kontaktwinkel) hat und eine separate und unterschiedliche Schicht bildet, im Gegensatz zu einer behandelten Oberfläche der ersten Schicht, bei der die chemische Beschaffenheit der Oberfläche der ersten Schicht modifiziert ist. Dadurch ist die Notwendigkeit solcher Oberflächenbehandlungen vermieden, die diverse, damit einhergehende Probleme aufwerfen, einschließlich einer Instabilität und Beschädigung einer darunterliegenden Schaltungsanordnung.
Das organische Material kann die aktive Schicht eines OTFT oder eine aktive Schicht einer OLED bilden.
Im Falle eines OTFT umfassen die Schaltungselemente des Basisteils Source- und Drain-Elektroden, über denen die Doppellagenstruktur angeordnet ist, wobei zwischen der Source- und Drain-Elektrode ein Kanalbereich definiert ist. Für einen OTFT mit unterseitigem Gate weist das Basisteil auch eine Gate-Elektrode mit einem darüber angeordneten Gate-Dielektrikum auf, wobei die Source- und Drain-Elektrode über dem Gate-Dielektrikum angeordnet sind.
Bei einer OLED umfassen die Schaltungselemente des Basisteils eine untere Elektrode der OLED. Bei einer OLED-Anzeigeeinheit mit aktiver Matrix weisen die Schaltungselemente des Basisteils auch einen OTFT auf, der seinerseits unter Verwendung einer Doppellagenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sein kann.
Das organische Material kann ein leitendes oder halbleitendes Material sein und in einer wässrigen Lösung oder alternativ einem organischen Lösungsmittel abgeschieden werden. Das Tintenstrahldrucken ist das bevorzugte Verfahren zur Abscheidung der Lösung aus organischem halbleitenden Material in den Vertiefungen, die durch die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet sind. Wird jedoch eine Doppellagenstruktur verwendet, bei der die obere Schicht eine sehr geringe Benetzbarkeit (einen sehr hohen Kontaktwinkel) hat, sind auch andere auf Lösungstechnologie beruhende Verarbeitungstechniken möglich. Die Lösung kann über dem Substrat zum Beispiel in einer weniger scharf abgegrenzten Art und Weise abgeschieden werden, z. B. durch Schwalldruck, wobei durch die einen sehr hohen Kontaktwinkel aufweisende obere Schicht der Lagenstruktur gewährleistet ist, dass die Lösung in die Vertiefungen fließt, so dass von ihr nichts mehr auf der Lagenstruktur verbleibt.
Die erste und zweite Schicht der Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur sind vorzugsweise aus einem organischen Material gebildet, am meisten bevorzugt aus Polymermaterialien. Der Anmelder hat herausgefunden, dass bestimmte fluorierte Polymere wie zum Beispiel Cytop einen viel höheren Kontaktwinkel aufweisen und somit eine viel geringere Benetzbarkeit haben als andere fluorierte Polymere, zum Beispiel größer als 80°. Der Anmelder hat herausgefunden, dass diese Polymere mit sehr hohem Kontaktwinkel gewisse Nachteile bei der Verwendung in Lagenstrukturen mit einer einzigen Schicht haben, wie zum Beispiel denen, die in US 2007/0023837 beschrieben sind, d. h. sie führen zu Dünnschichten innerhalb der Vertiefungen, die in ihrer Dicke ungleichmäßig sind, wie vorstehend beschrieben ist. Der Anmelder hat aber herausgefunden, dass sie zur Verwendung als obere Schicht in einer Doppellagenstruktur ideal sind.
Der Kontaktwinkel der zweiten Schicht aus Isoliermaterial ist vorzugsweise sogar noch höher, z. B. größer als 100°. Beispiele für Materialien mit sehr hohem Kontaktwinkel umfassen Cytop-artige Materialien von Aldrich. Ein Beispiel eines Cytop-artigen Materials ist Poly-1,1,2,4,4,5,5,6,7,7-decafluor-3-oxa-1,6-heptadien, das einen Kontaktwinkel von ungefähr 135° hat. Dieses Material kann in einer Menge von 8–10 Gew.-% in einem Lösungsmittel aus Perfluortrialkylamin vorgesehen werden, das 90–92 Gew.-% der Lösung ausmacht. Solche Materialien haben sich zur Abscheidung von organischem Material aus einer wässrigen Lösung, zum Beispiel aus wässrigen Lösungen aus leitfähigen Polymeren, insbesondere Löcherinjektionspolymeren wie zum Beispiel PEDOT, als besonders nützlich erwiesen. Derartige Materialien sind auch zur Abscheidung eines organischen Materials aus organischen Lösungsmitteln nützlich. Als solche kann eine Doppellagenstruktur mit einer zweiten Schicht aus einem derartigen Material zum Beispiel bei Abscheidung einer Löcherinjektionsschicht aus einer wässrigen Lösung und einer lichtemittierenden Schicht aus einem organischen Lösungsmittel verwendet werden.
Der Anmelder hat erkannt, dass es zur Bildung der zweiten Schicht der Doppellagenstruktur besonders vorteilhaft ist, eine Lösung zu verwenden, die ein fluoriertes Polymer und ein fluoriertes Lösungsmittel umfasst.
Ein anderes Problem, das der Anmelder ausgemacht hat, ist das Problem der schlechten Adhäsion zwischen den beiden Materialschichten in der Doppellagenstruktur. Dementsprechend erachtet es der Anmelder als vorteilhaft, zwischen den beiden Schichten eine Klebeschicht vorzusehen, zum Beispiel ein Klebeharz. Dieses kann vor der Abscheidung der zweiten Schicht auf der ersten Schicht der Lagenstruktur zum Beispiel durch Schleuderbeschichten abgeschieden werden.
Der Anmelder hat darüber hinaus festgestellt, dass durch das Ausheizen die Benetzbarkeit der zweiten Schicht des Lagenmaterials herabgesetzt werden kann. Als solches hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, vor der Abscheidung von organischem Material aus einer Lösung einen Ausheizschritt vorzusehen. Das Ausheizen kann bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 250°C, bevorzugter in einem Bereich von 170 bis 210°C, am meisten bevorzugt in einem Bereich von 180 bis 200°C stattfinden. Das Ausheizen findet vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre wie zum Beispiel einer N₂-Atmosphäre statt. Für ein organisches lichtemittierendes Bauelement kann vor dem Ausheizen ein Löcherinjektionsmaterial wie zum Beispiel PEDOT abgeschieden werden, so dass die Löcherinjektionsschicht und die Lagenstruktur vor der Abscheidung des organischen lichtemittierenden Materials in den Vertiefungen gleichzeitig ausgeheizt werden.
Noch ein weiteres Problem, das der Anmelder ausgemacht hat, besteht darin, dass es nach Bildung der Vertiefungen in einer Lagenstruktur wünschenswert ist, einen Reinigungsschritt wie beispielsweise eine O₂-Plasmabehandlung vorzusehen. Durch einen solchen Schritt werden die Oberflächen in den Vertiefungen gereinigt und die Benetzbarkeit dieser Oberflächen vor der darin stattfindenden Abscheidung eines organischen Materials erhöht. Der Anmelder hat jedoch herausgefunden, dass durch einen solchen Schritt die Benetzbarkeit von Oberflächen der Lage stark erhöht wird, die vorher zum Beispiel einer Behandlung mit auf Fluor basierendem Plasma unterzogen wurden, um deren Benetzbarkeit herabzusetzen. Tatsächlich können Kontaktwinkel einer solchen behandelten Oberfläche nach einem Reinigungsschritt auf unter 10° abfallen. Wenn die Eingrenzung von organischem Material in den Vertiefungen von Belang ist, dann wäre ein solcher Reinigungsschritt zu vermeiden. Dagegen hat der vorliegende Anmelder festgestellt, dass bei Verwendung einer Doppellagenstruktur mit einer zweiten Schicht mit inhärent geringer Benetzbarkeit der Reinigungsschritt ausgeführt werden kann, während dabei gute Abweisungseigenschaften über die Lage hinweg beibehalten werden. So bleibt zum Beispiel der Kontaktwinkel für Cytop-artige Materialien selbst nach einem Reinigungsschritt mit O₂-Plasma bei über 100°.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet der vorstehend beschriebene Ausheizschritt nach dem Reinigungsschritt und vor der Abscheidung der Lösung aus organischem Material in durch die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefungen statt. Man hat festgestellt, dass durch den Ausheizschritt eine mit geringer Benetzbarkeit ausgestattete Oberfläche auf der Lage nach dem Reinigen mit z. B. einem O₂-Plasma regeneriert werden kann.
