DE202011108655U1

DE202011108655U1 - Transistor mit Halbleitermaterial basierend auf Polythiophenen

Info

Publication number: DE202011108655U1
Application number: DE202011108655U
Authority: DE
Original assignee: Heraeus Precious Metals GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2021-12-07

Abstract

Ein Feldeffekt-Transistor (10) beinhaltend: i. mindestens drei Elektroden (20, 22, 24), ii. ein Dielektrikum (30), iii. mindestens ein Halbleitermaterial (40), wobei das Halbleitermaterial (40) eine Verbindung der allgemeinen Formel (I),beinhaltet, worin n eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist, R1 für eine fluorierte C2-C20-Alkylgruppe steht und R2 unabhängig voneinander für eine lineare oder verzweigte C1-C20-Alkylgruppe, eine gegebenenfalls durch ein(e) oder mehrere O- oder S-Atome, Silylen-, Phosphonoyl- oder Phosphorylgruppen unterbrochene C1-C20-Alkylgruppe oder für H steht.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Transistoren, insbesondere der Feld-Effekt-Transistoren. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Transistor mit einem Halbleitermaterial mit besonders günstigen Eigenschaften für den Einsatz in Transistoren, wie beispielsweise Feld-Effekt Transistoren.
Im Stand der Technik werden unterschiedliche Materialien als Halbleitermaterial in Transistoren verwendet. So werden zum einen Halbleitermetalle, wie Silicium oder Germanium verwendet oder aber halbleitende organische Strukturen, wie Thiophene. So wird in der Publikation "n-Type Building Blocks for Organic Electronics: A Homologous Family of Fluorocarbon-Substituted Thiophene Oligomers with High Carrier Mobility" in Advanced Materials, 2003, 15, No. 1, January 3 von Facchetti et. al. beschrieben, dass Thiophene gut geeignet sind solche Halbleiterschichten in Transistoren zu verwenden. Es wird in der Veröffentlichung von einer hohen Mobilität der Elektronen in diesen Materialien gesprochen, jedoch wird nur ein Weg zur Herstellung dieser Materialien beschrieben, der verbesserungswürdig ist.
In der Publikation "Non-symmetrical oligothiophenes with incompatible substituents", Tetrahedron 63 (2007) 941–946 wird ein Weg aufgezeigt, unsymmetrisch substituierte Oligo-Thiophene mittels Suzuki Kupplung herzustellen. Diese unsymmetrisch hergestellten Thiophene sind jedoch ineffizient beim Einsatz als Halbleiter in Transistoren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mindestens einen der sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile mindestens teilweise zu überwinden.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verbindung als Halbleiter bereitzustellen, die eine hohe elektrische Mobilität aufweist und auf einfache Weise herstellbar ist.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Transistor bereitzustellen, der möglichst effizient elektronische Signale verstärken oder schalten kann.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Transistor bereitzustellen, der eine möglichst hohe elektronische Mobilität sowie ein gutes On-Off-Verhältnis aufweist.
Ferner ist es eine Aufgabe einen Transistor mit einem Halbleitermaterial bereitzustellen, das möglichst einfach herstellbar ist und möglichst wenig Nebenprodukte aufweist.
Einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der vorstehenden Aufgaben leistet die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Sachansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Sachansprüchen dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Feld-Effekt-Transistor beinhaltend:

i. mindestens drei Elektroden,
ii. ein Dielektrikum,
iii. mindestens ein Halbleitermaterial,

