DE112010001651T5

DE112010001651T5 - Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnschichttransistors

Info

Publication number: DE112010001651T5
Application number: DE112010001651T
Authority: DE
Inventors: Thomas Kugler
Original assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Current assignee: Cambridge Display Technology Ltd
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US8946685B2; GB0906587D0; CN102396085B; JP6018609B2; KR20120029387A; JP5615347B2; JP2012524394A; US20120037915A1; GB2469507B; GB2469507A; JP2015038993A; WO2010119243A1; CN102396085A

Abstract

Ein Verfahren zum Formen eines organischen Dünnschichttransistors, das Verfahren umfasst: Impfen einer Oberfläche außerhalb eines Kanalbereichs an einer oder mehreren Kristallisationsstellen vor der Abscheidung des organischen Halbleiters; Abscheiden einer Lösung des organischen Halbleiters auf die geimpfte Oberfläche und auf den Kanalbereich, wodurch der organische Halbleiter einen Kristallbereich an der oder jeder der Kristallisationsstellen zu formen beginnt, wobei der oder jeder Kristallbereich von der Kristallisationsstelle über den Kanalbereich in einer Richtung wächst, welche durch eine fortschreitende Oberflächenverdampfungsfront bestimmt wird; und Zuführen von Energie, um die Richtung und die Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront zu steuern, wodurch die Richtung und die Geschwindigkeit des Wachstums des oder jedes Kristallbereichs über den Kanalbereich von der einen oder mehreren Kristallisationsstellen außerhalb des Kanalbereichs gesteuert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft organische Dünnschichttransistoren und Verfahren zur Herstellung derselben.
Hintergrund der Erfindung
Transistoren können in zwei Hauptformen unterteilt werden: Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren. Beide Arten teilen eine gemeinsame Struktur, umfassend drei Elektroden, wobei zwischen diesen ein Halbleitermaterial in einem Kanalbereich angeordnet ist. Die drei Elektroden eines Bipolartransistors sind als Emitter, Kollektor und Basis bekannt, wohingegen die drei Elektroden in einem Feldeffekttransistor als Source, Drain und Gate bekannt sind. Bipolartransistoren können als strombetriebene Vorrichtungen beschrieben werden, da der Strom zwischen dem Emitter und Kollektor durch den Strom gesteuert wird, welcher zwischen der Basis und dem Emitter fließt. Im Gegensatz dazu können Feldeffekttransistoren als spannungsbetriebene Vorrichtungen beschrieben werden, da der Strom, welcher zwischen Source und Drain fließt, durch die Spannung zwischen Gate und Source gesteuert wird.
Transistoren können auch als p-leitend oder n-leitend klassifiziert werden, abhängig davon, ob sie Halbleitermaterial umfassen, welches positive Ladungsträger (Löcher), oder negative Ladungsträger (Elektronen) leitet. Das Halbleitermaterial kann gemäß dessen Fähigkeit, Ladung aufzunehmen, zu leiten und abzugeben, ausgewählt werden. Die Fähigkeit des Halbleitermaterials, Löcher oder Elektronen aufzunehmen, zu leiten und abzugeben, kann durch das Dotieren des Materials gesteigert werden. Das für die Source- und Drain-Elektroden verwendete Material kann auch gemäß dessen Fähigkeit ausgewählt werden, Löcher oder Elektronen aufzunehmen oder zu injizieren. Zum Beispiel kann eine p-leitende Transistorvorrichtung gebildet werden, indem ein Halbleitermaterial ausgewählt wird, welches wirksam ist, Löcher aufzunehmen, zu leiten und abzugeben, und durch Auswahl eines Materials für die Source- und Drain-Elektroden, welches darin wirksam ist, Löcher in das Halbleitermaterial zu injizieren und aus diesem aufzunehmen. Ein gutes Energieniveau, welches das Fermi-Niveau in den Elektroden an das HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)-Niveau des Halbleitermaterials anpasst, kann die Injektion und Aufnahme von Löchern unterstützen. Im Gegensatz dazu kann eine n-leitende Transistorvorrichtung gebildet werden, indem ein Halbleitermaterial ausgewählt wird, welches wirksam, Elektronen aufzunehmen, zu leiten und abzugeben, und durch Auswählen eines Materials für die Source- und Drain-Elektroden, welches darin wirksam ist, Elektronen in das halbleitende Material zu injizieren und Elektronen von diesem aufzunehmen. Ein gutes Energieniveau, welches das Fermi-Niveau in den Elektroden an das LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)-Niveau des Halbleitermaterials anpasst, kann die Elektrodeninjektion und -aufnahme unterstützen.
Transistoren können gebildet werden, indem die Bestandteile in dünnen Filmen abgeschieden werden, um einen Dünnschichttransistor zu bilden. Wenn ein organisches Material als Halbleitermaterial in solch einer Vorrichtung verwendet wird, ist die Vorrichtung als organischer Dünnschichttransistor bekannt.
Verschiedene Anordnungen organischer Dünnschichttransistoren sind bekannt. Eine solche Vorrichtung ist ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, welcher Source- und Drain-Elektroden umfasst, wobei dazwischen ein Halbleitermaterial in einem Kanalbereich angeordnet ist, eine Gate-Elektrode neben dem Halbleitermaterial angeordnet ist und eine Schicht aus Isolationsmaterial zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleitermaterial in dem Kanalbereich angeordnet ist.
Ein Beispiel solch eines organischen Dünnschichttransistors ist in 1 dargestellt. Die dargestellte Struktur kann auf ein Substrat (nicht dargestellt) abgeschieden sein und umfasst Source- und Dran-Elektroden 2, 4, welche voneinander beabstandet sind, wobei dazwischen ein Kanalbereich 6 angeordnet ist. Ein organischer Halbleiter (OSC) 8 ist in dem Kanalbereich 6 abgeschieden und kann sich wenigstens über einen Teil der Source- und Drain-Elektroden 2, 4 erstrecken. Eine Isolationsschicht 10 aus dielektrischem Material wird auf dem organischen Halbleiter 8 abgeschieden und kann sich über wenigstens einen Teil der Source- und Drain-Elektroden 2, 4 erstrecken. Schließlich ist eine Gate-Elektrode 12 auf der Isolationsschicht 10 abgeschieden. Die Gate-Elektrode 12 ist über dem Kanalbereich 6 angeordnet und kann sich über wenigstens einen Teil der Source- und Drain-Elektroden 2, 4 erstrecken.
Die oben beschriebene Struktur ist als ein Dünnschichttransistor mit oben liegendem Gate bekannt, da das Gate an der Oberseite der Vorrichtung angeordnet ist. Alternativ ist es auch bekannt, das Gate auf einer unteren Seite der Vorrichtung bereitzustellen, um einen so genannten Dünnschichttransistor mit unten liegendem Gate bereitzustellen.
Ein Beispiel solch eines Dünnschichttransistors mit unten liegendem Gate ist in 2 dargestellt. Um die Beziehung zwischen den Strukturen, die in 1 und 2 dargestellt sind, deutlicher zu zeigen, wurden gleiche Referenzzeichen für entsprechende Teile verwendet. Die in 2 dargestellte Struktur mit unten liegendem Gate umfasst eine Gate-Elektrode 12, abgeschieden auf einem Substrat 1, wobei eine Isolationsschicht 10 aus dielektrischem Material darüber abgeschieden ist. Source- und Drain-Elektroden 2, 4 sind auf der Isolationsschicht 10 aus dielektrischem Material abgeschieden. Die Source- und Drain-Elektroden 2, 4 sind voneinander beabstandet, wobei ein Kanalbereich 6 zwischen diesen über der Gate-Elektrode angeordnet ist. Ein organischer Halbleiter (OSC) 8 ist in dem Kanalbereich 6 abgeschieden und kann sich über wenigstens einen Teil der Source- und Drain-Elektroden 2, 4 erstrecken.
Die Leitfähigkeit des Kanals kann verändert werden, indem eine Spannung an das Gate angelegt wird. Auf diese Weise kann der Transistor ein- und ausgeschaltet werden, unter Verwendung einer angelegten Gate-Spannung. Der Drain-Strom, welcher für eine festgelegte Spannung erzielt werden kann, hängt von der Beweglichkeit der Ladungsträger in dem organischen Halbleiter in dem aktiven Bereich der Vorrichtung (Kanal zwischen den Source- und Drain-Elektroden) ab. Um daher hohe Drain-Ströme bei niedrigen Betriebsspannungen zu erzielen, müssen die organischen Dünnschichttransistoren einen organischen Halbleiter aufweisen, welcher sehr bewegliche Ladungsträger in dem Kanalbereich aufweist.