Die überhängenden Strukturen oder Strukturen mit positiver Stufe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gestatten es, dass die Vertiefungen mit der Lösung überfüllt werden. Bei solchen Strukturen können auch zwei verschiedene Einleitpunkte für verschiedene, in den Vertiefungen abgeschiedene Fluide vorgesehen sein, einer an einem Rand der ersten Schicht um die Vertiefung herum, und einer an einem Rand der zweiten Schicht. Dadurch kann zum Beispiel sichergestellt werden, dass beim Trocknen ein zweites, in den Vertiefungen abgeschiedenes Material, ein erstes, in den Vertiefungen abgeschiedenes Material vollständig bedeckt, insbesondere im Bereich der Ränder der Vertiefungen. Die verschiedenen Fluide können so ausgewählt sein, dass sie ein unterschiedliches Benetzungspotential haben; so kann zum Beispiel eines der Fluide eine wässrige Lösung sein und das andere Fluid ein organisches Lösungsmittel enthalten.
Die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur kann getrennte Ringe umfassen, die den Randbereich von zumindest einer Vertiefung definieren, ohne sich bis zum Randbereich von benachbarten Vertiefungen zu erstrecken. Diese sogenannte „Ringlagen”-Anordnung umfasst mehrere separate Ringe aus Lagenmaterial und ist in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung PCT/ GB2007/003595 des Anmelders beschrieben. Diese Anordnung steht im Kontrast zu einer herkömmlichen Lagenstruktur, bei der es sich grundsätzlich um einen durchgehenden Flächenkörper mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern (Vertiefungen) handelt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, das umfasst: ein Basisteil mit Schaltungselementen; eine Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist; und eine Schicht aus einem in Lösungstechnologie verarbeitbaren, organischen Material in einer durch die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefung, wobei die erste und zweite Schicht aus Isoliermaterial eine Stufenstruktur um einen Randbereich der Vertiefung bilden, wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die durch einen einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt entfernt werden können und dazu angepasst sind, in Bezug auf den einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten zu haben.
Bei der ersten und zweiten Schicht kann es sich sowohl um eine organische als auch anorganische Schicht handeln, derart, dass sie durch einen einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt entfernt werden können, im Gegensatz zu einer Herstellung aus orthogonalen Materialien wie zum Beispiel der in WO 2007/023272 offenbarten Kombination aus anorganischem/organischem Material. Die Materialien sind so angepasst, dass sie in Bezug auf den einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt verschiedene Abtragraten haben, indem sie zum Beispiel verschiedene Vernetzungsgrade aufweisen. Somit kann die gestufte Doppellagenstruktur gebildet werden, indem der einzige, gemeinsame Bearbeitungsschritt verwendet wird. Ausführungsformen des zweiten Aspekts können beliebige Merkmale aufweisen, die vorstehend mit Bezug auf den ersten Aspekt erläutert wurden, und können dieselben damit einhergehenden Vorteile aufweisen, d. h. eine verringerte Herstellungszeit, reduzierte Komplexität und verringerte Kosten.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist ein organischer Dünnschichttransistor oder ein organisches lichtemittierendes Bauelement bereitgestellt, das gemäß den vorstehend beschriebenen Strukturen und Verfahren hergestellt ist. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist ein organisches optisches Bauelement mit aktiver Matrix und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitgestellt, bei dem gemäß den vorstehend beschriebenen Strukturen und Verfahren ein organischer Dünnschichttransistor und ein organisches lichtemittierendes Bauelement bereitgestellt werden.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Substrats für ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Basisteils mit Schaltungselementen; und Bilden einer Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur eine Vertiefung bildet und eine erste Schicht aus Isoliermaterial und eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet wird, indem zur Ausbildung der Vertiefung in einem einzigen Bearbeitungsschritt Material von der ersten und zweiten Schicht entfernt wird, und wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die bei dem einzigen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten haben, wodurch aufgrund des Unterschieds der Abtragraten der Materialien der ersten und zweiten Schicht um einen Randbereich der Vertiefung herum eine Stufenstruktur gebildet wird.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Substrat für ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, wobei das elektronische Substrat umfasst: ein Basisteil mit Schaltungselementen; und eine Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur eine Vertiefung bildet und eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist, wobei die erste und zweite Schicht eine Stufenstruktur um einen Randbereich der Vertiefung bilden, wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die durch einen einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt entfernt werden können und dazu angepasst sind, in Bezug auf den einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten zu haben.
Elektronische Substrate gemäß Ausführungsformen des dritten und vierten Aspekts können entsprechend den vorstehend beschriebenen Strukturen und Verfahren je nach den erforderlichen Spezifikationen hergestellt und dann verpackt und zur weiteren Verarbeitung zur Bildung elektronischer Bauelemente an Bauelementehersteller verkauft werden.
Zusammenfassung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt eine bekannte organische Dünnschichttransistoranordnung mit oberseitigem Gate;
2 zeigt eine bekannte organische Dünnschichttransistoranordnung mit unterseitigem Gate;
3 zeigt eine organische Dünnschichttransistoranordnung mit unterseitigem Gate und einer Vertiefung, um den organischen Halbleiter aufzunehmen;
4 zeigt eine organische Dünnschichttransistoranordnung mit oberseitigem Gate und einer Vertiefung, um den organischen Halbleiter aufzunehmen;
5 zeigt ein unterseitig emittierendes, organisches lichtemittierendes Bauelement gemäß dem Stand der Technik;
5b zeigt eine unterseitig emittierende, organische lichtemittierende Anzeige nach dem Stand der Technik;
6 zeigt ein oberseitig emittierendes, organisches lichtemittierendes Bauelement gemäß dem Stand der Technik;
7 zeigt eine Doppellagenstruktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt die Verfahrensschritte, die bei der Bildung einer Doppellagenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beteiligt sind;
9 zeigt eine Doppellagenstruktur mit einem positiven Stufenprofil, das unter Einsatz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gebildet werden kann;
10 stellt einen Abschnitt einer organischen lichtemittierenden Anzeige mit aktiver Matrix dar, die einen organischen Dünnschichttransistor und ein organisches lichtemittierendes Bauelement umfasst; und
11 stellt einen Abschnitt einer anderen organischen lichtemittierenden Anzeigeanordnung mit aktiver Matrix dar, die einen organischen Dünnschichttransistor und ein organisches lichtemittierendes Bauelement umfasst.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf gedruckte elektronische Bauelemente, die eine strukturierte Vertiefungen bildende Lagenstruktur aufweisen, und auf Verfahren zu deren Herstellung. Eine Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur wird hergestellt, indem Material von einer ersten und zweiten Lagenstruktur in einem einzigen Bearbeitungsschritt entfernt wird, wobei aufgrund eines Unterschieds der Abtragrate des Materials der ersten und zweiten Schicht eine Stufenstruktur entsteht.