¹

₂

₂₀

²

₁

₂₀

₁

₂₀

Transistoren werden im allgemeinen dazu verwendet elektrische Signale zu verstärken oder zu regulieren. Man unterscheidet bipolare von unipolaren Transistoren, wobei der unipolare Transistor auch als Feld-Effekt-Transistor bezeichnet wird.
Bei den Feld-Effekt-Transistoren (unipolarer Transistor) unterscheidet man im Allgemeinen mindestens drei verschiedene Elektrodentypen. So spricht man von einer Source- einer Drain- und einer Gate-Elektrode. In der Regel sind bei einem Feld-Effekt-Transistor die Source- und die Drain-Elektrode direkt mit dem Halbleitermaterial verbunden, während die Gate-Elektrode durch ein elektrisch isolierendes Material, dem Dielektrikum, vom Halbleitermaterial getrennt ist. Die angelegte Spannung zwischen Source- und Drain-Elektrode allein führt nicht zu einem Stromfluss zwischen den Elektroden durch den Halbleiter. Erst das Anlegen einer Spannung zwischen Source- und Gate-Elektrode führt durch das sich daraus ergebende elektrische Feld zu einer Anreicherung (n-Halbleiter) oder Verarmung (p-Halbleiter) an Elektronen im Halbleiter, so dass es ab einer gewissen Schwellspannung zur Ausbildung eines Leitungskanals im Halbleiter kommt und ein Strom innerhalb dieses Kanals von der Source- zur Drain-Elektrode fließt.
Es können die Bereiche in denen jeweils die Source- und die Drain-Elektrode mit dem Halbleitermaterial verbunden ist, von anderen Bereichen des Halbleitermaterials in Ihrer Zusammensetzung, Größe und Form variieren. Es kann zwischen mindestens zwei verschiedenen Typen von Feld-Effekt-Transistoren unterschieden werden. So wird beispielsweise ein Verarmungstyp von einem Anreicherungstyp unterschieden. Das Halbleitermaterial weist in der Regel mindestens einen Bereich auf, der mit Elektronen angereichert oder an Elektronen verarmt ist. Bei anorganischen Halbleitern wird dies beispielsweise durch Fremdatom-Dotierung erreicht. So wird beim Anreicherungstyp in der Regel mindestens ein n^– dotierter Bereich durch Dotierung mit elektronenreicheren Atomen erzeugt. Umgekehrt wird beim Verarmungstyp mindestens ein p⁺ dotierter Bereich durch Dotierung mit elektronenärmeren Atomen geschaffen. Die Dotierungen bewirken, dass das Halbleitermaterial bei angelegtem elektrischen Feld leichter in einen leitfähigen Zustand gebracht werden kann, so dass der Transistor schalten kann. Bei organischen Halbleitern wird beispielsweise die Elektronenaffinität bevorzugt durch elektronenziehende Gruppen im Molekülgerüst erhöht, bzw. durch elektronenreiche Gruppen gesenkt und somit kann der jeweilige Ladungstransport von Elektronen oder Ladungslöchern beeinflusst werden. Die frei delokalisierbaren Elektronen in Halbleitermaterialien sind bevorzugt die eigentlichen Ladungsträger, die ab einer bestimmten Spannung, angelegt zwischen den p⁺ und/oder n^– Bereichen sowie weiteren Bereichen des Transistors, elektrischen Strom leiten können. Im Allgemeinen wird sowohl die Source-Elektrode als auch die Drain-Elektrode jeweils an einen gleich dotierten Bereich, also an einen p⁺ oder einen n^– dotierten Bereich angeschlossen. Dazwischen kann sich zumeist der umgekehrte Typ an Dotierung befinden. Die Gate-Elektrode kann an verschiedenen Stellen zwischen oder neben diesen beiden Elektroden angeordnet sein, jedoch getrennt durch eine elektrisch isolierende Schicht, sodass keine direkte Ladung von der Gate-Elektrode auf das Halbleitermaterial übertreten kann.
Beim bipolaren Transistor werden Halbleitermaterialien elektronenreicher Dotierung (n-Halbleiter) und elektronenarmer Dotierung (p-Halbleiter) in entweder der Abfolge pnp oder npn hintereinander geschaltet. Der unipolare Transistor hingegen wird aus nur einer Sorte Halbleiter gebaut, also entweder n- oder p-Halbleiter. In Abhängigkeit vom verwendeten Halbleitertyp wird ein Stromfluss zwischen Source- und Drain-Elektrode bei positiver oder negativer Gate-Spannung oberhalb einer Schwellspannung geschaltet.
Über die Variation der Spannung zwischen Source- und Gate-Elektrode kann der Stromfluss zwischen Source- und Drain-Elektrode bis hin zu einer Sättigung variiert und gesteuert werden.
Die Dotierung des Halbleitermaterials kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Herkömmliche Feld-Effekt-Transistoren weisen beispielsweise ein Silicium oder Germanium Substrat als Halbleitermaterial auf, das in verschiedenen Bereichen entweder positiv oder negativ dotiert wird, indem dem Material durch Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter Elektronen entzogen oder hinzugefügt werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Es werden folglich Bereiche mit mehr oder mit weniger delokalisierbaren Elektronen bereit gestellt. Eine weitere Option ist die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Bereitstellung der n^– und p⁺ Bereiche. So kann beispielsweise für die Bereitstellung des oder der p⁺ dotierten Bereiche ein dementsprechend behandeltes Siliciummaterial verwendet werden und für die Bereitstellung des oder der n^– Bereiche ein entsprechend gefertigtes Polymer, wie später noch spezifiziert.