Die Verwendung organischer Dünnschichttransistoren ist zur Zeit durch die relativ geringe Beweglichkeit der organischen Halbleitermaterialien beschränkt. Man hat herausgefunden, dass es eines der wirksamsten Mittel ist, die Beweglichkeit zu verbessern, das organische Material darin zu fördern, sich zu ordnen und auszurichten. Die organischen Halbleitermaterialien mit der höchsten Beweglichkeit in Dünnschichttransistoren zeigen eine beträchtliche Ordnung und Kristallisation, was aus eineroptischer Mikroskopieaufnahme und Röntgenbeugung deutlich wird.
Verfahren zur Steigerung der Kristallisation des organischen Halbleiters in einem organischen Dünnschichttransistor umfassen: (i) thermisches Annealen des organischen Dünnschichttransistors nach dem Abscheiden des organischen Halbleiters; und (ii) Ausbilden der organischen Halbleitermoleküle, so dass der organische Halbleiter inhärent eine gesteigerte Fähigkeit aufweist, nach der Abscheidung zu kristallisieren.
Es gibt einige Probleme bei dem zuvor genannten Verfahren zur Verbesserung der Kristallisation in organischen Dünnschichttransistorvorrichtungen. Ein Problem bei dem thermischen Anneal-Verfahren ist es, dass die Vorrichtung erwärmt werden muss. Dies kann Bestandteile der Vorrichtung beschädigen, die Energiekosten des Herstellers erhöhen und die Verarbeitungsdauer, die notwendig ist, um diese Vorrichtungen herzustellen, erhöhen. Ein Problem, bei dem Weg des molekularen Aufbaus ist es, dass es zeitaufwändig und teuer ist, neue Moleküle mit einer verbesserten Fähigkeit zur Kristallisation zu entwerfen. Des Weiteren kann die Veränderung der Molekularstruktur des organischen Halbleiters die funktionellen Eigenschaften des Materials in dem resultierenden Dünnschichttransistors nachteilig beeinflussen. Zusätzlich kann das Modifizieren der Molekularstruktur des organischen Halbleiters die Verarbeitbarkeit des Materials während der Herstellung des organischen Dünnschichttransistors nachteilig beeinflussen. Zum Beispiel kann die Löslichkeit des Materials beeinflusst werden, so dass es schwierig wird, das Material unter Verwendung von Abscheideverfahren, wie Aufschleudern oder Tintenstrahldrucker, aus der Lösung zu verarbeiten.
Einige weitere Probleme treten bei beiden zuvor genannten Verfahren auf. Ein Problem ist, dass beide Verfahren zu einer Verbesserung der Kristallisation durch die organische Halbleiterschicht führt. Es kann jedoch nicht wünschenswert sein, die Kristallinität und dadurch die Leitfähigkeit des organischen Halbleiters in bestimmten Bereichen eines organischen Dünnschichttransistors zu verbessern, da dies zu Leckstrom und Kurzschlussproblemen zwischen der darunter liegenden und darüber liegenden Metallisierung führen kann. Als solches wäre es vorteilhaft, ein Verfahren zur Verbesserung der Kristallisation des organischen Halbleiters nur in gewünschten Bereichen des organischen Dünnschichttransistors bereitzustellen.
Des Weiteren ermöglicht kein Verfahren, dass die Orientierung der organischen Kristalle sofort steuerbar ist, wenn sich der Halbleiter kristallisiert. Dies ist wichtig, da die Leitfähigkeit eines organischen Halbleiters von der Orientierung der organischen Kristalle abhängt. Wenn die organischen Kristalle ausgerichtet sind, verändert sich die Leitfähigkeit des Halbleiters im Verhältnis der Richtung des Stromflusses relativ zu der Orientierung der organischen Kristalle.
Es sollte an diesem Punkt festgehalten werden, dass die Orientierung der maximalen Leitfähigkeit nicht notwendigerweise parallel zu der Orientierung der organischen Kristalle verläuft. Noch verläuft sie notwendigerweise senkrecht zu der Orientierung der organischen Kristalle. Tatsächlich hängt die Richtung der maximalen Leitfähigkeit von der Struktur der organischen Moleküle innerhalb der Kristalle ab. Dies kann jedoch für ein bestimmtes Molekülüberprüft werden, indem ein Strom in verschiedenen unterschiedlichen Winkelrichtungen durch das Material geleitet wird und die Leitfähigkeit gemessen wird. Für bestimmte Materialien kann es sogar einige unterschiedliche Kristallorientierungen geben, bei denen eine maximale Leitfähigkeit erzielt wird, mit lokaler minimaler Leitfähigkeit in Winkelorientierungen dazwischen.
Während man nicht an eine Theorie gebunden sein möchte, tritt die Leitung durch ein organisches Halbleitermaterial über zwei Mechanismen auf: (1) Leitungen entlang der organischen Moleküle; und (2) intermolekulares Hopping zwischen Molekülen. Wenn daher der dominante Mechanismus für die Leitung entlang der organischen Moleküle ist, dann wird die Richtung der maximalen Leitfähigkeit dazu neigen, sehr gut mit der Molekularorientierung ausgerichtet zu sein. Alternativ, wenn der dominante Mechanismus für die Leitung das Hopping zwischen Molekülen ist, dann neigt die Richtung der maximalen Leitfähigkeit dazu, der Richtung zu entsprechen, in welcher es am leichtesten für die Ladungsträger ist, von einem Molekül zu dem nächsten zu springen (hopping). Dies ist häufig in einer senkrechteren Richtung zu der molekularen Orientierung aufgrund des besseren Rechteck-Orbitals, welches zwischen benachbarten Molekülen in einer Seitenrichtung überlappt.
Der Beitrag der beiden Mechanismen hängt von der Molekularstruktur des organischen Halbleiters ab. Wenn z. B. langkettige Halbleiterpolymere eingesetzt sind, kann die Leitung entlang der organischen Moleküle dominieren. Wenn die Polymere daher eine Kettenlänge aufweisen, welche dem Abstand zwischen den Source- und Drain-Elektrode entspricht oder länger als dieser ist, wird die Richtung der maximalen Leitfähigkeit dazu neigen, mit den Polymeren übereinzustimmen, die in einer Richtung parallel zu einer Linie ausgerichtet werden, welche die Source- und Drain-Elektroden verbinden. Werden jedoch viel kürzere Moleküle eingesetzt, dann wird das intermolekulare Hopping dominieren. In diesem Fall kann es etwas orbitale Überlappung zwischen den ”End-On”-Molekülen geben und die Leitfähigkeit in der ausgerichteten Richtung kann gering sein. Daher kann es vorteilhaft sein, die Kristalle in einer Richtung senkrecht zu einer Linie zu orientieren, die die Source- und Drain-Elektroden verbindet. Dies kann jedoch zu einer größeren Anzahl an intermolekularen Sprüngen (hops) führen, die notwendig sind, damit die Ladung zwischen Source und Drain geführt wird. Demzufolge wird bei Molekülen, die sehr viel kürzer sind als der Abstand zwischen den Source- und Drain-Elektroden, eine Kristallorientierung, die unter einem Winkel geneigt ist, der zu einer Linie, die die Source- und Drain-Elektroden verbindet, irgendwo zwischen senkrecht und parallel angeordnet ist, der Orientierung der maximalen Leitfähigkeit entsprechen.
Eine Anzahl von bekannten Dokumenten offenbaren Verfahren zum Steuern der Orientierung der organischen Halbleitermoleküle in dem Kanalbereich eines organischen Dünnschichttransistors. Diese werden im Folgenden diskutiert.
EP 1 684 360 A1 offenbart, dass es vorteilhaft ist, die Orientierung der organischen Halbleitermoleküle so zu steuern, dass eine Molekülachse der Hauptketten in Bezug auf eine Richtung von der Source- zu der Drain-Elektrode geneigt orientiert ist. Bei Herstellung eines organischen Dünnschichttransistors mit dem zuvor genannten Aufbau, werden konjugierte organische Halbleitermoleküle in einem vorbestimmten Lösungsmittel aufgelöst und die Lösung wird auf ein Substrat aufgebracht, in welchem Nuten parallel zu einer gewünschten Orientierungsrichtung ausgebildet sind.
Die EP 1 679 752 A1 beschreibt eine Anordnung, bei welcher die organische Halbleiterschicht eines organischen Dünnschichttransistors unter Verwendung einer Mischung aus einem Halbleitermaterial und einem Flüssigkristallmaterial gebildet wird, welches eingesetzt wird, um die Orientierung des Halbleitermaterials zu steuern. Die Richtung der Orientierung wird durch Reiben der Oberfläche, auf welche die zuvor genannte Mischung abgeschieden werden soll, in einer vorbestimmten Richtung, wie der Richtung zwischen Source- und Drain-Elektrode, gesteuert.