7 zeigt eine Doppellagenstruktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Doppellagenstruktur ist auf einem elektronischen Substrat 701 angeordnet und umfasst eine untere Schicht 700 und eine obere Schicht 702. Die obere Schicht 702 hat ein positives Profil und steht auch über die untere Schicht 700 vor.
8 zeigt die Verfahrensschritte, die bei der Bildung einer Doppellagenstruktur gemäß der Ausführungsform von 7 beteiligt sind. Zuerst wird ein Resist 800, der für UV-Licht nicht empfindlich ist, auf ein elektronisches Substrat 801 durch Schleuderbeschichten aufgebracht und unter milden Bedingungen ausgeheizt (8A). Dann wird ein positiver Fotoresist 804 durch Schleuderbeschichten aufgebracht und unter milden Bedingungen ausgeheizt (8B). Die obere Schicht wird dann strukturiert, indem sie mit UV-Licht bestrahlt wird (z. B. mit einer Dosis von 100 mJ/cm²) und mit einem Entwickler entwickelt wird. Durch diesen Prozess entsteht ein positives Profil an der oberen Schicht 804 (8C), und durch Fortführen des Entwicklungsschritts wird die darunterliegende untere Schicht 800 schneller entfernt, wodurch ein negatives oder überhängendes Stufenprofil entsteht, um Flüssigkeit aufzunehmen (8D).
Die Höhe H des Hinterschnitts ist proportional zur Schleudergeschwindigkeit, die zur Abscheidung der unteren Lagenschicht verwendet wird. Die Länge L des Hinterschnitts kann mittels eines zusätzlichen Ausheiz- und Entwicklungsschritts gesteuert werden. Durch Verändern des Materials der oberen Lagenschicht können die Neigung, die Höhe und der Kontaktwinkel der Lage verändert werden.
In 8 haben die untere wie auch die obere Lagenschicht einzeln betrachtet einen Rand mit einem positiv angestellten Profil. Jede dieser Schichten kann jedoch separat andere Formen und Winkel haben. So kann zum Beispiel die Wand der Vertiefung, die durch die erste Lagenschicht 800 gebildet ist, einen hinterschnittenen Rand, einen vertikalen Rand oder einen Rand mit einem positiven Profil haben. In ähnlicher Weise kann die zweite Lagenschicht 804 einen hinterschnittenen Rand, einen vertikalen Rand oder einen Rand mit einem positiven Profil haben.
Beispiele für geeignete Materialien für die untere Lagenschicht umfassen: einen Resist der Reihe Micro chem. LOR A; einen Resist der Reihe Micro chem. LOR B; einen Resist Micro chem. SF lift off; und einen Resist Micro chem. SF slow lift off.
Beispiele für geeignete Materialien für die obere Lagenschicht umfassen: Cytop, über Lichteinwirkung strukturierbar; einen negativen Resist Zeon 1168X; und Resiste der Reihe Shipley 1800.
Die untere Lagenschicht kann eine Dicke im Bereich von 100 bis 300 nm, bevorzugter im Bereich von 150 bis 250 nm haben, und am meisten bevorzugt kann sie ungefähr 200 nm dick sein. Die obere Lagenschicht kann eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 Mikrometer haben.
Ein Beispiel eines geeigneten Entwicklers ist der Entwickler Rockwood 238s mit einer Konzentration von 2 bis 3% TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid). Der Entwicklungsschritt kann abgeschlossen werden, indem das Substrat mit destilliertem Wasser gespült wird.
9 zeigt eine Doppellagenstruktur auf einem Substrat 901 nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine positive Stufenstruktur um die Vertiefungen herum aufweist. Bei einer solchen Struktur sind zwei verschiedene Einleitpunkte für verschiedene in den Vertiefungen abgeschiedene Fluide vorgesehen, und zwar einer an einem Rand 906 der ersten Schicht 900 um die Vertiefung 902 und einer an einem Rand 908 der zweiten Schicht 904, der von der Vertiefung 902 zurückgesetzt ist. Dadurch kann zum Beispiel gewährleistet sein, dass beim Trocknen ein zweites Material, das in den Vertiefungen abgeschieden ist, ein erstes, in den Vertiefungen abgeschiedenes Material vollständig bedeckt, insbesondere um die Ränder der Vertiefungen herum. Die verschiedenen Fluide können so ausgewählt sein, dass sie unterschiedliche Benetzungspotentiale haben; so kann zum Beispiel eines der Fluide eine wässrige Lösung sein und das andere Fluid kann ein organisches Lösungsmittel enthalten. Obwohl die Stufenstruktur in 9 mit vertikalen Wänden dargestellt ist, können verschiedene Formen und Winkel vorgesehen werden. So kann die Wand der Vertiefung, die durch die erste Lagenschicht 900 gebildet ist, hinterschnitten sein oder ein positives Profil haben. In ähnlicher Weise kann die zweite Lagenschicht 904 einen hinterschnittenen Rand oder einen Rand mit einem positiven Profil aufweisen.
Nachstehend werden Materialien und Prozesse, die sich zur Bildung eines OTFT gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eignen, näher beschrieben.
Substrat
Das Substrat kann starr oder flexibel sein. Starre Substrate können aus Glas oder Silizium ausgewählt sein, und flexible Substrate können dünne Gläser oder Kunststoffe wie Poly(ethylenterephthalat) (PET), Poly(ethylennaphthalat) PEN, Polycarbonat und Polyimid umfassen.
Organische Halbleitermaterialien
Das organische halbleitende Material kann durch Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels dazu gebracht werden, in Lösungstechnologie verarbeitbar zu sein. Beispielhafte Lösungsmittel umfassen: Mono- oder Polyalkylbenzole wie Toluol und Xylol; Tetralin; und Chloroform. Bevorzugte Lösungsabscheidungstechnologien umfassen das Schleuderbeschichten und Tintenstrahldrucken. Andere Lösungsabscheidungstechnologien umfassen das Tauchbeschichten, den Walzendruck und den Siebdruck.
Bevorzugte organische Halbleitermaterialien umfassen: kleinmolekulare Stoffe wie zum Beispiel optional substituiertes Pentacen; optional substituierte Polymere wie zum Beispiel Polyarylene, insbesondere Polyfluorene und Polythiophene; und Oligomere. Es können auch Materialgemische, einschließlich Gemische aus unterschiedlichen Materialarten (z. B. ein Gemisch aus einem Polymer und einem kleinmolekularen Stoff) verwendet werden.
Source- und Drain-Elektrode
Für einen p-Kanal-OTFT umfassen die Source- und Drain-Elektrode vorzugsweise ein Material mit hoher Austrittsenergie, vorzugsweise ein Metall mit einer Austrittsenergie von mehr als 3,5 eV, zum Beispiel Gold, Platin, Palladium, Molybdän, Wolfram oder Chrom. Bevorzugter noch hat das Metall eine Austrittsenergie im Bereich von 4,5 bis 5,5 eV. Andere geeignete Verbindungen, Legierungen und Oxide wie Molybdäntrioxid und Indiumzinnoxid können auch verwendet werden. Die Source- und Drain-Elektrode können durch thermische Verdampfung abgeschieden und mittels Standardfotolithografie- und Lift-off-Techniken strukturiert werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
Alternativ können als Source- und Drain-Elektrode leitfähige Polymere abgeschieden werden. Ein Beispiel für solch ein leitfähiges Polymer ist Poly(ethylendioxythiophen) (PEDOT), obwohl im Stand der Technik auch andere leitfähige Polymere bekannt sind. Solche leitfähigen Polymere können aus einer Lösung heraus abgeschieden werden, zum Beispiel unter Einsatz von Schleuderbeschichtungs- oder Tintenstrahldruckverfahren und anderen, vorstehend beschriebenen Lösungsabscheidungstechniken.