In einem Feld-Effekt-Transistor (FET) können verschiedene Typen von Elektroden unterschieden werden. In der Regel ist ein FET so aufgebaut, dass er mindestens drei Elektroden aufweist, die unterschiedliche Funktionen übernehmen. So spricht man von einer Source- einer Drain- und einer Gate-Elektrode. Die Source- und Drain-Elektroden sind zumeist gleichartig aufgebaut. Sie kontaktieren das Halbleitermaterial meist direkt oder sind sogar Bestandteil des Halbleitermaterials. Die Größe und Form der Elektroden kann sich bevorzugt nach der Ausgestaltung des mindestens einen Halbleitermaterials richten. Im Allgemeinen liegt die Ausdehnung der Kontaktfläche der Source- und Drain-Elektroden in einem Bereich zwischen 0,01 bis 5 cm, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,1 bis 3 cm, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,2 bis 2 cm. Die Elektroden können verschiedene Materialien aufweisen. So kann mindestens ein Teil der Elektroden ein Metall aufweisen. Das Metall kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Eisen, Gold, Silber, Platin und Gold sowie mindestens zwei davon. Bevorzugt weist mindestens die Source- oder Drain-Elektrode Gold auf. Alternativ kann das Material mindestens eines Teils der Elektroden auch Silicium aufweisen.
Für das Aufbringen des Goldes auf die Elektrode kann jedes geeignete Verfahren verwendet werden. Bevorzugt wird das Gold aufgedampft oder mit Hilfe einer Paste aus leifähigem Polymer gemischt mit Gold aufgebracht. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Transistors beinhaltet mindestens eine der mindestens drei Elektroden Silicium.
Die mindestens drei Elektroden können mittels Anschlüssen oder Kontakten mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Die Anschlüsse können aus jedem Material gebildet werden, das geeignet ist, elektrische Ladung zu transportieren. Mindestens zwei der Anschlüsse dienen dazu das Halbleitermaterial an mindestens zwei verschiedenen Stellen, beispielsweise der Source- und der Drain-Elektrode, zu Kontaktieren, um eine Spannung zwischen diesen Stellen anlegen zu können. Die Anschlüsse können bevorzugt aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material, wie leitfähiges Polymer, bestehen. Bevorzugt ist das Material der Anschlüsse ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Kupfer, Gold, Silber und Eisen oder mindestens zwei davon. Bevorzugt beinhalten die Anschlüsse Gold, besonders bevorzugt beinhalten die Anschlüsse mehr als 80 Gew.-% Gold.
Die mindestens drei Anschlüsse können jede Form aufweisen, die es ermöglichen, das mindestens eine Halbleitermaterial bzw. die Elektroden direkt oder indirekt zu kontaktieren. Die mindestens drei Anschlüsse können jede, dem Fachmann hierfür bekannte Form annehmen. Die Anschlüsse weisen mindestens auf einer Seite eine äußere Oberfläche auf, mit der sie mit dem Halbleitermaterial bzw. mit mindestens einer, der mindestens drei Elektroden, in Kontakt treten können. Mindestens diese eine Kontaktstelle kann beispielsweise rund, eckig, oval, zahnartig, u-förmig oder gerade ausgeformt sein.
Das Dielektrikum ist bevorzugt ein Material, das elektrisch schwach- oder bevorzugt nichtleitend ist. Es dient dazu, verschiedene Bereiche innerhalb des Transistors elektrisch von einander zu isolieren bzw. zu trennen. Aufgrund seiner bevorzugt niedrigen elektrischen Leitfähigkeit kann elektrische Ladung innerhalb des Transistors räumlich begrenzt werden. Das Dielektrikum sollte eine Durchschlagsfestigkeit gegenüber elektrischer Ladung in einem Bereich von 1 bis 200 kV/mm, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 150 kV/mm, besonders bevorzugt in einem Bereiche von 20 bis 100 kV/mm aufweisen. Das Dielektrikum kann jedes Material beinhalten, das diese elektrisch schwach- bis nichtleitende Eigenschaft aufweist. Das Dielektrikum kann beispielsweise ein Polymer, ein Glas, eine Keramik, ein elektrisch schwach- bis nichtleitendes Gas, ein Öl, ein Porzellan, ein Metalloxid, ein Halbmetalloxid oder Wasser beinhalten. Bevorzugt kann das Dielektrikum ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Quarzglase (SiO₂), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyester, Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) und Teflon oder eine Mischung hieraus. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Transistors beinhaltet das Dielektrikum Silicium-Dioxid.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Feld-Effekt-Transistor eine Zwischenschicht auf. Bevorzugt ist die Zwischenschicht zwischen dem Dielektrikum und dem Halbleiter angeordnet. Es können auch weitere Schichten, beispielsweise eine weitere Zwischenschicht, neben dem Dielektrikum angeordnet sein, die aus den oben genannten Materialien für das Dielektrikum bestehen können. Diese können die elektrische Isolation verschiedener Bereiche des Transistors verstärken.