Die US 2007/0126003 offenbart, dass eine selbstorganisierende bzw. selbstbildende Monolayerschicht verwendet werden kann, um die Orientierung des organischen Halbleiters zu kontrollieren, welcher in einem Kanalbereich des organischen Dünnschichttransistors angeordnet ist. Es ist beschrieben, dass die organischen Halbleitermoleküle in Kristallkörner regelmäßig orientiert sind. Es ist des Weiteren beschrieben, dass die organischen Halbleitermoleküle, welche auf den selbstorganisierenden Monolayerfilm in dem Kanalbereich angeordnet sind, größere Körner aufweisen und eine höhere Orientierung aufweisen, als solche in Bereichen außerhalb des Kanalbereichs, in welchen keine selbstorganisierende Monolayerschicht bereitgestellt ist.
Die US 2007/0117298 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnschichttransistors unter Verwendung chemischer Impfung. Es ist beschrieben, dass ein lyophobes Material um einen Kanalbereich abgeschieden werden kann, um einen tintenstrahlgedruckten organischen Halbleiter zu erhalten, welcher danach innerhalb des Kanalbereichs abgeschieden wird. Es ist des Weiteren beschrieben, das ein lyophobes Muster in dem Kanalbereich bereitgestellt werden kann, um die Kristallisation und die molekulare Orientierung des organischen Halbleiterfilms zu steuern.
Die US 2007/0012914 A1 offenbart einen organischen Dünnschichttransistor, bei welchem eine Schicht, welche die Kristallisation unterstützt, in einem Kanalbereich bereitgestellt wird, wobei der organische Halbleiter darauf abgeschieden wird. Es ist offenbar, dass die organische Halbleiterschicht wenigstens Porphyrin mit einer organischen Silanstruktur enthält, und dass die die Kristallisation unterstützende Schicht wenigstens eine Polysiloxanverbindung umfasst. Die die Kristallisation unterstützende Schicht ist als eine mit einer gleichmäßigen Schichtdicke beschrieben. Es wird festgestellt, dass die Kristallisation durch die Wirkung der Kombination der Siloxanstruktur und der organischen Silanstruktur unterstützt wird. Es ist des Weiteren offenbart, dass jede der Schichten aus der Lösung abgeschieden werden kann. Der organische Halbleiter kann in einer Vorläuferform abgeschieden und erwärmt werden, um die kristallisierte organische Halbleiterschicht zu bilden. Es wird festgestellt, dass der Schritt der Erwärmung eine wichtige Rolle spielt, um die die Kristallisation unterstützende Funktionalität zu ermöglichen.
US 200610289859 A1 offenbart einen organischen Dünnschichttransistor, bei welchem die Kristallisation des organischen Halbleiters verbessert wird, indem eine Gate-Isolationsschicht bereitgestellt wird, umfassend eine Mischung aus einem isolierenden Polymer und einem Oberflächenbehandlungsmittel. Das isolierende Polymer und das Oberflächenbehandlungsmittel werden als eine Mischung aus der Lösung abgeschieden. Octadecyltrichlorosilan wird als ein Beispiel des Oberflächenbehandlungsmittels genannt und Polyvinylphenol wird als ein Beispiel eines isolierenden Polymers genannt. Ein Vernetzungsmittel ist auch in der Mischung enthalten, so dass, wenn die Mischung abgeschieden und getrocknet wird, die Bestandteile vernetzen.
Die US 2006/0208266 A1 offenbart einen organischen Dünnschichttransistor, bei welchem eine Pufferschicht in dem Kanalbereich vor dem Abscheiden des organischen Halbleiters bereitgestellt wird. Die Pufferschicht wird so beschrieben, dass sie dazu dient, die Orientierung des darüber liegenden organischen Halbleiters zu bestimmen. Die Pufferschicht ist als aus einem organischen Polymermaterial mit einem flüssigen Kristallkern bestehend beschrieben. Vor dem Abscheiden der Pufferschicht wird die Oberfläche durch Reiben vorbereitet, so dass die Moleküle der Pufferschicht in einer spezifischen Richtung vor der Abscheidung des organischen Halbleiters darauf orientiert sind. Es ist beschrieben, dass die Pufferschicht gebildet werden kann, indem eine Lösung der Vorläufermaterialien hergestellt wird, diese Materialien aus der Lösung abgeschieden werden und anschließend die Materialien polymerisiert werden, um die Pufferschicht zu bilden.
Die US 2006/01135326 A1 offenbart einen organischen Dünnschichttransistor, umfassend ein flüssiges kristallines organisches Halbleitermaterial. Eine flüssige Kristallausrichtungsschicht wird vor der Abscheidung des organischen Halbleitermaterials bereitgestellt. Es ist beschrieben, dass die flüssige Kristallausrichtungsschicht eine sein kann aus: einer Schicht, hergestellt durch das Aufbringen eines auf Polyimid basierenden Materials und anschließend Unterwerfen desselben einer Reibbehandlung; einer Schicht, umfassend ein härtendes Harz mit einer kleinen Ungleichmäßigkeit; oder einer Schicht, umfassend ein härtendes Harz mit einer kleinen Unebenheit, wobei die Kristallausrichtungsschicht und das Basismaterial integriert sind.
US 2005/0029514 A1 offenbart einen organischen Dünnschichttransistor, wobei eine Vielzahl von Nuten verwendet werden, um einen darüber liegenden organischen Halbleiter in dem Kanalbereich auszurichten.
Im Lichte der obigen Offenbarungen wird deutlich, dass ein großer Anteil der Arbeit von vielen unterschiedlichen Gruppen durchgeführt wurde, mit dem Ziel, die kristalline Anordnung des organischen Halbleitermaterials in einem organischen Dünnschichttransistor zu verbessern. Kernes der Verfahren ist jedoch vollständig erfolgreich, die Notwendigkeit von Ladungsträger-Hopping zwischen den Kristallbereichen des organischen Halbleitermaterials innerhalb eines Kanalbereichs eines organischen Dünnschichttransistors zu beseitigen. Dies liegt daran, dass alle Verfahren darin resultieren das Kristallwachstum an einer Vielzahl unterschiedlicher Punkte innerhalb des Kanalbereichs zu initieren. Als ein Ergebnis wachsen eine Vielzahl von Kristallbereichen innerhalb des Kanalbereichs, wobei sich keiner über die gesamte Distanz von der Source- bis zur Drain-Elektrode erstreckt. Demzufolge trifft jede Ladung, die zwischen Source und Drain fließt, unvermeidbar eine Kristallbereichsgrenzfläche und muss zu einem benachbarten Kristallbereich springen, um den Weg fortzusetzen. Diese Kristallbereichsgrenzen erhöhen den Widerstand gegen den Stromfluss innerhalb des organischen Halbleiters und führen zu einer niedrigeren Ladungsträgermobilität und niedrigeren Leitfähigkeit.
Es ist ein Ziel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Probleme anzusprechen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß eines ersten Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnschichttransistors bereitgestellt, wie in den Ansprüchen 1 bis 16 angegeben.
Insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnschichttransistors, umfassend Sourceund Drain-Elektroden mit einem Kanalbereich zwischen diesen, einer Gate-Elektrode, einer dielektrischen Schicht, angeordnet zwischen den Source- und Drain-Elektroden und der Gate-Elektrode, und einem organischen Halbleiter, welcher wenigstens in dem Kanalbereich zwischen den Source- und den Drain-Elektroden abgeschieden ist, wobei das Verfahren umfasst: Impfen einer Oberfläche außerhalb des Kanalbereichs an einer oder mehreren Stellen, um Kristallisation (Kristallisationsstelle) vor der Abscheidung des organischen Halbleiters zu initiieren; Abscheiden einer Lösung des organischen Halbleiters auf die geimpfte Oberfläche und auf den Kanalbereich, wodurch der organische Halbleiter einen Kristallbereich an der oder jeder der Kristallisationsstellen zu formen beginnt, der oder jeder Kristallbereich von seiner Kristallisationsstelle über den Kanalbereich in eine Richtung wächst, welche durch eine fortschreitende Oberflächenverdampfungsfront (advancing surface evaporation front) bestimmt wird; und Zuführen von Energie, um die Richtung und die Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront zu steuern, wodurch die Richtung und Geschwindigkeit des Wachstums des oder jedes Kristallbereichs über den Kanalbereich von der einen oder den mehreren Kristallisationsstellen außerhalb des Kanalbereichs gesteuert wird.