Bei einem n-Kanal-OTFT umfassen die Source- und Drain-Elektrode vorzugsweise ein Material, zum Beispiel ein Metall, mit einer Austrittsenergie von unter 3,5 eV wie zum Beispiel Kalzium oder Barium, oder eine dünne Schicht aus einer Metallverbindung, insbesondere ein Oxid oder Fluorid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, zum Beispiel Lithiumfluorid, Bariumfluorid und Bariumoxid. Alternativ können als Source- und Drain-Elektrode leitfähige Polymere abgeschieden werden.
Der leichteren Herstellung halber sind die Source- und Drain-Elektrode vorzugsweise aus demselben Material gebildet. Es sollte jedoch klar sein, dass zur Optimierung der Ladungsinjektion bzw. -extraktion die Source- und Drain-Elektrode aus verschiedenen Materialien gebildet werden können.
Die Länge des Kanals, der zwischen der Source- und Drain-Elektrode gebildet ist, kann bis zu 500 Mikrometer betragen; vorzugsweise beträgt die Länge jedoch unter 200 Mikrometer, noch bevorzugter unter 100 Mikrometer, und am meisten bevorzugt unter 20 Mikrometer.
Gate-Elektrode
Die Gate-Elektrode kann aus einer breiten Palette von leitenden Materialien gewählt werden und kann zum Beispiel aus einem Metall (z. B. Gold) oder einer Metallverbindung (z. B. Indiumzinnoxid) bestehen. Alternativ können als Gate-Elektrode leitfähige Polymere abgeschieden werden. Solche leitfähigen Polymere können aus einer Lösung abgeschieden werden, beispielsweise unter Einsatz von Schleuderbeschichtungs- oder Tintenstrahldruckverfahren und anderer, vorstehend erläuterter Lösungsabscheidungstechniken.
Die Dicken der Gate-Elektrode, der Source- und Drain-Elektrode können im Bereich von 5–200 nm liegen, obwohl sie typischerweise 50 nm betragen, gemessen beispielsweise mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM).
Gate-Dielektrikum
Das Gate-Dielektrikum umfasst ein dielektrisches Material, das aus Isoliermaterialien mit einem hohen spezifischen Widerstand ausgewählt ist. Die Dielektrizitätskonstante k des Dielektrikums liegt typischerweise bei ca. 2–3, obwohl Materialien mit einem hohen k-Wert wünschenswert sind, weil die für einen OTFT erzielbare Kapazitanz direkt proportional zu k, und der Drain-Strom I_D direkt proportional zur Kapazitanz ist. Somit sind zur Erzielung hoher Drain-Ströme bei geringen Betriebsspannungen OTFTs mit dünnen dielektrischen Schichten im Kanalbereich bevorzugt.
Das dielektrische Material kann ein organisches oder anorganisches Material sein. Bevorzugte anorganische Materialien umfassen SiO₂, SiNx und aufgeschleudertes Glas (SOG). Bevorzugte organische Materialien sind allgemein Polymere und umfassen isolierende Polymere wie etwa Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Acrylate wie zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA) und Benzocyclobutane (BCBs), erhältlich von Dow Corning. Die isolierende Schicht kann aus einem Gemisch aus Materialien gebildet sein oder eine mehrlagige Struktur aufweisen.
Das dielektrische Material kann durch thermische Verdampfung, Vakuumbearbeitung oder Laminierungstechniken abgeschieden werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Alternativ kann das dielektrische Material aus einer Lösung heraus abgeschieden werden, zum Beispiel unter Einsatz von Schleuderbeschichtungs- oder Tintenstrahldruckverfahren und weiterer, vorstehend erläuterter Lösungsabscheidungstechniken.
Wenn das dielektrische Material aus einer Lösung auf dem organischen Halbleiter abgeschieden wird, sollte dies nicht zu einer Auflösung des organischen Halbleiters führen. Gleichermaßen sollte das dielektrische Material nicht aufgelöst werden, wenn der organische Halbleiter aus einer Lösung auf ihm abgeschieden wird. Techniken zur Vermeidung eines solchen Auflösungsvorgangs umfassen: den Einsatz von orthogonalen Lösungsmitteln, d. h. den Einsatz eines Lösungsmittels zur Abscheidung der obersten Schicht, welches die darunterliegende Schicht nicht auflöst; und Vernetzen der darunterliegenden Schicht.
Die Dicke der Gate-Dielektrikumschicht liegt vorzugsweise unter 2 Mikrometer, bevorzugter unter 500 nm.
Weitere Schichten
In der Bauelementarchitektur können weitere Schichten enthalten sein. Auf dem Gate, der Source- oder Drain-Elektrode, dem Substrat, der isolierenden Schicht und dem organischen Halbleitermaterial kann beispielsweise eine selbst organisierende Monoschicht (SAM = self assembled monolayer) abgeschieden werden, um die Kristallinität zu fördern, den Kontaktwiderstand zu verringern, Oberflächenmerkmale auszubessern und gegebenenfalls die Adhäsion zu fördern. Insbesondere kann die dielektrische Fläche im Kanalbereich mit einer Monoschicht versehen sein, die einen Bindungsbereich und einen organischen Bereich umfasst, um die Leistungsfähigkeit des Bauelements zu verbessern, z. B. durch Verbesserung der Morphologie des organischen Halbleiters (insbesondere die Polymerausrichtung und Kristallinität) und Einhüllung von Ladungsträgerfangstellen, insbesondere für eine dielektrische Fläche mit hohem k-Wert. Beispielhafte Materialien für eine derartige Monoschicht umfassen Chlor- oder Alkoxysilane mit langen Alkylketten, z. B. Octadecyltrichlorsilan. In entsprechender Weise können die Source- und Drain-Elektrode mit einer SAM versehen sein, um den Kontakt zwischen dem organischen Halbleiter und den Elektroden zu verbessern. Gold-SD-Elektroden können beispielsweise mit einer SAM versehen sein, die eine Thiolbindungsgruppe und eine Gruppe zur Verbesserung des Kontakts aufweist, bei der es sich um eine Gruppe mit einem hohen Dipolmoment handeln kann; einen Dotierstoff; oder eine konjugierte funktionelle Gruppe.
OTFT-Anwendungen
OTFTSs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten eine breite Palette möglicher Anwendungen. Eine solche Anwendung ist die Ansteuerung von Pixeln in einem optischen Bauelement, vorzugsweise einem organischen optischen Bauelement. Beispiele für solche optischen Bauelemente umfassen lichtempfindliche Bauelemente, insbesondere Fotodetektoren, und lichtemittierende Bauelemente, insbesondere organische lichtemittierende Bauelemente. OTFTs sind besonders geeignet zum Einsatz mit organischen lichtemittierenden Bauelementen mit aktiver Matrix, z. B. zum Einsatz in Anzeigeanwendungen.