Der Transistor weist darüber hinaus erfindungsgemäß mindestens ein Halbleitermaterial auf, das einen Stromfluss zwischen den mindestens zwei Source- und Drain-Elektroden bei Anlegen einer bestimmten Schwellspannung zwischen Source- und Gate-Elektrode (Gatespannung) regulieren kann. Hierzu kann das Halbleitermaterial mit einer Basis-Spannung zwischen zwei Elektroden beaufschlagt werden. Das Halbleitermaterial kann ab einer spezifischen Schwell-Gatespannung den Strom leiten. Diese Schwellspannung ist abhängig von der Art und Ausgestaltung des Halbleitermaterials. Beispielsweise ist die Schwellspannung abhängig von der Mobilität der Elektronen (auch ”electron mobility” genannt), die an einem Stromtransport beteiligt sein können, in dem Halbleitermaterial. Das Halbleitermaterial kann jedes Material beinhalten, das Halbleitereigenschaften aufweist. Das Halbleitermaterial weist erfindungsgemäß ein Thiophen der Formel (I) auf. Darüber hinaus kann das Halbleitermaterial weitere Materialien jeglicher Art aufweisen. Bevorzugt weist das Halbleitermaterial weiterhin Materialien ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus einem Halbleitermetall und einer halbleitenden organischen Struktur auf. Das Halbleitermetall kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Silicium und Germanium oder einer Kombination daraus. Die halbleitende organische Struktur kann insbesondere ein Thiophen sein. Es ist denkbar ein erstes Halbleitermaterial, bestehend aus einem Halbleitermetall, auszuwählen und mit einem zweiten Halbleitermaterial, bestehend aus einer halbleitenden organischen Struktur, zu verbinden. Das Halbleitermaterial ist bevorzugt schichtförmig in dem Feld-Effekt-Transistor angeordnet. Bevorzugt weist das Halbleitermaterial eine Dicke in einem Bereich von 0,05 μm bis 0,2 μm auf. Das Halbleitermaterial weist bevorzugt eine flächige Ausdehnung quer zur Dicke auf, die in einem Bereich von 0,1 μm² bis 0,5 cm² liegen kann.
Bevorzugt wird die Gate-Elektrode durch ein Dielektrikum von dem Halbleitermaterial elektrisch isoliert. Dies kann durch eine weitere Zwischenschicht verstärkt werden, wie bereits erwähnt. Die Zwischenschicht kann dabei Bestandteil des Dielektrikums sein oder eine eigene Schicht ausbilden. Bevorzugt weist der Feld-Effekt-Transistor mindestens eine Zwischenschicht auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Transistors ist die Verbindung der allgemeinen Formel (I) erhältlich durch Vorlegen einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
worin n, R¹ die für die allgemeine Formel (I) genannte Bedeutung hat,
R³ für eine lineare oder verzweigte C₁-C₂₀-Alkylgruppe oder zusammen über C₂-C₅ einen Ring mit der O-B-O-Einheit bilden oder für H steht und
m eine ganze Zahl von 1 bis 9 ist,
bei einer Temperatur von 0°C bis +200°C in einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch vollständig gelöst, und Kuppeln mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (III)
worin R² die in der allgemeinen Formel (I) genannte Bedeutung hat,
X für Cl, Br oder I steht,
Y die Bedeutung von X oder R¹ hat und
p für eine ganze Zahl steht,
in einer wässerigen basischen Lösung und mithilfe eines oder mehrerer Katalysatoren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verbindung steht n in der allgemeinen Formel (I) für 1 oder 2.
Weiterhin bevorzugt ist, dass R³ in der Formel (II) für eine C₁-C₁₂-Alkylgruppe oder H steht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Verbindung wird als Katalysator ein Pd(0)-Komplex verwendet. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Pd(0)-Komplex um einen tetrakis(triphenylphosphin)-Paladium-Komplex (Pd(PPh₃)₄). Zusätzlich oder alternativ können auch andere Katalysatoren verwendet werden, wie beispielsweise Pt(0)-Komplexe oder Cu-Komplexe.
Bevorzugt können als Lösungsmittel beim Vorlegen der Verbindung Alkane, Aromaten oder Ethergruppen enthaltende Verbindungen oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Lösungsmittel eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Vorlegens der Verbindung kann als Lösungsmittel eine wasserlösliche Ethergruppen enthaltende Verbindung eingesetzt werden.
Bevorzugt kann als Lösungsmittel Tetrahydrofuran eingesetzt werden.
Die Kupplungsreaktion kann bevorzugt bei Temperaturen von 50°C bis +120°C durchgeführt werden.
Beispiele
Glasgeräte wurden eine Stunde bei 150°C im Ofen getrocknet, heiß montiert und unter Schutzgas (Argon) abgekühlt. Dimethylsulfoxid (DMSO) wurde über CaH₂ getrocknet, unter Vakuum destilliert (12 mbar, 95°C) und anschließend über Molekularsieb 3 Å gelagert. Tetrahydrofuran (THF) wurde über LiAlH₄ getrocknet und unter Argon destilliert. 2-Bromthiophen, 1-Jod-1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,6-tridecafluorhexan, 4,4,5,5-Tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan, Butyllithium-Lösung, Tetrakis(triphenylphosphin)palladium(0) und 5,5'-Dibrom-2,2'-bithiophen wurden von Sigma-Aldrich Co. besorgt.
2-(Tridecafluorhexyl)thiophen