Das Steuern der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront kann erzielt werden, indem die Losung des organischen Halbleiters über die Kristallisationsstelle und den Kanalbereich fließt, wodurch die Kristalle in Richtung des Flusses der Lösung wachsen. Zum Beispiel könnte Aufschleudern als ein Verfahren der Abscheidung verwendet werden, wobei die Kristallbereiche während des Aufschleuderns in der tangentialen Flussrichtung der Lösung wachsen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass die resultierenden Kristallbereiche gekrümmt sind, was eine entsprechende Ausrichtung der Source- und Drain-Elektroden erfordert. Demzufolge kann ein linearer Fluss in vielen Anwendungen bevorzugt sein.
Als eine Alternative zu der Bereitstellung einer fließenden Lösung des organischen Halbleiters kann eine Steuerung bzw. Kontrolle der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront dadurch erzielt werden, dass ein Abstreifmesser (Doctor Blade) auf die oder jede Kristallisationsstelle angelegt wird, wobei das Abstreifmesser über den Kanalbereich bewegt wird, wodurch die Kristalle gezwungen werden, in Richtung der Bewegung des Abstreifmessers zu wachsen. Eine ähnliche Wirkung kann erzielt werden, wenn ein Luftmesser anstelle des Abstreifmessers verwendet wird. Das Luftmesser oder das Abstreifmesser kann erwärmt sein.
Eine weitere Möglichkeit die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront zu steuern ist es, einen Temperaturgradienten an die oder jede Kristallisationsstelle und den Kanalbereich anzulegen, wodurch der oder jeder Kristallbereich in eine durch den Temperaturgradienten bestimmte Richtung wächst. Zum Beispiel kann ein Substrat, auf welchem der organische Dünnschichttransistor gebildet wird, in bestimmten Bereichen auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt werden. Alternativ kann die Umgebungstemperatur über der oder jeder Kristallisationsstelle und dem Kanalbereich gesteuert werden, um so einen Temperaturgradienten zu erzielen.
Noch eine andere Alternative ist es, ein Verfahren zu einzusetzten, welches als eine Solution-Shearing-Abscheidung bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird eine Scherkraft auf die Lösung ausgeübt, indem ein Shearing-Substrat auf der abgeschiedenen Lösung des organischen Halbleiters angeordnet wird und das Shearing-Substrat in die Richtung gezogen wird, welche für das Kristallwachstum gewünscht ist. Vorzugsweise weist der Kanalbereich eine Oberfläche auf, welche benetzend ist und das Shearing-Substrat weist eine Oberfläche auf, welche entnetzend ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Verfahren zur Verbesserung der Kristallstruktur des organischen Halbleitermaterials in dem Kanalbereich bereit, indem sichergestellt wird, dass das Wachstum eines Kristallbereichs an einem festgelegten Ort außerhalb des Kanalbereichs initiiert wird und anschließend in einer gewünschten Richtung über den Kanalbereich fortschreitet, so dass sich Kristallbereiche über die gesamte Länge des Kanals in den Kanalbereich erstrecken. Durch diese Anordnung ist es für die Ladungträger möglich, zwischen Source und Drain zu fließen, ohne eine Kristallgrenze zu treffen und die Notwendigkeit eines Ladungungträger-Hoppings zwischen Kristallbereichen zu vermeiden. Solch eine Anordnung erhöht daher die Ladungsträgerbeweglichkeit und Leitfähigkeit zwischen den Source- und Drain-Elektroden.
Zusätzlich verbessert das Verfahren die Steuerung der Kristallorientierung des organischen Halbleiters ohne dass eine Modifikation in der Molekularstruktur des organischen Halbleitermaterials notwendig ist, wodurch die Zeit und die Ausgaben vermieden werden, die mit dem Entwerfen neuer Moleküle verbunden sind. Des Weiteren werden schädliche Effekte der funktionellen und Verarbeitungseigenschaften des organischen Halbleitermaterials, welche durch einer Modifikation in der Molekularstruktur des organischen Halbleiters auftreten können, vermieden. Zum Beispiel kann ein bekannter organischer Halbleiter aufgrund dessen funktioneller Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften ausgewählt werden, und das vorliegende Verfahren kann anschließend verwendet werden, um die Kristallinität des Materials zu erhöhen, wenn es in den Kanalbereich eines organischen Dünnschichttransistors abgeschieden wird.
Des Weiteren stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Kristallisation des organischen Halbleiters nur in dem gewünschten Bereich eines organischen Dünnschichttransistors bereit, z. B. in dem Kanalbereich und über den Source- und Drain-Elektroden. Wie zuvor ausgeführt, kann es unerwünscht sein, die Kristallinität und daher die Leitfähigkeit, des organischen Halbleiters in allen Bereichen einer Vorrichtung zu verbessern, da dies zu einem Leckstrom an den Seiten der Vorrichtung und zu Kurzschlussproblemen zwischen der darunter liegenden und darüber liegenden Metallisierung führen kann. Durch die Verwendung des vorliegenden Impf- und Steuerungsverfahrens kann eine Verbesserung der Kristallorientierung über den Source- und Drain-Elektroden und in dem Kanalbereich lokalisiert werden, so dass der organische Halbleiter in diesem Bereich im Verhältnis eine höhere Leitfähigkeit als in den anderen Bereichen der Vorrichtung aufweist. Demzufolge können Leckstrom und Kurzschlussprobleme reduziert werden.
Gemäß bestimmter Ausführungsformen wird eine oder mehrere Kristallisationsstellen entweder auf einer Source-Elektrodenseite oder einer Drain-Elektrodeseite des Kanalbereichs oder auf beiden bereitgestellt. Die eine oder mehreren Kristallisationsstellen können über oder auf jeder der Source- und Drain-Elektroden bereitgestellt werden. Der oder jeder Kristallbereich kann sich über die gesamte Länge des Kanalbereichs zwischen den Source- und Drain-Elektroden erstrecken. Zum Beispiel kann der Kristallbereich eine längliche Form aufweisen und sich in einer Richtung parallel zu einer Linie erstrecken, die die Source- und Drain-Elektroden verbindet.
Es sollte jedoch festgehalten werden, dass die Richtung der maximalen Leitfähigkeit innerhalb eines Kristallbereichs nicht notwendigerweise mit der Längsachse des Kristallbereichs übereinstimmen muss, aus den zuvor in dem Abschnittschnitt ”Hintergrund” diskutierten Gründen. Die Leitungfähigkeit innerhalb eines Kristallbereichs umfasst sowohl die Leitung längs der Moleküle und intermolekulares Hopping zwischen den Molekülen, Daher ist es unter Verwendung der vorliegenden Erfindung auch möglich, einen Kristallbereich so zu orientieren, dass eine Achse der maximalen Leitfähigkeit des Kristallbereichs im Wesentlichen parallel zu einer imaginären Linie verläuft, die die Source- und Drain-Elektroden direkt verbindet (d. h. in der Richtung des Stromflusses zwischen Source- und Drain-Elektroden während des Betriebs). Vorzugsweise ist die Achse der maximalen Leitfähigkeit in einer Richtung plus oder minus 20° der die Source- und Drain-Elektroden verbindenden Linie ausgerichtet, noch bevorzugter plus oder minus 10°, noch bevorzugter plus oder minus 5°.
Die Achse der maximalen Leitfähigkeit für einen Kristallbereich kann für ein bestimmtes organisches Material ermittelt werden, indem Strom durch einen Kristallbereich in verschiedenen unterschiedlichen Winkelrichtungen geleitet wird und die Leitfähigkeit gemessen wird. Für bestimmte Materialien können verschiedene unterschiedliche Orientierungen existieren, bei welchen eine maximale Leitfähigkeit erzielt wird, mit lokalen Minima bei Winkelorientierungen zwischen diesen. In diesem Fall wird eine der Achsen der maximalen Leitfähigkeit in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer Linie, die direkt zwischen den Source- und Drain-Elektroden verläuft, orientiert.
Eine Vielzahl von Kristallisationsstellen kann bereitgestellt werden, eine für jede einer Vielzahl von Kristallbereichen. Alternativ kann nur eine einzelne Kristallisationsstelle bereitgestellt werden. Die einzelne Kristallisationsstelle kann länglich sein und sich neben einer Seite des Kanalbereichs erstrecken, so dass eine Vielzahl von Kristallbereichen von unterschiedlichen Punkten entlang der einzelnen Kristallisationsstelle wachsen können.
