DE202005009260U1

DE202005009260U1 - Organischer Feldeffekttransistor

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Publication number: DE202005009260U1
Application number: DE202005009260U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2015-06-14

Abstract

Organischer Feldeffekttransistor, welcher eine Source-Elektrode (3), eine Drain-Elektrode (4), eine Gate-Elektrode (5) und eine Schicht eines ladungstransportierenden organischen Halbleiters (2) umfasst, wobei die Source-Elektrode (3), die Drain-Elektrode (4) und die Gate-Elektrode (5) angrenzend zur Schicht des organischen Halbleiters (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Halbleiter (2) elektrisch dotiert ist und dass die Gate-Elektrode (5) als sperrender Kontakt ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen organischen Feldeffekttransistor (OFET). OFETs sind in verschiedenen Bauformen und auf der Basis verschiedener organischer Halbleiter bekannt. Prinzipiell bildet ein organischer Halbleiter einen Kanal zwischen Drain- und Source-Elektrode, welcher durch einen Gate-Isolator von der von der Gate-Elektrode getrennt ist. Durch das Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode kann die Leitfähigkeit des Kanals kapazitiv moduliert werden. Ein Überblick über herkömmliche OFETs findet sich beispielsweise in „Organic Thin Film Transistors" von Colin Reese, Marc Roberts, Mang-mang Lin und Zhenan Bao in Materials Today, S. 20 – 27, September 2004.
Ein Nachteil des herkömmlichen OFET liegt in seinen prinzipiell schlechten Hochfrequenzeigenschaften aufgrund der geringen Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal. Die maximale Schaltfrequenz f_T eines OFETs kann durch folgende Formel beschrieben werden (siehe beispielsweise S. M. Sze „Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 1981, ISBN 0-471-05661-8):
wobei μ die Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal, V_D die Spannung zwischen Source- und Drain-Elektrode und L die Kanallänge ist. Da die Oberflächenbeweglichkeit u in organischen Halbleitern begrenzt ist und die Drain-Spannung V_D durch schaltungstechnische Vorgaben beschränkt ist, kann eine Erhöhung der Schaltfrequenz f_T meist nur durch eine Reduktion der Kanallänge erreicht werden. Dieses ist meist mit hohem Aufwand und Kosten verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schalten von OFETs bei hohen Frequenzen zu verbessern und die Limitierungen der Hochfrequenzeigenschaften herkömmlicher OFETs zu überwinden.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße organische Feldeffekttransistor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil eines verbesserten Schaltverhaltens des OFETs bei hohen Frequenzen für eine gegebene Kanallänge und einen gegebenen organischen Halbleiter. Der Kanal des erfindungsgemäßen OFET besteht aus einem dotierten organischen Halbleiter. Im Gegensatz zu konventionellen OFETs ist die Gate-Elektrode im direkten Kontakt mit dem Kanal und nicht durch einen Gate-Isolator von ihr getrennt. Die Gate-Elektrode bildet einen Schottky-Kontakt mit dem dotierten organischen Halbleiter. Durch die Variation der angelegten Gate-Spannung wird die Breite der Raumladungszone des Schottky-Kontakts moduliert, woraus sich eine Variation des Drain-Stroms ergibt.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des gattungsgemäßen OFETs möglich.
Zeichnung
Der erfindungsgemäße OFET und seine Vorteile werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen OFETs
2: eine Transistorkennlinie eines erfindungsgemäßen OFETs auf der Basis von Iod-dotiertem Pentacen mit Gold-Kontakten als Drain- und Source-Kontakten und eine Aluminium-Gate-Elektrode
3: die Transfer-Kennlinien zweier erfindungsgemäßer OFETs auf der Basis von Iod-dotiertem Pentacen mit Gold-Kontakten als Drain- und Source-Kontakten und eine Aluminium-Gate-Elektrode. Durch die unterschiedlichen Dotierungen ergeben sich verschiedene Schwellspannungen für die beiden OFETs, so dass sich ein OFET als „normally-on" Transistor und ein OFET als „normally-off" Transistor erhält
4: das Schaltverhalten eines herkömmlichen OFETs und eines erfindungsgemäßen OFETs auf der Basis von Pentacen mit einer Kanallänge von jeweils 10 μm im Vergleich bei hohen Frequenzen
Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen OFETs. Auf einem Substrat (1) ist ein organischer Halbleiter (2) aufgebracht. Das Substrat (1) ist elektrisch isolierend oder durch eine geeignete Zwischenschicht vom organische Halbleiter (2) elektrisch isoliert. Vorteilhafterweise kann das Substrat (2) flexibel ausgebildet sein. Der organische Halbleiter (2) ist elektrisch dotiert, d.h. er weist eine in Vergleich zum undotierten Material erhöhte elektrische Leitfähigkeit auf. Die durch Dotierung erzielte Dichte der freien Ladungsträger liegt Vorteilhafterweise im Bereich zwischen 10¹ ⁴ und 10¹ ⁹ cm^– ³. Ein Beispiel für einen p-dotierten organischen Halbleiter ist Iod-dotiertes Pentacen (siehe beispielsweise J.H. Schön, Ch. Kloc, E. Bucher und B. Batlogg „Efficient photovoltaic diodes based on doped pentacene" in Nature 403 (2000), S. 408 – 410). Dem Fachmann sind weitere Arten der n- und p-Dotierung sowohl von molekularen als auch von polymeren organischen Halbleitern durch organische und/oder anorganische Dotanden bekannt. Die Patentanmeldung US 2005/0040390 A1 und die dort zitierten Dokumente zeigen weitere Methoden zur kontrollierten Dotierung organischer Halbleiter auf.