2-Bromothiophen (10.00 g, 61 mmol) und 1-Iod-1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,6-tridecafluorhexan (39.66 g, 89 mmol) wurden in 120 ml wasserfreiem Dimethylsulfoxid (DMSO) gelöst und die Lösung entgast. Anschließend wurden Kupferbronze (25.43 g, 0.4 mol) und 2,2'-Bipyridin (0.2 g, 1.3 mmol) zugegeben und die Reaktion bei 125°C 36 Stunden unter Rückfluss erhitzt. Das Produkt wurde durch Extraktion mit Methyl-tert.-butylether (MTBE) isoliert und die organische Lösung über Natriumsulfat getrocknet. Das Lösungsmittel wurde verdampft und das Rohprodukt im Vakuum destilliert (Sdp.: 88–91°C bei 0,14 mbar). Isolierte Ausbeute: 58%. ¹H NMR (250.13 MHz, DMSO-d₆, δ, ppm): 7.24 (ddt, 1H, J₁ = 4.9 Hz, J₂ = 3.1 Hz, J₃ = 1.8 Hz), 7.54 (d, 1H, J = 3.1 Hz), 7.94 (dd, 1H, J₁ = 4.9 Hz, J₂ = 3.1 Hz).
4,4,5,5-Tetramethyl-2-[5-(tridecafluorhexyl)thiophen-2-yl]-1,3,2-dioxabarolan
Bei –78°C wurde zu 70 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran (THF) n-Butyllithium (21.9 mmol, 13.68 ml einer 1.6 M Lösung in Hexan) getropft. Anschließend wurde eine Lösung aus 2-(Tridecafluorhexyl)thiophen (8.00 g, 19.9 mmol) in 50 ml wasserfreiem THF zugetropft, so das die Temperatur –70°C nicht überstieg. Die Reaktion wurde 30 Minuten bei –78°C gerührt und anschließend das Kühlbad entfernt und die Temperatur auf 0°C ansteigen gelassen. Dann wurde erneut auf –78°C gekühlt und 4,4,5,5-Tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan (4.15 g, 22.3 mmol) in einer Portion zugegeben. Die Reaktion wurde bei –78°C 90 Minuten gerührt und dann auf Raumtemperatur gebracht. Zur Isolierung wurde die Reaktionslösung unter Argon in eine Mischung aus entgastem Wasser (500 ml) und 20.4 ml einer 1 M Salzsäure gegeben. Dann wurde frisch destilliertes Dichloromethan (500 ml) zugegeben und die organische Phase abgetrennt, mit Wasser gewaschen (2 × 400 ml), über Natriumsulfat getrocknet und filtriert und das Lösungsmittel verdampft. Isolierte Ausbeute: 9.12 g (87%). ¹H NMR (250.13 MHz, CDCl₃, δ, ppm): 7.49 (d, 1H, J = 3.7 Hz), 7.54 (dt, 1H, J₁ = 3.7 Hz, J₂ = 1.8 Hz).
5,5'''-Bis(tridecafluorhexyl)-2,2':5',2'':5'',2'''-quaterthiophen
Tetrakis(triphenylphosphin)palladium(0) (270 mg, 0.23 mmol) wurde unter Argonatmosphäre im Reaktionskolben vorgelegt. Lösungen aus 4,4,5,5-Tetramethyl-2-[5-(tridecafluorhexyl)thiophen-2-yl]-1,3,2-dioxaborolan (7.90 g, 15 mmol) und 5,5'-Dibrom-2,2'-bithiophen (2.02 g, 6.2 mmol) in 120 ml THF und Na₂CO₃ (22.5 ml, 2 M wässerige Lösung) wurden zunächst entgast und anschließend in den Reaktionskolben überführt. Die Reaktionslösung wurde dann bei 70°C für 36 Stunden unter Rückfluss gekocht. Zur Isolierung wurde das Reaktionsgemisch in eine Mischung aus Wasser (200 ml) und Toluol (700 ml) gegeben. Die organische Phase wurde abgetrennt, mit Wasser bis zur pH-Neutralität gewaschen und das Rohprodukt, das als feiner Niederschlag in der organische Phase vorlag, abfiltriert. Das Rohprodukt wurde zunächst chromatographisch vom Katalysator gereinigt (Eluent Toluol, 90°C, 100 ml Silica Gel). Anschließend wurde das Produkt aus Toluol umkristallisiert und im Vakuum sublimiert (190–210°C, 0,2 mbar). Das Produkt wurde als limonen-gelber Feststoff mit einer Reinheit laut GPC von 100% erhalten. Seine Strukturformel entspricht der Produktformel der ersten Spalte aus Tabelle 1. Zukünftig wird dieses Produkt als DFH4T bezeichnet.
Eine Aufnahme eines aussagefähigen ¹H NMR Spektrums war aufgrund der geringen Löslichkeit nicht möglich. Elementaranalyse: berechnet für C₂₈H₈F₂₆S₄: 34.79% C, 0.83% H, 13.27% S, 51.10% F; gefunden: 34.91% C, 0.82% H, 13.14% S, 51.36% F.
In der folgenden Tabelle 1 werden Beispiele für mögliche Produkte gemäß der Formel I, in Spalte 4 der Tabelle 1 angegeben, die nach dem oben beschriebenen Protokoll aus den Edukten der Formel II, in der 2. Spalte der Tabelle 1 und der Formel III, angegeben in der 3. Spalte der Tabelle 1, erhältlich sind. Variieren der Substituenten der Edukte der Formel II bzw. III sind möglich und ergeben weitere Produkte passend zu der Formel I.
Beispiele zur Zusammensetzung von Organischen Feld-Effekt Transistoren (OFET)
a) Substrate für OFETs und deren Reinigung
Einseitig polierte n-dotierte Silicium-Wafer, der Firma Sil-Chem, mit einer thermisch gewachsenen Oxid-Schicht von 300 nm Dicke wurden in 25 mm·25 mm große Stücke, genannt Substrate, geschnitten. Die Substrate wurden zunächst sorgfältig gereinigt. Hierzu wurden die anhaftenden Silicium-Splitter durch Reiben mit einem Reinraumtuch (Bemot M-3, Ashaih Kasei Corp.) unter fließendem, destillierten Wasser entfernt und anschließend wurden die Substrate in einer wässrigen 0,3%-igen Wasser/Mucasol-Lösung bei 65°C für 15 min im Ultraschallbad (Fa. Bandelin, SONOREX Typ RK 510 H, HF-Leistung: 160 W, f = 35 KHz) gereinigt. Anschließend wurden die Substrate mit destilliertem Wasser gespült und in einer Zentrifuge (Fa. Semitool, Typ PSC-101) bei 2000 U/min. für 600 Sekunden trocken geschleudert. Unmittelbar vor der anschließenden Beschichtung wurde die polierte Oberfläche in einem UV/Ozon-Reaktor (PR-100, UVP Inc., Cambridge, GB) für 10 min gereinigt.
b) Aufbringen des Dielektrikums und der dielektrischen Schicht