Die Kristallisationsstellen können eine oder mehrere räumliche Strukturen umfassen. Zum Beispiel kann die räumliche Struktur ein oder mehrere Kerben in der Oberfläche umfassen, auf welche der organische Halbleiter abgeschieden wird. Die Kerben können z. B. durch das Pressen eines Stempels in die Oberfläche gebildet werden. Die Oberfläche kann mit einem Material vorbehandelt werden, welches gestempelt werden kann, um die Kerben zu bilden. Alternativ kann die räumliche Struktur bereitgestellt werden, indem ein erhobenes Muster auf der Oberfläche gebildet wird, auf welcher der organische Halbleiter abgeschieden wird. Zum Beispiel kann eine gemusterte Schicht von einem Stempel übertragen werden.
Die räumliche Struktur kann eine Nut oder eine Erhöhung sein, welche sich entlang einer Seite des Kanalbereichs erstreckt, z. B. über oder neben der Source- oder Drain-Elektrode.
Als eine Alternative zu dem Impfen der Oberfläche des Kanals mit einer räumlichen Struktur kann die Oberfläche unter Verwendung einer chemischen Methode geimpft werden. Kristallisationsstellen können gebildet werden, indem Bereiche lokal benetzend oder entnetzend sind. Lokalisierte entnetzende Bereiche an den Source- und Drain-Seiten des Kanalbereichs können besonders vorteilhaft sein, da die den organischen Halbleiter innerhalb eines aktiven Bereich der Vorrichtung enthalten können und auch Kristallisations-Start- und Endpunkte für die Kristallbereiche bereitstellen können.
Gemäß einer Anordnung ist der organische Dünnschichttransistor ein organischer Dünnschichttransistor mit unten liegendem Gate und das Verfahren umfasst: Formen der Gate-Elektrode auf dem Substrat; Formen der dielektrischen Schicht auf der Gate-Elektrode; Formen der Source- und Drain-Elektroden auf der dielektrischen Schicht, wobei die Source- und Drain-Elektroden voneinander beabstandet sind, und der Kanalbereich zwischen diesen auf der Gate-Elektrode angeordnet ist; Impfen der Oberfläche außerhalb des Kanalbereichs mit einer oder mehreren Kristallisationsstellen; Abscheiden der Lösung des organischen Halbleiters auf die geimpfte Oberfläche und über den Kanalbereich; und Steuern der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront, wodurch die Richtung und die Geschwindigkeit des Wachstums des oder jedes Kristallbereichs über den Kanalbereich von der einen oder mehreren Kristallisationsstellen außerhalb des Kanalbereichs gesteuert wird.
Gemäß einer alternativen Anordnung ist der organische Dünnschichttransistor ein organischer Dünnschichttransistor mit oben liegendem Gate und das Verfahren umfasst: Formen der Source- und Drain-Elektroden auf dem Substrat, wobei die Source- und Drain-Elektroden voneinander beabstandet sind und der Kanalbereich dazwischen liegt; Impfen der Oberfläche außerhalb des Kanalbereichs mit eine oder mehrere Kristallisationsstellen; Abscheiden der Lösung des organischen Halbleiters auf die geimpfte Oberfläche und auf den Kanalbereich; Steuern der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront, wodurch die Richtung und Geschwindigkeit des Wachstums des einen oder der mehreren Kristallbereiche über den Kanalbereich von der einen oder mehreren Kristallisationsstellen außerhalb des Kanalbereichs gesteuert wird; Formen der dielektrischen Schicht auf dem organischen Halbleiter; und Abscheiden der Gate-Elektrode auf der dielektrischen Schicht.
Gemäß eines anderen Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wird ein organischer Dünnschichttransistor bereitgestellt, wie in den Ansprüchen 17 bis 23 angegeben. Vorzugsweise gebildet gemäß des zuvor beschriebenen Verfahrens umfasst der organische Dünnschichttransistor Source- und Drain-Elektroden mit einem dazwischen angeordneten Kanalbereich, eine Gate-Elektrode, eine dielektrische Schicht, abgeschieden zwischen den Source- und Drain-Elektroden und der Gate-Elektrode, wobei eine Oberfläche außerhalb des Kanalbereichs eine oder mehrere Kristallisationsstellen umfasst und ein organischer Halbleiter auf dem einen oder mehrere Kristallisationsstellen und dem Kanalbereich zwischen den Source- und Drain-Elektroden abgeschieden ist, der organische Halbleiter ein oder mehrere Kristallbereiche umfasst, welche sich von der einen oder den mehreren Kristallisationsstellen über den Kanalbereich erstrecken. Jeder Kristallbereich kann aus einem Einkristall oder einer Vielzahl von Kristallen in Ausrichtung bestehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun im weiteren Detail, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei:
1 eine organische Dünnschichttransistorstruktur mit oben liegendem Gate gemäß einer Anordnung des Standes der Technik zeigt;
2 eine organische Dünnschichttransistorstruktur mit unten liegendem Gate gemäß einer Anordnung des Standes der Technik zeigt;
3 die Verfahrensschritte darstellt, die das Formen eines organischen Dünnschichttransistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst; und
4 eine Aufsicht auf ein Zwischenprodukt des Verfahrens aus 3 zeigt;
5 einen organischen Dünnschichttransistor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 einen organischen Dünnschichttransistor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 bis 9 Aufsichten auf aufeinanderfolgende Zwischenprodukte gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Ein beispielhaftes Verfahren wie das vorliegende Verfahren durchgeführt werden kann, ist schematisch in 3 dargestellt.
In einem Schritt 1 wird ein Substrat 1 anfangs durch Bildung der Source- und Drain-Elektroden 2, 4 auf diesem vorbereitet.
In Schritt 2 werden Kristallisationsstellen 14, 16 auf dem Substrat neben den Source- und Drain-Elektroden 2, 4 geformt. Die Kristallisationsstellen 14, 16 können ein nicht-benetzendes Material, wie Teflon^TM umfassen.
In Schritt 3 wird eine Lösung eines organischen Halbleiters 8 abgeschieden. Das organische Halbleitermaterial kann aus der Lösung verarbeitbar sein, so dass es aus der Lösung z. B. durch Tintenstrahldrucken abgeschieden werden kann. Das organische Halbleitermaterial kann einen niedermolekularen organischen Halbleiter, ein Polymer oder ein Dendrimer umfassen. Viele solche halbleitenden Materialien sind im Stand der Technik bekannt.
In Schritt 4 wird, während die Lösung des organischen Halbleiters 8 noch feucht ist, ein Shearing-Substrat 18 auf der Lösung angeordnet und in einer Richtung von Source-zu-Drain gezogen, wie durch den Pfeil in der Figur angegeben. Dies führt dazu, dass Kristallbereiche von der Kristallisationsstelle 14 zu der Kristallisationsstelle 16 wachsen, und die in Schritt 5 dargestellte Struktur bilden.
Schließlich wird die Vorrichtung in Schritt 6 vervollständigt, indem eine dielektrische Schicht 10 und darauf eine Gate-Elektrode 12 abgeschieden wird (dies ist ein Transistoraufbau mit oben liegendem Gate).
Die Elektroden können unter Verwendung einfacher Strukturierungsverfahren, welche im Stand der Technik bekannt sind, gedruckt oder abgeschieden werden.
Das dielektrische Material kann aus der Losung verarbeitbar sein. Zum Beispiel kann die dielektrische Schicht ein organisches Fotoresist sein, wie ein Polyimid, welches einfach aufgeschleudert und strukturiert werden kann. Alternativ kann die dielektrische Schicht ein anorganisches Material, wie SiO₂, sein.
Ein organischer Halbleiter mit einer Tendenz, sich zu ordnen und zu kristallisieren, ist bevorzugt. Eine organische Halbleiterzusammensetzung, enthaltend ein Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt, ist auch bevorzugt, da hierdurch ein längerer Zeitraum für die Moleküle bereitgestellt wird, sich umzuordnen, während die Kristallbereiche wachsen. Zum Beispiel ist ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt im Bereich von 100°C bis 200°C bevorzugt, noch bevorzugter zwischen 150°C und 200°C, besonders bevorzugt um 175°C. Dies hängt von der Art des verwendeten Abscheideverfahrens ab.
Die Konzentration der Lösung liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,5 bis 5%, noch bevorzugter 1 bis 2%, besonders bevorzugt um 2%. Eine Konzentration um 2% ist zum Aufschleudern von OSC-Lösungen bevorzugt. Andere Abscheideverfahren können etwas höhere oder niedrigere Konzentrationen erfordern.
Die Trocknungstemperatur wird auch gesteuert, um sicherzustellen, dass die Lösung des organischen Halbleiters für einen ausreichenden Zeitraum in seinem flüssigen Zustand bleibt, damit die Kristallbereiche wachsen können. Die Trocknungstemperatur kann in dem Bereich von 25°C bis 100°C, noch bevorzugter 25°C bis 50°C und besonders bevorzugt um 25°C liegen. Dies hängt davon ab, welches Lösungsmittelsystem verwendet wird.