10 zeigt ein Pixel, das einen organischen Dünnschichttransistor und ein daneben liegendes organisches lichtemittierendes Bauelement aufweist, die auf einem gemeinsamen Substrat 21 hergestellt sind. Der OTFT umfasst eine Gate-Elektrode 22, eine dielektrische Schicht 24, eine Source- und Drain-Elektrode 23s bzw. 23d, und eine OSC-Schicht 25. Die OLED umfasst eine Anode 27, eine Kathode 29 und eine elektrolumineszierende Schicht 28, die zwischen Anode und Kathode vorgesehen ist. Zwischen der Anode und Kathode können sich weitere Schichten befinden, wie zum Beispiel eine Ladungstransport-, Ladungsinjektions- oder Ladungssperrschicht. In der Ausführungsform von 10 erstreckt sich die Schicht aus Kathodenmaterial sowohl über den OTFT als auch die OLED, und eine Isolierschicht 26 ist vorgesehen, um die Kathodenschicht 29 gegenüber der OSC-Schicht 25 elektrisch zu isolieren. Bei dieser Ausführungsform ist die Drain-Elektrode 23d direkt an die Anode des organischen lichtemittierenden Bauelements angeschlossen, um das organische lichtemittierende Bauelement zwischen emittierenden und emissionsfreien Zuständen hin und her zu schalten.
Die aktiven Bereiche des OTFT und der OLED sind durch ein gemeinsames Lagenmaterial gebildet, das durch Abscheiden einer Schicht aus einem Fotoresist auf dem Substrat 21 und durch dessen Strukturierung gebildet ist, um OTFT- und OLED-Bereiche auf dem Substrat zu bilden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die gemeinsame Lage eine Zweischichtstruktur, wie zuvor beschrieben wurde.
In einer in 11 dargestellten alternativen Anordnung kann ein organischer Dünnschichttransistor in gestapelter Weise auf einem organischen lichtemittierenden Bauelement hergestellt werden. Bei so einer Ausführungsform wird der organische Dünnschichttransistor wie vorstehend beschrieben in einer Konfiguration mit oberseitigem oder unterseitigem Gate aufgebaut. Wie bei der Ausführungsform von 10 sind die aktiven Bereiche des OTFT und der OLED durch eine strukturierte Schicht aus einem Fotoresist 33 gebildet, wobei es bei dieser übereinander gestapelten Anordnung zwei separate Lagenstrukturen 33 gibt – eine für die OLED und eine für den OTFT. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben diese beiden separaten Lagenstrukturen jeweils eine Zweischichtstruktur, wie vorstehend beschrieben ist.
Eine Planarisierungsschicht 31 (auch als Passivierungsschicht bekannt) ist über dem OTFT abgeschieden. Beispielhafte Passivierungsschichten umfassen BCBs und Parylene. Über der Passivierungsschicht ist ein organisches lichtemittierendes Bauelement hergestellt. Die Anode 34 des organischen lichtemittierenden Bauelements ist elektrisch an die Drain-Elektrode des organischen Dünnschichttransistors angeschlossen, und zwar durch eine leitfähige Durchkontaktierung 32, die durch die Passivierungsschicht 31 und die Lagenschicht 33 verläuft.
Es sollte klar sein, dass Pixelschaltungen mit einem OTFT und einem optisch aktiven Bereich (z. B. einem lichtemittierenden oder Licht erfassenden Bereich) weitere Elemente enthalten können. Insbesondere umfassen die OLED-Pixelschaltungen der 10 und 11 zusätzlich zu dem gezeigten Ansteuerungstransistor typischerweise mindestens einen weiteren Transistor und mindestens einen Kondensator.
Es sollte klar sein, dass es sich bei den hier beschriebenen, organischen lichtemittierenden Bauelementen um oberseitig oder unterseitig abstrahlende Bauelemente handeln kann. Das heißt, dass die Bauelemente Licht entweder durch die Anoden- oder Kathodenseite des Bauelements emittieren können. In einem transparenten Bauelement sind sowohl die Anode als auch die Kathode transparent. Es sollte klar sein, dass ein transparentes Kathodenbauelement keine transparente Anode zu haben braucht (es sei denn, dass ein volltransparentes Bauelement gewünscht ist), und so kann die transparente Anode, die für unterseitig emittierende Bauelemente verwendet wird, durch eine Schicht aus reflektierendem Material wie zum Beispiel eine Aluminiumschicht ersetzt oder durch diese ergänzt werden.
Transparente Kathoden sind besonders vorteilhaft für Bauelemente mit aktiver Matrix, weil die Emission durch eine transparente Anode in solchen Bauelementen durch die unterhalb der emittierenden Pixel sitzende Ansteuerschaltung des OTFT zumindest teilweise blockiert sein kann, wie man anhand der in 11 dargestellten Ausführungsform sehen kann.
Nachstehend werden Materialien und Prozesse näher beschrieben, die sich zur Bildung einer OLED gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eignen.
Allgemeine Bauelementarchitektur
Die Architektur eines elektrolumineszierenden Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein transparentes Glas- oder Kunststoffsubstrat, eine Anode und eine Kathode. Zwischen Anode und Kathode ist eine elektrolumineszierende Schicht vorgesehen.
In einem realen Bauelement ist mindestens eine der Elektroden semitransparent, so dass Licht absorbiert (im Falle eines lichtempfindlichen Bauelements) oder emittiert werden kann (im Falle einer OLED). Wenn die Anode transparent ist, weist sie typischerweise Indiumzinnoxid auf.
Ladungstransportschichten
Zwischen Anode und Kathode können weitere Schichten angeordnet sein, wie z. B. eine Ladungstransport-, Ladungsinjektions- oder Ladungssperrschicht.
Insbesondere ist es wünschenswert, eine leitende Löcherinjektionsschicht vorzusehen, die aus einem leitenden organischen oder anorganischen Material gebildet sein kann, das zwischen der Anode und der elektrolumineszierenden Schicht vorgesehen ist, um die Löcherinjektion von der Anode in die Schicht(en) des halbleitenden Polymers zu unterstützen. Beispiele für dotierte organische Löcherinjektionsmaterialien umfassen dotiertes Poly(ethylendioxythiophen) (PEDT), insbesondere PEDT, das mit einer ladungsausgleichenden mehrbasigen Säure wie zum Beispiel Polystyrolsulfonat (PSS) dotiert ist, wie EP 0901176 und EP 0947123 offenbart ist, eine Polyacrylsäure oder eine fluorierte Sulfonsäure, zum Beispiel Nafion^®; Polyanilin, wie in US 5723873 und US 5798170 offenbart ist; und Poly(thienothiophen). Beispiele für leitfähige anorganische Materialien umfassen Übergangsmetalloxide wie zum Beispiel VOx, MoOx und RuOx, wie in Journal of Physics D: Applied Physics (1996), 29(11), 2750–2753 offenbart ist.
Sofern vorhanden, hat eine zwischen der Anode und der elektrolumineszierenden Schicht sitzende Löchertransportschicht vorzugsweise ein HOMO-Niveau von kleiner oder gleich 5,5 eV, bevorzugter um etwa 4,8–5,5 eV. HOMO-Niveaus können zum Beispiel durch zyklische Voltammetrie gemessen werden.
Sofern vorhanden, hat eine Elektronentransportschicht, die zwischen der elektrolumineszierenden Schicht und der Kathode angeordnet ist, vorzugsweise ein LUMO-Niveau von ca. 3–3,5 eV.
Elektrolumineszierende Schicht
Die elektrolumineszierende Schicht kann ausschließlich aus dem elektrolumineszierenden Material bestehen oder kann das elektrolumineszierende Material in Kombination mit einem weiteren oder mehreren weiteren Materialien aufweisen. Das elektrolumineszierende Material kann insbesondere mit einem Löchertransportmaterial und/oder Elektronentransportmaterial versetzt sein, wie beispielsweise in WO 99/48160 offenbart ist, oder kann einen lumineszierenden Dotierstoff in einer halbleitenden Wirtsmatrix umfassen. Alternativ kann das elektrolumineszierende Material kovalent an ein Ladungstransportmaterial und/oder Wirtsmaterial gebunden sein.