Für den Fachmann ist unmittelbar erkennbar, dass die Abscheidung des organischen Halbleiters (2) sowohl aus der Gasphase, im Vakuum oder aus der Lösung geschehen kann. Ebenso ist es möglich den organischen Halbleiter (2) während der Abscheidung zu dotieren oder in einem weiteren Schritt die Dotierung des Halbleiters vorzunehmen.
Angrenzend an den organischen Halbleiter (2) befinden sich eine metallische Source- (3) und Drain-Elektrode (4). Diese Elektroden (3, 4) bilden jeweils einen leitenden Kontakt (z.B. Ohmscher-Kontakt) zum dotierten organischen Halbleiter. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde Gold als Elektrodenmaterial für ohmsche Kontakte mit Iod-dotiertem Pentacen verwendet. Generell bieten sich für p-Halbleiter Metalle mit einer hohen Austrittsarbeit an, während für n-Halbleiter Materialien mit einer niedrigen Austrittsarbeit vorteilhaft sind. Dem Fachmann sind sowohl für Elektronen-injizierende als auch für Löcher-injizierende Elektroden an organischen Halbleitern aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Verbesserungsmethoden beispielsweise durch Pufferschichten oder lokale Dotierung bekannt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen der Source- (3) und Drain-Elektrode (4) und angrenzend zum organischen Halbleiter (2) eine metallische Gate-Elektrode (5). Diese Elektrode (5) bildet einen sperrenden Kontakt (z.B. Schottky-Kontakt) zum dotierten organischen Halbleiter. Die Höhe der energetischen Barriere des Kontaktes kann über die Wahl des Elektrodenmaterials eingestellt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Iod-dotiertem Pentacen als organischen Halbleiter (2) ergeben sich für Schottky-Kontakte mit Chrom, Aluminium oder Magnesium Barrierenhöhen von etwa 0.8 eV, 1.1 eV bzw. 1.3 eV. Generell bieten sich für p-Halbleiter Metalle mit einer niedrigen Austrittsarbeit wie beispielsweise Magnesium, Aluminium, Kalzium oder Lithium an, während für n-Halbleiter Materialien mit einer hohen Austrittsarbeit wie Gold oder Platin vorteilhaft sind. Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik weitere Methoden zur Herstellung sperrender Kontakte mit dotierten organischen Halbleitern bekannt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Elektroden (3, 4, 5) auf dem organischen Halbleiter (2) aufgebracht. Es sind aber auch andere geometrische Ausführungen denkbar, in denen die Elektroden (3, 4, 5) angrenzend an den organischen Halbleiter (2) ausgebildet sind. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, die Elektroden (3, 4, 5) vor der Abscheidung des dotierten organischen Halbleiters auf dem Substrat (1) aufzubringen.
Da die Gate-Elektrode (5) als sperrender Kontakt realisiert ist, bildet sich im organischen Halbleiter (2) angrenzend zur Gate-Elektrode (5) eine Verarmung an Ladungsträgern aus. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Verarmungsschicht ist aufgrund der reduzierten Ladungsträgerdichte deutlich geringer als die elektrische Leitfähigkeit des dotierten organischen Halbleiters (2) ohne angrenzende Gate-Elektrode (5). Durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode (5) kann die räumliche Ausdehnung dieser Verarmungszone variiert werden. Durch diesen Effekt ersteht durch die Modulation der Spannung an der Gate-Elektrode (5) eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des dotierten organischen Halbleiters (2) zwischen der Source- (3) und Drain-Elektrode (4), d.h. die Leitfähigkeit des Kanals kann durch die angelegte Gate-Spannung gesteuert werden.
Für den Fachmann ist unmittelbar erkennbar, dass auch von in 1 abweichende Anordnungen, insbesondere geometrische Anordnungen, bestehend aus einem dotierten organischen Halbleiter (2), Source- (3), Drain- (4) und Gate-Elektrode (5) eine Modulation der Leitfähigkeit des Kanals durch die angelegte Gate-Spannung ermöglichen.