Um eine fortschreitende Trocknungsfront zu erzeugen, die zu einem orientierten Kristallwachstum führt, entspricht die Trocknungsgeschwindigkeit vorteilhafterweise der Flussgeschwindigkeit/Schergeschwindigkeit der organischen Halbleiterlösung. Vorzugsweise liegt die Trocknungsdauer in dem Bereich von 10 Sekunden bis 10 Minuten, noch bevorzugter 20 Sekunden bis 5 Minuten, noch bevorzugter 40 Sekunden bis 4 Minuten, Typische Beschichtungszeiten in dem Bereich von mehreren zehn Sekunden bis zu einigen Minuten werden für ein Aktiv-Matrix-Rückplattensubstrat verwendet.
In Schritt 4 beginnen sich die Moleküle, welche in Lösung aufgelöst sind, an der Keimbildungsstelle 14 zu kristallisieren. Diese Ausführungsform verwendet Grenzflächen zwischen Oberflächenstrukturen mit deutlich anderen Benetzungseigenschaften, als bevorzugte Keimbildungsstellen, um die Kristallisation eines organischen Halbleiters, welcher aus der Lösung abgeschieden wird, lokal einzuleiten. Schnelle Entnetzung tritt an den Entnetzungsbereichen auf. Diese Wirkung in Kombination mit der Anwendung einer Scherkraft führt zu einer Ausdünnung der organischen Halbleiterlösung an der Grenzfläche der Entnetzungsbereiche. Dies führt zu einer lokalen Beschleunigung des Trocknungsverfahrens und der lokalisierten Bildung von Keimbildungskristallen (Keimbildung) an den Entnetzungsgrenzflächen. Verdampfung des Lösungsmittels führt zu einem Aufbau eines Konzentrationsgradienten, wobei die Konzentration des organischen Halbleiters an der Benetzbarkeitsgrenzfläche am höchsten ist und sich in einer Richtung der Scherkraft verringert. Als eine Folge tritt das Kristallwachstum von den anfänglich an der Entnetzungsgrenzfläche gebildeten Keimbildungskristallen aus auf und schreitet in einer Richtung der angelegten Scherkraft fort. Die Anfangskeimbildungskristalle können bandförmig sein. Mit einem zunehmenden Abstand von der Entnetzungsgrenzfläche vermischen sich diese OSC-Kristallbänder jedoch zu einem einzelnen Kristallbereich. Durch das Erzeugen von Benetzungsgrenzflächen mit einem geeigneten Abstand und Orientierung von den Source- und Drain-Elektroden des Transistors können große einkristalline organische Halbleiterkristalle erzeugt werden, die den Transistorkanal überbrücken.
Demzufolge ermöglicht ein Festlegen bevorzugter Keimbildungsstellen durch die Erfindung die Steuerung des Beginns der Kristallisation, d. h. des exakte Orts, von dem die resultierenden Kristalle stammen.
Des Weiteren führt zusätzlich zu der Festlegung des Ortes der Kristallherkunft der Einsatz einer Scherkraft zu einer orientierenden Wirkung, wodurch die Kristalle parallel zu der Richtung der Scherkraft wachsen.
Schließlich ermöglicht die Erfindung zusätzlich zu der Festlegung des Ortes der Kristallherkunft und der Orientierung der Kristalle, die Steuerung der Größe/Abmessung der Kristalle als eine Funktion von: (1) Flächengrößen und Formen der Benetzungs- und Entnetzungsbereiche, welche die Grenzfläche definieren, an welcher bevorzugt die Keimbildung auftritt; (2) dem Siedepunkt des Lösungsmittels und der Konzentration der Lösung des organischen Halbleiters; und (3) der Größenordnung der angelegten Scherkraft.
Die Erfindung kann auf die Herstellung von organischen Dünnschichttransistoren angewandt werden, um: (1) den Ort/die Herkunft der Kristalle niedermolekularer organischer Halbleiter wie TIPS-Pentacen(6,13-bis(triisopropyl-silylethinyl)pentacen); (2) die Größe und Abmessung der resultierenden organischen Halbleiterkristalle und (3) die Orientierung der resultierenden organischen Halbleiterkristalle, im Verhältnis zu den Source- und Drain-Elektroden in organischen Dünnschichttransistoren zu steuern.
Da die Ladungsträgerbeweglichkeit in niedermolekularen organischen Halbleiterfilmen kritisch von der Kristallmorphologie abhängt, ermöglichen Ausführungsformen eine Erhöhung der Mobilität für ein gegebenes organisches Halbleitermaterial, und verbesserte Reproduzierbarkeit, das heißt eine Verringerung der Streuung der Beweglichkeitswerte, die für organische Dünnschichttransistorvorrichtungen mit einer gegebenen Kanallänge erzielt werden.
4 zeigt eine Aufsicht auf das Zwischenprodukt, welches in Schritt 5 in 3 dargestellt ist. Kristallbereiche des organischen Halbleiters 8 erstrecken sich über den Kanalbereich zwischen den Source- und Drain-Elektroden 2, 4 von dem Entnetzungsbereich 14 zu dem Entnetzungsbereich 16.
5 zeigt eine etwas modifizierte Version der Anordnung, welche in Schritt 6 in 3 dargestellt ist. In der in 5 dargestellten Anordnung werden die Kristallisationsstellen 14, 16 auf den Source- und Drain-Elektroden 2, 4 gebildet, statt auf dem Substrat 1 neben den Source- und Drain-Elektroden 2, 4.
5 zeigt einen organischen Dünnschichttransistor mit oben liegendem Gate. Im Gegensatz dazu zeigt 6 einen organischen Dünnschichttransistor mit unten liegendem Gate. In diesem Fall wird die Gate-Elektrode 12 auf dem Substrat 1 gebildet, die dielektrische Schicht 10 wird auf der Gate-Elektrode gebildet und die Source- und Drain-Elektroden 2, 4 werden auf der dielektrischen Schicht 10 gebildet. Die Source- und Drain-Elektroden 2, 4 sind voneinander beabstandet, wobei der Kanalbereich zwischen ihnen auf der Gate-Elektrode 12 angeordnet ist. Keimbildungsstellen 14, 16 werden auf den Source- und Drain-Elektroden 2, 4 gebildet und eine Lösung eines organischen Halbleiters 8 wird auf den Kanalbereich und den Keimbildungsstellen abgeschieden, anschließend wird eine Scherkraft während des Trocknens ausgeübt, wie zuvor beschrieben.
Die 7 bis 9 zeigen Aufsichten auf aufeinanderfolgende Zwischenprodukte gemäß eines Verfahrens, bei welchem eine Vielzahl von organischen Dünnschichttransistoren zusammen auf einem gemeinsamen Substrat 1 gebildet werden. Source- und Drain-Elektroden 2, 4 werden auf dem Substrat zusammen mit den Kristallisationsstellen 14, 16 abgeschieden, wie in 7 dargestellt. In 7 sind fünf Paare einander gegenüberliegender Source- und Drain-Elektroden 2, 4 für fünf organische Dünnschichttransistorvorrichtungen bereitgestellt.
Eine Lösung eines organischen Halbleiters wird anschließend zwischen jedem Paar Source- und Drain-Elektroden abgeschieden, wie in 8 dargestellt. Wenn ein entnetzendes Material für die Kristallisationsstellen 14, 16 verwendet wird, unterstützt dies die Lösung des Halbleitermaterials in den gewünschten Bereichen zu halten.
Ein Shearing-Substrat wird anschließend auf dem Substrat 1 angeordnet, so dass die organische Halbleiterlösung in jedem der Vorrichtungsbereiche berührt wird. Das Shearing-Substrat wird anschließend in einer Richtung von Source-zu-Drain gezogen, um die Kristallbereichsstruktur zu bilden, welche in 9 dargestellt ist.
Jede der Vorrichtungen kann dann vervollständigt werden, indem eine dielektrische Schicht und eine Gate-Elektrode abgeschieden werden. Die fünf Transistoren können dann getrennt werden, indem das Substrat zwischen den Vorrichtungen geritzt und gebrochen wird.
Weitere Merkmale der organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend diskutiert.
Substrat
Das Substrat kann starr oder flexibel sein. Starre Substrate können gewählt werden aus Glas oder Silizium und flexible Substrate können dünnes Glas oder Kunststoff umfassen, wie Poly(ethylenterephthalat) (PET), Polyethylen-naphthalat) (PEN), Polycarbonat und Polyimid.