Die elektrolumineszierende Schicht kann strukturiert oder unstrukturiert sein. Ein Bauelement, das eine unstrukturierte Schicht aufweist, kann zum Beispiel als Beleuchtungsquelle verwendet werden. Für diesen Zweck ist ein Weißlicht emittierendes Bauelement besonders geeignet. Bei einem Bauelement mit einer strukturierten Schicht kann es sich zum Beispiel um eine Anzeige mit aktiver Matrix oder eine Anzeige mit passiver Matrix handeln. Im Falle einer Anzeige mit aktiver Matrix wird eine strukturierte elektrolumineszierende Schicht typischerweise in Kombination mit einer strukturierten Anodenschicht und einer nicht strukturierten Kathode verwendet. Bei einer Anzeige mit passiver Matrix ist die Anodenschicht aus parallelen Streifen aus Anodenmaterial gebildet, und aus parallelen Streifen aus elektrolumineszierendem Material und Kathodenmaterial, die senkrecht zum Anodenmaterial angeordnet sind, wobei die Streifen aus elektrolumineszierendem Material und Kathodenmaterial typischerweise durch Streifen aus Isoliermaterial („Kathodentrennelemente”) getrennt sind, die durch Fotolithografie gebildet sind.
Geeignete Materialien zur Verwendung in der elektrolumineszierenden Schicht umfassen kleinmolekulare Stoffe, polymere und dendrimere Materialien, und Zusammensetzungen hiervon. Geeignete elektrolumineszierende Polymere umfassen Poly(arylenvinylene) wie etwa Poly(p-phenylenvinylene) und Polyarylene wie zum Beispiel: Polyfluorene, insbesondere 2,7-verknüpfte 9,9-Dialkylpolyfluorene oder 2,7-verknüpfte 9,9-Diarylpolyfluorene; Polyspirofluorene, insbesondere 2,7-verknüpfte Poly-9,9-Spirofluorene; Polyindenofluorene, insbesondere 2,7-verknüpfte Polyindenofluorene; Polyphenylene, insbesondere Alkyl- oder Alkoxy-substituierte Poly-1,4-phenylene. Solche Polymere sind zum Beispiel in Adv. Mater. 2000 12(23) 1737–1750 und den darin angegebenen Bezugsquellen offenbart. Geeignete elektrolumineszierende Dendrimere umfassen elektrolumineszierende Metallkomplexe, die dendrimere Gruppen tragen, wie zum Beispiel in WO 02/066552 offenbart ist.
Kathode
Die Kathode ist aus Materialien ausgewählt, die eine Austrittsenergie haben, welche die Injektion von Elektronen in die elektrolumineszierende Schicht ermöglicht. Die Auswahl der Kathode ist durch weitere Faktoren beeinflusst, wie etwa die Möglichkeit nachteiliger Wechselwirkungen zwischen der Kathode und dem elektrolumineszierenden Material. Die Kathode kann aus einem einzigen Material wie zum Beispiel aus einer Schicht aus Aluminium bestehen. Alternativ dazu kann sie mehrere Metalle umfassen, zum Beispiel eine Doppelschicht aus einem Material mit geringer Austrittsenergie und einem Material mit hoher Austrittsenergie, wie etwa Kalzium und Aluminium, wie in WO 98/10621 offenbart ist; elementares Barium, wie in WO 98/57381 , Appl. Phys. Lett. 2002, 81(4), 634, und WO 02/84759 offenbart ist; oder eine dünne Schicht aus einer Metallverbindung, insbesondere ein Oxid oder Fluorid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, um die Elektroneninjektion zu unterstützen, zum Beispiel Lithiumfluorid, wie in WO 00/48258 offenbart ist; Bariumfluorid, wie in Appl. Phys. Lett. 2001, 79(5), 2001 offenbart ist; und Bariumoxid. Um eine effiziente Injektion von Elektronen in das Bauelement zu bieten, hat die Kathode vorzugsweise eine Austrittsenergie von unter 3,5 eV, bevorzugter von unter 3,2 eV, und am meisten bevorzugt von unter 3 eV. Austrittsenergien von Metallen finden sich zum Beispiel in Michaelson, J. Appl. Phys. 48(11), 4729, 1977. Die Kathode kann opak oder transparent sein. Transparente Kathoden sind für Bauelemente mit aktiver Matrix besonders vorteilhaft, weil die Emission durch eine transparente Anode in solchen Bauelementen durch die unterhalb der emittierenden Pixel sitzende Ansteuerschaltung zumindest teilweise blockiert ist. Eine transparente Kathode umfasst eine Schicht aus einem Elektroneninjektionsmaterial, die ausreichend dünn ist, um transparent zu sein. Typischerweise ist die seitliche Leitfähigkeit dieser Schicht aufgrund ihrer dünnen Gestaltung gering. In diesem Fall wird die Schicht aus Elektroneninjektionsmaterial in Kombination mit einer dickeren Schicht aus einem transparenten leitenden Material wie etwa Indiumzinnoxid verwendet.
Es sollte klar sein, dass ein Bauelement mit transparenter Kathode keine transparente Anode zu haben braucht (es sei denn, dass ein volltransparentes Bauelement erwünscht ist), und so kann die transparente Anode, die für unterseitig emittierende Bauelemente verwendet wird, durch eine Schicht aus reflektierendem Material wie zum Beispiel eine Aluminiumschicht ersetzt oder durch diese ergänzt werden. Beispiele für Bauelemente mit transparenter Kathode sind zum Beispiel in GB 2348316 offenbart.
Verkapselung
Optische Bauelemente sind tendenziell gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff empfindlich. Dementsprechend verfügt das Substrat vorzugsweise über gute Sperreigenschaften zur Verhinderung des Eintritts von Feuchtigkeit und Sauerstoff in das Bauelement. Bei dem Substrat handelt es sich üblicherweise um Glas. Es können jedoch auch alternative Substrate verwenden werden, insbesondere dort, wo eine Flexibilität des Bauelements wünschenswert ist. Das Substrat kann zum Beispiel einen Kunststoff wie in US 6268695 aufweisen, in der ein Substrat aus abwechselnden Kunststoff- und Sperrschichten offenbart ist, oder einen Schichtstoff aus dünnem Glas und Kunststoff, wie in EP 0949850 offenbart ist.
Das Bauelement ist vorzugsweise mit einem Verkapselungsmaterial verkapselt, um den Eintritt von Feuchtigkeit und Sauerstoff zu verhindern. Geeignete Verkapselungsmaterialien umfassen eine Glasplatte, Dünnschichten mit geeigneten Sperreigenschaften wie etwa abwechselnde Schichtungen aus einem Polymer und einem Dielektrikum, wie zum Beispiel in WO 01/81649 offenbart ist, oder einen luftdichten Behälter, wie er beispielsweise in WO 01/19142 offenbart ist. Zwischen dem Substrat und dem Verkapselungsmaterial kann ein Gettermaterial zur Aufnahme jeglicher atmosphärischer Feuchtigkeit und/oder von Sauerstoff angeordnet sein, die das Substrat oder Verkapselungsmaterial durchdringen können.
Verarbeitung mittels Lösungstechnologie
Aus einer Lösung heraus können ein einzelnes Polymer oder mehrere Polymere abgeschieden werden. Geeignete Lösungsmittel für Polyarylene, insbesondere für Polyfluorene, umfassen Mono- oder Polyalkylbenzole wie zum Beispiel Toluol und Xylol. Besonders bevorzugte Lösungsabscheidungstechniken sind das Schleuderbeschichten und Tintenstrahldrucken.
Das Schleuderbeschichten eignet sich besonders für Bauelemente, bei denen eine Strukturierung des elektrolumineszierenden Materials nicht nötig ist – zum Beispiel für Beleuchtungsanwendungen oder einfache einfarbige segmentierte Anzeigen.