i. Octyldimethylchlorsilan (ODMS): Das für das Dielektrikum 30 verwendete Octyldimethylchlorsilan (Aldrich, 246859) wurde in eine Petrischale gegossen, so dass der Boden gerade bedeckt war (ca. 1 ml). Darauf hin wurde das Magazin, in dem sich die hochkant stehenden, gereinigten Si-Substrate befanden, gestellt. Alles wurde mit einem umgestülpten 60 ml. Becherglas abgedeckt und die Petrischale auf 70°C erwärmt. Die Substrate verblieben für 1 Stunde in der Octyldimethylchlorsilan reichen Atmosphäre. Anschließend wurden die Substrate mit Ethanol abgespült und mit Stickstoff trocken geblasen.
ii. Zwischenschicht Polymere: Als Polymere zur Bildung der Zwischenschicht wurden eingesetzt: Polystyrol (Aldrich, CAS9003-53-6), Poly(styrene-co-acrylnitile) (Aldrich, CAS9003-54-7) COC 5013 (Topas Advanced Polymers GmbH), COC 8007 (Topas Advanced Polymers GmbH), Polymethylmethacrylat (PMMA) (Aldrich, CAS9011-14-7). Die Polymere wurden jeweils einzeln in Toluol gelöst zu einer Konzentration von 5 mg/ml. Circa 1 ml der jeweiligen Polymerlösung wurde auf dem Substrat verteilt. Die dünne Schicht wurde mittels einer Lackschleuder (Karl Süss, RC8) erzeugt. Die Bedingungen beim Schleudern waren: Drehgeschwindigkeit 200 U/min, Beschleunigung: 200 U/(min·sec), der Deckel war offen. Nach dem Abschleudern der Lösung wurden die Substrate auf eine Heizplatte gelegt und bei circa 130°C für 1 min getrocknet.