2 zeigt die Modulation der Leitfähigkeit eines erfindungsgemäßen OFETs bestehend aus Iod-dotiertem Pentacen als organischen Halbleiter (2), Gold- Kontakten als Source- (3) und Drain-Elektrode (4) und einer Aluminium-Gate-Elektrode (5).
Durch die Wahl der Materialien der Gate-Elektrode (5) und des organischen Halbleiters (2), der Dotierungskonzentration des organischen Halbleiters (2) und durch die Geometrie des gattungsgemäßen OFETs kann die Transistor-Charakteristik variiert werden. So können als mögliche Ausführungsbeispiele OFETs hergestellt werden, deren Leitfähigkeit durch Anlegen einer Gate-Spannung erhöht werden kann („normally-off" OFET) oder deren Leitfähigkeit durch Anlegen einer Spannung verringert werden kann („normally-on" OFET). 3 zeigt die Transfer-Kennlinien eines „normally-off" und eines „normally-on" OFETs auf der Basis von dotiertem Pentacen. Durch die Variation der Dotierkonzentration kann die Schwellspannung des OFETs verändert werden, woraus sich die beiden gezeigten Verhalten ergeben.
4 vergleicht das Schaltverhalten eines erfindungsgemäßen OFETs mit dem eines herkömmlichen OFETs. Bei beiden dargestellten OFETs besteht der aktive Kanal aus Pentacen und beide OFETs weisen eine Kanallänge von 10 μm auf. Die Figur zeigt den Strom („On-Strom") bei einer Drain-Spannung von –5 V und einer Gate-Spannung von –5 V, wobei diese durch die Frequenz f moduliert wird. Die maximale Schaltfrequenz f_T ist definiert durch die Dämpfung des „On-Stroms" um 3 dB im Vergleich zum statischen Schaltverhalten. Die Erhöhung der maximalen Schaltfrequenz f_T durch den erfindungsgemäßen OFET im Vergleich zu herkömmlichen, kapazitiv modulierten OFETs ist offensichtlich.
Gattungsgemäße OFETs lassen sich als n- oder p-Typ Transistoren und als „normally-on" oder „normally-off" Transistoren darstellen und ermöglichen daher eine Vielzahl von Möglichkeiten für den Aufbau logischer Schaltkreise.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung lediglich illustrativ für die Erfindung ist. Verschiedene Alternativen und Modifikationen können durch einen Fachmann ohne Abweichung von der Erfindung in Betracht gezogen werden. Demgemäß ist die vorliegende Erfindung so gedacht, dass sie alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Variationen umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Organischer Feldeffekttransistor, welcher eine Source-Elektrode (3), eine Drain-Elektrode (4), eine Gate-Elektrode (5) und eine Schicht eines ladungstransportierenden organischen Halbleiters (2) umfasst, wobei die Source-Elektrode (3), die Drain-Elektrode (4) und die Gate-Elektrode (5) angrenzend zur Schicht des organischen Halbleiters (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Halbleiter (2) elektrisch dotiert ist und dass die Gate-Elektrode (5) als sperrender Kontakt ausgebildet ist.
Organischer Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement auf einem mechanisch flexiblen Substrat (1) aufgebracht ist.
Organischer Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) einen Kunststoff beinhaltet.
Organischer Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des ladungstransportierenden organischen Halbleiters (2) eine Dicke zwischen 5 nm und 10 μm aufweist, vorzugsweise zwischen 10 und 100 nm.
Organischer Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des ladungstransportierenden organischen Halbleiters (2) eine Ladungsträgerkonzentration zwischen 10¹⁴ cm¹ ³ und 10¹⁹ cm^–3 aufweist.
Organischer Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen dem ladungstransportierenden organischen Halbleiter (2) und der Gate-Elektrode (5) eine Energiebarriere vom mehr als 0.5 eV aufweist.
Organischer Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertspannung des organischen Transistors zwischen –10 V und +10 V liegt.
Organischer Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der ladungstransportierende organische Halbleiter (2) eine dotierte Form eines Derivats einer der folgenden Verbindungen ist: Benzol, Naphthalin, Naphthacen, Pentacen, Biphenyl, Terphenyl, Quaterphenyl, Quinquephenyl, Sexiphenyl, Triphenylen, Chrysen, Pyren, Naphthalocyanin, Porphyrin, Perylen, Truxen, Fluoren und Thiophen oder eine entsprechende aromatische Verbindung, in welcher ein oder mehrere Ringkohlenstoffatome durch Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel ersetzt sind.
Elektronischer Schaltkreis, enthaltend wenigstens eine Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.