Das Tintenstrahldrucken eignet sich besonders für Anzeigen mit hohem Informationsgehalt, insbesondere für Vollfarbenanzeigen. Das Tintenstrahldrucken von OLEDs ist beispielsweise in EP 0880303 beschrieben.
Andere Lösungsabscheidungsverfahren umfassen das Tauchbeschichten, den Walzendruck sowie den Siebdruck.
Werden mehrere Schichten des Bauelements durch eine Verarbeitung mittels Lösungstechnologie gebildet, kennt der Fachmann Techniken zur Verhinderung der Vermischung angrenzender Schichten, zum Beispiel durch Vernetzung einer Schicht vor der Abscheidung einer darauffolgenden Schicht, oder durch die Auswahl von Materialien für aneinander angrenzenden Schichten derart, dass das Material, aus dem die erste dieser Schichten gebildet ist, nicht in dem Lösungsmittel löslich ist, das zur Abscheidung der zweiten Schicht verwendet wird.
Emissionsfarben
Mit „rot elektrolumineszierendem Material” ist ein organisches Material gemeint, das durch Elektrolumineszenz Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 600–750 nm aussendet, vorzugsweise im Bereich von 600–700 nm, bevorzugter im Bereich von 610–650 nm und am meisten bevorzugt mit einem Emissionspeak um 650–660 nm.
Mit „grün elektrolumineszierendem Material” ist ein organisches Material gemeint, das durch Elektrolumineszenz Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 510–580 nm, vorzugsweise im Bereich von 510–570 nm aussendet.
Mit „blau elektrolumineszierendem Material” ist ein organisches Material gemeint, das durch Elektrolumineszenz Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 400–500 nm, bevorzugter im Bereich von 430–500 nm aussendet.
Wirtsmaterialien für phosphoreszierende Emissionsquellen
Im Stand der Technik sind zahlreiche Wirtsmaterialien beschrieben, einschließlich „Kleinmolekül”-Wirtsmaterialien wie zum Beispiel 4,4'-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl), bekannt als CBP, und (4,4',4''-Tris(carbazol-9-yl)triphenylamin), bekannt als TCTA, offenbart in Ikai et al, Appl. Phys. Lett., 79 Nr. 2, 2001, 156; und Triarylamine wie zum Beispiel Tris-4-(N-3-methylphenyl-N-phenyl)phenylamin, bekannt als MTDATA. Auch Polymere sind als Wirtsmaterialien bekannt, insbesondere Homopolymere wie zum Beispiel Poly(vinylcarbazol), offenbart beispielsweise in Appl. Phys. Lett. 2000, 777(15), 2280; Polyfluorene in Synth. Met. 2001, 116, 379, Phys. Rev. B 2001, 63, 235206 und Appl. Phys. Lett. 2003, 82(7), 1006; Poly[4-(N-4-vinylbenzyloxyethyl, N-methylamino)-N-(2,5-di-tert-butylphenylnapthalimid] in Adv. Mater. 1999, 11(4), 285; und Poly(para-phenylene) in J. Mater. Chem. 2003, 13, 50–55. Copolymere sind auch als Wirtsmaterialien bekannt.
Metallkomplexe (in erster Linie phosphoreszierend, aber am Ende eine Fluoreszenzgruppe enthaltend)
Bevorzugte Metallkomplexe umfassen optional substituierte Komplexe gemäß folgender Formel: ML¹ _qL² _rL³ _s wobei M ein Metall ist; L¹, L² und L³ jeweils eine Koordinationsgruppe darstellen; q eine ganze Zahl ist; r und s jeweils unabhängig voneinander 0 oder eine ganze Zahl darstellen; und die Summe aus (a·q) + (b·r) + (c·s) gleich der Anzahl von Koordinationsstellen ist, die an M verfügbar sind, wobei a die Anzahl von Koordinationsstellen an L¹, b die Anzahl von Koordinationsstellen an L² und c die Anzahl von Koordinationsstellen an L³ ist.
Schwere Elemente M induzieren eine starke Spin-Bahn-Kopplung zur Ermöglichung eines schnellen Intersystem-Crossing und einer Emission von Triplett- oder höheren Zuständen (Phosphoreszenz). Geeignete Schwermetalle M umfassen:

– Lanthanidmetalle wie zum Beispiel Cer, Samarium, Europium, Terbium, Dysprosium, Thulium, Erbium und Neodym; und
– d-Block-Metalle, insbesondere diejenigen in Reihe 2 und 3, d. h. die Elemente 39 bis 48 und 72 bis 80, insbesondere Ruthenium, Rhodium, Palladium, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin und Gold.

Geeignete Koordinierungsgruppen für die f-Block-Metalle umfassen Sauerstoff- oder Stickstoffdonatorsysteme wie zum Beispiel Carboxylsäuren, 1,3-Diketonate, Hydroxycarboxylsäuren, Schiff'sche Basen einschließlich Acylphenole und Iminoacylgruppen. Wie man weiß, erfordern lumineszierende Lanthanidmetallkomplexe eine oder mehrere Sensibilisierungsgruppen, bei denen das angeregte Triplett-Energieniveau höher liegt als der erste Anregungszustand des Metallions. Die Emission entstammt einem f-f-Übergang des Metalls, womit die Emissionsfarbe durch die Wahl des Metalls bestimmt ist. Die scharfe Emission ist allgemein schmalbandig, was zu einer Reinfarbemission führt, die für Anzeigeanwendungen nützlich ist.
Die d-Block-Metalle eignen sich ganz besonders zur Emission aus angeregten Triplett-Zuständen. Diese Metalle bilden organometallische Komplexe mit Kohlenstoff- oder Stickstoffdonatoren wie zum Beispiel Porphyrin oder Bidentat-Liganden der folgenden Formel:
wobei Ar⁴ und Ar⁵ gleich oder unterschiedlich sein können und unabhängig voneinander aus optional substituierten Aryl- oder Heteroaryl-Gruppen ausgewählt sind; X¹ und Y¹ können gleich oder unterschiedlich sein und werden unabhängig voneinander aus Kohlenstoff und Stickstoff ausgewählt; und Ar⁴ und Ar⁵ können miteinander anelliert sein. Liganden, bei denen X¹ Kohlenstoff ist und Y¹ Stickstoff ist, sind besonders bevorzugt.
Beispiele von Bidentat-Liganden sind nachstehend dargestellt:
Ar⁴ und Ar⁵ können jeweils einen oder mehrere Substituenten tragen. Zwei oder mehr dieser Substituenten können miteinander zu einem Ring verbunden sein, beispielsweise zu einem aromatischen Ring. Besonders bevorzugte Substituenten umfassen Fluor oder Trifluormethyl, die dazu verwendet werden können, die Emission des Komplexes in den blauen Bereich zu verschieben, wie in WO 02/45466 , WO 02/44189 , US 2002-117662 und US 2002-182441 offenbart ist; Alkyl- oder Alkoxy-Gruppen, wie in JP 2002-324679 offenbart ist; Carbazol, das dazu verwendet werden kann, den Löchertransport zum Komplex zu unterstützen, wenn es als emittierendes Material verwendet wird, wie in WO 02/81448 offenbart ist; Brom, Chlor oder Iod, die zur Funktionalisierung des Liganden zur Anhaftung weiterer Gruppen dienen können, wie in WO 02/68435 und EP 1245659 offenbart ist; und Dendronen, die dazu verwenden werden können, die Lösungsverarbeitbarkeit des Metallkomplexes zu erlangen oder zu verbessern, wie in WO 02/66552 offenbart ist.