Das organische Halbleitermaterial kann durch die Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels aus der Lösung verarbeitbar sein. Beispielhafte Lösungsmittel umfassen Mono- oder Polyalkylbenzole, wie Toluol und Xylol; Tetralin und Chloroform. Verfahren zur Abscheidung aus der Lösung umfassen Aufschleudern und Tintenstrahldrucken. Andere Verfahren zur Abscheidung aus der Lösung umfassen Aufsprühen, Tauchen, Rollendruck und Siebdruck.
Organische Halbleitermaterialien
Organische Halbleitermaterialien umfassen kleine Moleküle, wie wahlweise substituiertes Pentacen; wahlweise substituierte Polymere wie Polyarylene, insbesondere Polyfluorene und Polythiophene; und Oligomere. Mischungen aus Materialien, einschließlich Mischungen unterschiedlicher Materialarten (z. B. ein Polymer und eine niedermolekulare Mischung) können verwendet werden.
Beispiele eines p-leitenden organischen Halbleitermaterials umfassen: lösliche Derivate von Pentacen, wie 6,13-Bis(triisopropyl-silylethinyl)pentacen (TIPS-Pentacen); und lösliche Derivate von Anthradithiophen, wie fluoriniertes 5,11-Bis(triethylsilylethinyl)anthradithiophen (diF-TESADT). Allgemeiner: lösliche Derivate von Acenen, wie Tetracen, Chrysen, Pentacen, Pyren, Perylen, Coronen, Benzodithiophen, Anthradithiophen, und andere kondensierte aromatische oder heteroaromatische Kohlenwasserstoffe; lösliche Derivate von Kupferphthalocyanin, Lutetiumbisphthalocyanin, oder andere Porphyrine und Metallkomplexe von Phthalocyaninverbindungen; und lösliche, geeignet substituierte Oligomere (Tetramere-Hexamere) der folgenden konjugierten Kohlenwasserstoff- und heterocyclischen Polymere: Polyanilin, Polythiophene, Polypyrrol, Polyfuran, Polypridin, Polythienylenvinylen.
Beispiele n-leitender organischer Halbleitermaterialien umfassen: lösliche Methanofulleren [60], wie [6,6]-Phenyl-C61-butyrinsäureester ([60]PCBM); lösliches Methanofulleren [70], wie [6,6]-Phenyl-C71-Butyrinsäuremethylester ([70]PCBM); lösliche Derivate von Naphthalindidicarboxyanhydriden und Naphthalindicarboximiden; und lösliche Derivate von Dicyanoperylen-3,4:9,10-bis(dicarboximiden).
Source- und Drain-Elektroden
Für einen p-Kanal OTFT umfassen die Source- und Drain-Elektroden vorzugsweise ein Material mit hoher Arbeitsfunktion, vorzugsweise ein Metall, mit einer Arbeitsfunktion von mehr als 3,5 eV, z. B. Gold, Platin, Palladium, Molybdän, Wolfram, Silber oder Chrom. Insbesondere weist das Metall eine Arbeitsfunktion in dem Bereich von 4,5 bis 5,5 eV auf. Andere geeignete Verbindungen, Legierungen und Oxide, wie Molybdäntrioxid und Indiumzinnoxid, können auch verwendet werden. Die Source- und Drain-Elektroden können durch Vakuumverdampfung abgeschieden werden und unter Verwendung von Standardlithografie und Abziehverfahren gemustert werden, die im Stand der Technik bekannt sind.
Alternativ können leitfähige Polymere als Source- und Drain-Elektroden abgeschieden werden. Ein Beispiel solch eines leitfähigen Polymers ist Poly(ethylendioxythiophen) (PEDOT), obwohl andere leitfähige Polymere im Stand der Technik auch bekannt sind. Solche leitfähigen Polymere können aus der Lösung abgeschieden werden, z. B. unter Verwendung von Aufschleudern oder Tintenstrahldruckverfahren und anderen Verfahren zur Abscheidung aus der Lösung, die oben diskutiert wurden.
Für einen n-Kanal OTFT umfassen die Source- und Drain-Elektroden ein Material, z. B. ein Material mit einer Arbeitsfunktion von weniger als 3,5 eV, wie Calcium oder Barium, oder eine dünne Schicht einer Metallverbindung, insbesondere ein Oxid oder Fluorid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, z. B. Lithiumfluorid, Bariumfluorid und Bariumoxid. Alternativ können leitfähige Polymere als Source- und Drain-Elektroden abgeschieden werden.
Die Source- und Drain-Elektroden werden vorzugsweise zur Vereinfachung der Herstellung aus dem gleichen Material gebildet. Es wird jedoch anerkannt werden, dass die Source- und Drain-Elektroden aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden können, um die Ladungsinjektion und Extraktion zu optimieren.
Die Länge des Kanals, welcher zwischen den Source- und Drain-Elektroden definiert ist, kann bis zu 500 Mikrometer betragen, vorzugsweise beträgt die Länge jedoch weniger als 200 Mikrometer, noch bevorzugter weniger als 100 Mikrometer, besonders bevorzugt weniger als 20 Mikrometer.
Gate-Elektrode
Die Gate-Elektrode kann aus einem breiten Bereich leitfähiger Materialien ausgewählt werden, z. B. einem Metall (z. B. Gold) oder einer Metallverbindung (z. B. Indiumzinnoxid). Alternativ können leitfähige Polymere als Gate-Elektrode abgeschieden werden. Solche leitfähigen Polymere können aus einer Lösung abgeschieden werden, z. B. unter Verwendung von Aufschleudern oder Tintenstrahldruckverfahren und anderen Verfahren zur Abscheidung aus der Lösung wie oben diskutiert.
Die Dicke der Gate-Elektrode, der Source- und Drain-Elektroden kann in dem Bereich von 5–200 nm liegen, obwohl sie typischerweise 50 nm beträgt, gemessen z. B. mit Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM).
Isolationsschicht
Die Isolationsschicht umfasst ein dielektrisches Material, gewählt aus Isolationsmaterialien mit einem hohen Widerstand. Die dielektrische Konstante k des Dielektrikums liegt typischerweise bei 2–3, obwohl Materialien mit einem hohen k-Wert wünschenswert sind, da die Kapazität, die für ein OTFT erzielbar ist, direkt proportional zu k ist, und der Drain-Strom I_D ist direkt proportional zur Kapazität. Um daher hohe Drain-Ströme mit niedrigen Betriebsspannungen zu erzielen, sind OTFTs mit dünnen dielektrischen Schichten in dem Kanalbereich bevorzugt.
Das dielektrische Material kann organisch oder anorganisch sein. Bevorzugte anorganische Materialien umfassen SiO₂, SiN_x und Spin-on-Glas (SOG). Bevorzugte organische Materialien sind im Allgemeinen Polymere und umfassen isolierende Polymere, wie Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidin (PVP), Acrylate, wie Polymethylmethacrylat (PMMA) und Benzocyclobutane (BCBs), erhältlich von Dow Corning. Andere Beispiele umfassen fluorinierte Polymere in fluorinierten Lösungsmitteln. Die Isolationsschicht kann aus einer Mischung aus Materialien gebildet werden oder umfasst eine Multilayerstruktur.
Das dielektrische Material kann durch Vakuumverdampfung, Vakuumverarbeitung oder Laminierungsverfahren abgeschieden werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Alternativ kann das dielektrische Material aus der Lösung abgeschieden werden unter Verwendung von z. B. Aufschleudern oder Tintenstrahldruckverfahren und anderen Verfahren zur Abscheidung aus der Lösung, welche oben beschrieben wurden.
Wenn das dielektrische Material aus der Lösung auf den organischen Halbleiter abgeschieden wird, sollte es nicht zu einer Auflösung des organischen Halbleiters führen. Ähnlich sollte das dielektrische Material nicht aufgelöst werden, wenn der organische Halbleiter auf dasselbe aus Lösung aufgebracht wird. Verfahren, um solch eine Auflösung zu vermeiden, umfassen: die Verwendung orthogonaler Lösungsmittel, d. h. die Verwendung eines Lösungsmittels zur Abscheidung der obersten Schicht, welche die darunter liegende Schicht nicht auflöst; und Vernetzung der darunter liegenden Schicht.
Die Dicke der Isolationsschicht beträgt vorzugsweise weniger als 2 Mikrometer, noch bevorzugter weniger als 500 nm.