Ein lichtemittierendes Dendrimer umfasst typischerweise einen lichtemittierenden Kern, der an ein Dendron oder mehrere Dendronen gebunden ist, wobei jedes Dendron einen Abzweigpunkt und zwei oder mehr dendritische Zweige umfasst. Das Dendron ist vorzugsweise zumindest teilweise konjugiert, und der Kern und/oder die dendritischen Zweige umfassen eine Aryl- oder Heteroaryl-Gruppe. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verzweigungsgruppe weitere Liganden, die sich zur Verwendung mit d-Block-Elementen eignen, umfassen Diketonate, insbesondere Acetylacetonat (acac); Triarylphosphine und Pyridin, die jeweils substituiert sein können.
Hauptgruppen-Metallkomplexe zeigen eine auf Liganden basierende Emission oder eine Ladungstransferemission. Für diese Komplexe ist die Emissionsfarbe durch die Wahl des Liganden und auch des Metalls bestimmt.
Das Wirtsmaterial und der Metallkomplex können in Form einer stofflichen Mischung miteinander kombiniert werden. Alternativ kann der Metallkomplex chemisch an das Wirtsmaterial gebunden sein. Im Falle eines polymeren Wirtsmaterials kann der Metallkomplex als ein an das Polymer-Grundgerüst angesetzter Substituent chemisch gebunden sein, als Grundeinheit in das Polymer-Grundgerüst eingefügt sein, oder als endständige Gruppe des Polymers vorgesehen sein, wie z. B. in EP 1245659 , WO 02/31896 , WO 03/18653 und WO 03/22908 offenbart ist.
Es ist eine breite Palette von fluoreszierenden Metallkomplexen mit niedrigem Molekulargewicht bekannt, und diese Materialien wurden auch in organischen lichtemittierenden Bauelementen präsentiert [siehe z. B. Macromol. Sym. 125 (1997) 1–48, US-A 5,150,006 , US-A 6,083,634 und US-A 5,432,014 ]. Geeignete Liganden für bi- oder trivalente Metalle umfassen: Oxinoide, z. B. mit Sauerstoff-Stickstoff- oder Sauerstoff-Sauerstoff-Donatoratomen, allgemein einem Ringstickstoffatom mit einem Substituenten-Sauerstoffatom, oder einem Substituenten-Stickstoffatom oder -Sauerstoffatom mit einem Substituenten-Sauerstoffatom wie zum Beispiel 8-Hydroxychinolat und Hydroxychinoxalinol-10-hydroxybenzo(h)chinolinat (II), Benzazole (III), Schiff'sche Basen, Azoindole, Chromon-Derivate, 3-Hydroxyflavone, und Carboxylsäuren wie zum Beispiel Salicylat-Aminocarboxylate und Estercarboxylate. Optionale Substituenten umfassen Halogen-, Alkyl-, Alkoxy-, Haloalkyl-, Cyano-, Amino-, Amido-, Sulfonyl-, Carbonyl-, Aryl- oder Heteroaryl-Gruppen an den (hetero-)aromatischen Ringen, welche die Emissionsfarbe modifizieren können.
Obgleich diese Erfindung in Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird dem Fachmann klar sein, dass an der Form und in Einzelheiten verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Zusammenfassung
ELEKTRONISCHE BAUELEMENTE UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG UNTER EINSATZ VON AUF LÖSUNGSTECHNOLOGIE BERUHENDEN VERFAHREN
Ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines Basisteils mit Schaltungselementen; Bilden einer Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur über dem Basisteil, die eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist; und Abscheiden einer Lösung aus organischem Material in der durch die Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefung. Die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur wird gebildet, indem in einem einzigen Bearbeitungsschritt zur Ausbildung der Vertiefung Material von der ersten und zweiten Schicht entfernt wird. Die erste Schicht besteht aus einem Material, das schneller entfernt wird als das Material der zweiten Schicht, um eine überhängende Stufenstruktur zu bilden, bei der die zweite Schicht über einen Rand der ersten Schicht ragt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Basisteils mit Schaltungselementen; Bilden einer Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist; und Abscheiden einer Lösung aus organischem Material in einer durch die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefung, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet wird, indem zur Ausbildung der Vertiefung in einem einzigen Bearbeitungsschritt von der ersten und zweiten Schicht Material entfernt wird, und wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die bei dem einzigen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten haben, wodurch aufgrund des Unterschieds der Abtragraten der Materialien der ersten und zweiten Schicht um einen Randbereich der Vertiefung herum eine Stufenstruktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht aus einem Material besteht, das in dem einzigen Bearbeitungsschritt schneller entfernt wird als das Material der zweiten Schicht, um eine überhängende Stufenstruktur zu bilden, bei der die zweite Schicht über einen Rand der ersten Schicht ragt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schicht einen Rand mit einem positiven Profil aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Schicht organisches Material umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht vernetzt ist und die erste Schicht keine Vernetzung aufweist oder in einem geringeren Ausmaß als die zweite Schicht vernetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht aus einem Material besteht, das härter als die erste Schicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Schicht aus einem Polymermaterial bestehen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Polymerisationsgrad in der ersten Schicht niedriger ist als der Polymerisationsgrad in der zweiten Schicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt der Bildung der Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur umfasst: Abscheiden der ersten Schicht aus Isoliermaterial über einem elektronischen Substrat; Abscheiden der zweiten Schicht aus Isoliermaterial darüber; lichtunterstütztes Strukturieren der zweiten Schicht; und Entwickeln der zweiten Schicht und der ersten Schicht in einem einzigen Entwicklungsschritt.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der zweiten Schicht eine geringere Benetzbarkeit als das Material der ersten Schicht aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren darüber hinaus den Schritt umfasst, dass über dem organischen Material in der Vertiefung und der Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur eine durchgehende Elektrodenschicht abgeschieden wird.
Elektronisches Bauelement, umfassend: ein Basisteil mit Schaltungselementen; eine Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist; und eine Schicht aus einem in Lösungstechnologie verarbeitbaren, organischen Material in einer durch die Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur gebildeten Vertiefung, wobei die erste und zweite Schicht aus Isoliermaterial eine Stufenstruktur um einen Randbereich der Vertiefung bilden, wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die durch einen einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt entfernt werden können und dazu angepasst sind, in Bezug auf den einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten zu haben.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Substrats für ein elektronisches Bauelement, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Basisteils mit Schaltungselementen; und Bilden einer Vertiefungen bildenden Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur eine Vertiefung bildet und eine erste Schicht aus Isoliermaterial und eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur gebildet wird, indem zur Ausbildung der Vertiefung in einem einzigen Bearbeitungsschritt Material von der ersten und zweiten Schicht entfernt wird, und wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die bei dem einzigen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten haben, wodurch aufgrund des Unterschieds der Abtragraten der Materialien der ersten und zweiten Schicht um einen Randbereich der Vertiefung herum eine Stufenstruktur gebildet wird.
Elektronisches Substrat für ein elektronisches Bauelement, wobei das elektronische Substrat aufweist: ein Basisteil mit Schaltungselementen; und eine Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur über dem Basisteil, wobei die Vertiefungen bildende Doppellagenstruktur eine Vertiefung bildet und eine erste Schicht aus Isoliermaterial und darüber eine zweite Schicht aus Isoliermaterial aufweist, wobei die erste und zweite Schicht eine Stufenstruktur um einen Randbereich der Vertiefung bilden, wobei die erste und zweite Schicht aus Materialien bestehen, die durch einen einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt entfernt werden können und dazu angepasst sind, in Bezug auf den einzigen, gemeinsamen Bearbeitungsschritt unterschiedliche Abtragraten zu haben.