Weitere Schichten
Andere Schichten können in dem Aufbau der Vorrichtung enthalten sein. Zum Beispiel kann eine sich selbst organisierende Monoschicht (SAM) auf den Gate-, Source- oder Drain-Elektroden, dem Substrat, der Isolationsschicht oder dem organischen Halbleitermaterial abgeschieden sein, um die Kristallinität zu unterstützen, den Kontaktwiderstand zu reduzieren, die Oberflächeneigenschaften zu reparieren und die Adhäsion zu unterstützen, wenn erforderlich. Insbesondere kann die dielektrische Oberfläche in dem Kanalbereich mit einer Monoschicht bereitgestellt werden, umfassend einen Bindungsbereich und einen organischen Bereich, um die Leistung der Vorrichtung zu verbessern, d. h. durch Verbessern der Morphologie des organischen Halbleiters (insbesondere der Polymerausrichtung und Kristallinität), Bedecken von Ladungsfallen, insbesondere bei einer dielektrischen Oberfläche mit hohem k. Beispielhafte Materialien für solch eine Monoschicht umfassen Chloro- oder Alkoxysilane mit langen Alkylketten, z. B. Octadecyltrichlorosilan. Ähnlich können die Source- und Drain-Elektroden mit einer SAM bereitgestellt werden, um den Kontakt zwischen dem organischen Halbleiter und den Elektroden zu verbessern. Zum Beispiel können Gold-SD-Elektroden mit einer SAM bereitgestellt werden, umfassend eine Thiobindungsgruppe und eine Gruppe zur Verbesserung des Kontakts, welche eine Gruppe mit einem hohen Dipolmoment sein kann; ein Dotiermittel oder ein konjugierter Rest.
OTFT-Anwendungen
OTFTs gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzen einen weiten Bereich möglicher Anwendungen. Eine solche Anwendung ist es, die Pixel in einer optischen Vorrichtung anzutreiben, vorzugsweise einer organischen optischen Vorrichtung. Beispiele solcher optischer Vorrichtungen umfassen fotoresponsive Vorrichtungen, insbesondere Fotodetektoren, und lichtemittierende Vorrichtung, insbesondere organische lichtemittierende Vorrichtungen. OTFTs sind besonders geeignet zur Verwendung mit organischen lichtemittierenden Aktiv-Matrix-Vorrichtungen, z. B. zur Verwendung in Display-Anwendungen.
Während diese Erfindung insbesondere in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist Fachleuten auf dem Gebiet klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail durchgeführt werden können, ohne sich von dem Umfang der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 2005/0029514 A1 [0027]

Claims

Verfahren zum Formen eines organischen Dünnschichttransistors, umfassend Source- und Drain-Elektroden mit einem Kanalbereich dazwischen, eine Gate-Elektrode, eine dielektrische Schicht, angeordnet zwischen der Source- und Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode, und einen organischen Halbleiter, angeordnet in wenigstens dem Kanalbereich zwischen den Source- und Drain-Elektroden, wobei das Verfahren umfasst: Impfen einer Oberfläche außerhalb des Kanalbereichs an einer oder mehreren Stellen zum Initiieren einer Kristallisation vor dem Abscheiden des organischen Halbleiters; Abscheiden einer Lösung des organischen Halbleiters auf die geimpfte Oberfläche und auf den Kanalbereich, wodurch der organische Halbleiter einen Kristallbereich an der oder jeder der Stellen zu formen beginnt, der oder jeder Kristallbereich von der Kristallisationsstelle über den Kanalbereich in einer Richtung wächst, welche durch eine fortschreitende Oberflächenverdampfungsfront bestimmt wird; und Zuführen von Energie, um die Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront zu steuern, und hierdurch die Richtung und Geschwindigkeit des Wachstums des oder jedes Kristallbereichs über den Kanalbereich von der einen oder den mehreren Stellen außerhalb des Kanalbereichs zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zuführen von Energie zur Steuerung der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront erzielt wird, indem die Lösung des organisch Halbleiters über die Stellen zum Initiieren der Kristallisation und den Kanalbereich fließt, wodurch der oder jeder Kristallbereich in einer Richtung des Flusses der Lösung wächst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zuführen von Energie zur Steuerung der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront erzielt wird, indem ein Abstreifmesser oder Luftmesser auf der oder jeder Stelle zur Initiierung der Kristallisation angelegt wird, das Abstreifmesser oder Luftmesser über den Kanalbereich bewegt wird, wodurch der oder jeder Kristallbereich in einer Richtung der Bewegung des Abstreifmessers oder des Luftmessers wächst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zuführen von Energie zur Steuerung der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront erzielt wird, indem ein Temperaturgradient auf die oder jede Stelle zur Initiierung der Kristallisation und den Kanalbereich angelegt wird, wodurch der oder jeder Kristallbereich in einer durch den Temperaturgradienten bestimmten Richtung wächst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zuführen von Energie zur Steuerung der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung der Oberflächenverdampfungsfront erzielt wird, indem ein Shearing-Substrat auf die Oberfläche der Lösung des organischen Halbleiters aufgebracht wird und das Shearing-Substrat in eine für das Kristallbereichwachstum gewünschte Richtung gezogen wird, wodurch der oder jeder Kristallbereich in einer Richtung der Bewegung des Shearing-Substrat wächst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Kanalbereich eine Oberfläche aufweist, welche benetzend ist und das Shearing-Substrat eine Oberfläche aufweist, welche entnetzend ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die eine oder die mehreren Stellen zur Initiierung der Kristallisation entweder auf der Seite einer Source-Elektrode oder der Seite einer Drain-Elektrode des Kanalbereichs oder auf beiden bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die eine oder die Stellen zur Initiierung der Kristallisation auf oder neben der Source-Elektrode, der Drain-Elektrode oder sowohl Source- und Drain-Elektroden bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die eine oder die mehreren Stellen zur Initiierung der Kristallisation durch eine Grenzfläche eines Entnetzungsmaterials bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der oder jeder Kristallbereich von der Kristallisationsstelle über die gesamte Länge des Kanalbereichs zwischen den Source- und Drain-Elektroden wächst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der oder jeder Kristallbereich eine Achse der maximalen Leitfähigkeit aufweist, ausgerichtet in einer Richtung plus oder minus 20° einer imaginären Linie, welche die Source- und Drain-Elektroden direkt verbindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lösung des organischen Halbleiters ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt in dem Bereich von 100°C bis 200°C umfasst.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Lösung des organischen Halbleiters eine Konzentration des organischen Halbleiters in dem Bereich von 0,5% bis 5% aufweist.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei eine Umgebungstemperatur während des Steuerungsschrittes in dem Bereich von 25°C bis 100°C gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die gesteuerte Umgebungstemperatur für einen Zeitraum in dem Bereich von 10 Sekunden bis 10 Minuten angelegt wird.
Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der oder jeder Kristallbereich aus einem Einkristall besteht.
Organischer Dünnschichttransistor, umfassend: Source- und Drain-Elektroden mit einem Kanalbereich dazwischen; eine Gate-Elektrode; eine dielektrische Schicht, angeordnet zwischen der Source- und Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode; und eine organische Halbleiterschicht, wobei eine Oberfläche außerhalb des Kanalbereichs eine oder mehrere Stellen zur Initiierung der Kristallisation umfasst und der organische Halbleiter auf der einen oder den mehreren Stellen und dem Kanalbereich zwischen der Source- und Drain-Elektrode angeordnet ist, wobei der organische Halbleiter einen oder mehrere Kristallbereiche umfasst, welche sich von der einen oder den mehreren Kristallisationsstellen über den Kanalbereich erstrecken.
Organischer Dünnschichttransistor nach Anspruch 17, wobei die eine oder die mehreren Stellen zur Initiierung der Kristallisation entweder an einer Source-Elektrodenseite oder einer Drain-Elektrodenseite des Kanalbereichs oder an beiden bereitgestellt sind.
Organischer Dünnschichttransistor nach Anspruch 18, wobei die eine oder die mehreren Stellen zur Initiierung der Kristallisation auf oder neben der Source-Elektrode, der Drain-Elektrode oder beiden Source- und Drain-Elektroden bereitgestellt sind.
Organischer Dünnschichttransistor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die eine oder die mehreren Stellen zur Initiierung der Kristallisation durch eine Grenzfläche aus einem benetzenden Material bereitgestellt werden.
Organischer Dünnschichttransistor nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei sich der oder jeder Kristallbereich von der Kristallisationsstelle über die gesamte Länge des Kanalbereichs zwischen den Source- und Drain-Elektroden erstreckt.
Organischer Dünnschichttransistor nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der oder jeder Kristallbereich eine Achse der maximalen Leitfähigkeit aufweist, ausgerichtet in einer Richtung plus oder minus 20° einer imaginären Linie, welche die Source- und Drain-Elektroden direkt verbindet.
Organischer Dünnschichttransistor nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der oder jeder Kristallbereich aus einem Einkristall besteht.
Organische lichtemittierende Vorrichtung, umfassend einen organischen Dünnschichttransistor nach einem der Ansprüche 17 bis 23.