c). Organisches Halbleitermaterial
Das organische Halbleitermaterial 40 wurde als Schicht mittels thermischer Sublimation erzeugt. Dafür wurde ein mit der dielektrischen Schicht (wie oben beschrieben) versehenes Substrat in eine Aufdampfanlage (Univex 350, Leybold) transferiert. Circa 25 mg der Verbindung mit der Formel (I) befand sich in einem thermischen Verdampfer (Mo Boat, Umicore 0482054). Bei einem Druck von 10^–3 Pa wurde der Strom, der durch den Verdampfer floss, soweit erhöht bis die Verbindung (I) schmolz und verdampfte. In diesem Beispiel wurde für weitere Versuche DFH4T als Verbindung der Formel (I) verwendet.
d) Aufbringen der Elektroden
Die Elektroden für Source und Drain wurden anschließend auf die Schicht gedampft. Dazu wurde eine Schattenmaske in Größe des Substrates (25 × 25 mm²) verwendet, die aus einer galvanisch erzeugten Ni-Folie mit 4 Aussparungen aus zwei ineinander greifenden Kämmen bestand. Die Zähne der einzelnen Kämme waren 100 μm breit und 4,7 mm lang. Die Maske wurde auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats gelegt und von der Rückseite mit einem Magnet fixiert. In einer Aufdampfanlage (Univex 350, Leybold) wurden die Substrate mit Gold bedampft. Die so erzeugte Anschlussstruktur hatte eine Länge von 14,85 cm bei einem Abstand von 100 μm und einer Breite von 100 μm.
e) Kapazitätsmessung
Die elektrische Kapazität der Anordnung wurde bestimmt, in dem ein identisch präpariertes Substrat, aber ohne organische Halbleiterschicht, parallel hinter gleichen Schattenmasken bedampft wurde. Die Kapazität zwischen dem p-dotierten Silicium-Wafer und der aufgedampften Elektrode wurde mit einem Multimeter, (MetraHit 18S, Gossen Metrawatt GmbH) bestimmt. Die gemessene Kapazität betrug für diese Anordnung z. B. für eine 15 nm dicke Polystyrolschicht als Dielektrikum C = 1,15 nF. Aufgrund der Elektrodengeometrie ergibt sich eine Flächenkapazität von C = 10,9 nF/cm².
f) elektrische Charakterisierung
Die Kennlinien wurden mit Hilfe eines Aufbaus des Feld-Effekt-Transistors, wie er in 1 dargestellt ist, bestimmt. Mit Hilfe zweier Strom-Spannungsquellen (Keithley 238), als 60 und 62 in 1 bezeichnet, wurden die Kennlinien gemessen. Die erste Spannungsquelle 60 legte ein elektrisches Potenzial zwischen der Source-Elektrode 20 und der Drain-Elektrode 22 und bestimmte dabei den fließenden Strom, während die zweite Spannungsquelle 62 ein elektrisches Potenzial zwischen der Gate-Elektrode 24 und der Source-Elektrode 20 legte. Die Source-Elektrode 20 und die Drain-Elektrode 22 wurden mit aufgedrückten Au-Stiften, als Anschlüsse, kontaktiert. Der hochdotierte Si-wafer, mit einer Resistivität von 2,5–7,5 Ohm·cm, bildete die Gate-Elektrode 24 und wurde über die von der Siliziumoxid-Schicht freigekratzten Rückseite kontaktiert. Die Aufnahme der Kennlinien und die Auswertungen erfolgte nach dem bekannten Verfahren, wie z. B. beschrieben in "Organic thin-film transistors: A reviwe of recent advances", C. D. Dimitrakopoulos, D. J. Mascaro, IBM J. Res. & Dev. Vol. 45 No. 1 January 2001. Für die Charakterisierung der Verbindungen (I) wurde die Source-Drain-Spannung im Bereich von –2 bis +100 V und die Source-Gate-Spannung im Bereich von –10 bis +100 V variiert.
Aus der elektrischen Charakterisierung, wie sie zuvor beschrieben wurde, ergaben sich folgende für diesen Transistoraufbau relevante Kenngrößen, die zusätzlich in Tabelle 2 zusammengefasst sind:

i. (elektronische) Beweglichkeit (mobility)
ii. On/Off-Verhältnis (On/Off-Ratio) I_D(U_G = +100 V)/I_D(U_G = 0 V)
iii. Schwellenspannung (threshold voltage)

Beispiel	Dielektrikum/Zwischenschicht	Umgebungsbedingungen	mobility (saturation) [cm²/Vs]	mobility (linear) [cm²/Vs]	On/Offratio	Threshold voltage [V]
1	Polystyrol	Stickstoff (N₂)	7,08E–01	2,28E–01	7,7E+06	43,7
2	Poly(styrene-co-acrylnitrile)	Stickstoff (N₂)	2,46E–01	1,22E–01	3,2E+06	43,4
3	COC 5013	Stickstoff (N₂)	4,49E–01	1,40E–01	3,7E+06	45,0
4	COC 8007	Stickstoff (N₂)	8,10E–01	1,71E–01	4,5E+06	44,7
5	PMMA	Stickstoff (N₂)	1,44E–01	7,58E–02	7,7E+05	51,9
6	ODMS	Stickstoff (N₂)	3,63E–01	1,49E–01	1,3E+06	74,2
7	Polystyrol	Luft	2,60E–02	1,10E–02	5,9E+05	75,8

Aus Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass die Mobilität der Elektronen in der Halbleiterschicht stark von der Zusammensetzung des Dielektrikums abhängt. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass bei steigender Mobilität, die Schwellspannung sinkt. Es kann also mit der Wahl des Materials und der Form des Dielektrikums bzw. der Zwischenschicht, sowie weiterer optionaler Zwischenschichten, die Schwellspannung des jeweiligen Feld-Effekt-Transistors variiert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in der Figur schematisch dargestellt.
Im Einzelnen zeigen:
1: Schematische Darstellung eines Feld-Effekt-Transistors
In 1 ist schematisch ein Feld-Effekt Transistor 10 dargestellt, dessen Aufbau variieren kann. Erfindungsgemäß weist der Feld-Effekt Transistor 10 eine Gate-Elektrode 24 auf, die mindestens durch ein Dielektrikum 30 und ggf. einer Zwischenschicht 50 von dem Halbleitermaterial 40 bzw. den Elektroden 20, 22 getrennt ist. Das Dielektrikum 30 bestand in diesem Beispiel aus Siliciumdioxid (SiO₂). Die Zwischenschicht 50 ist nicht zwingend notwendig. Die Zwischenschicht 50 wurde für verschiedene Feld-Effekt-Transistoren in Ihrer Zusammensetzung variiert, so wie dies in Tabelle 2 beschrieben wurde. Sie dient zur Unterstützung des Dielektrikums 30, um die Gate-Elektrode 24 von dem Halbleitermaterial 40 elektrisch zu isolieren. Die Elektroden 20 und 22 werden als Source-Elektrode 20 und Drain-Elektrode 22 bezeichnet. Die Source- und Drain-Elektroden (20, 22) wurden mit einem Gold-Kontakt kontaktiert, wie dies oben beschrieben wurde. Die Source-Elektrode 20 ist über eine erste Spannungsquelle 60 mit der Gate-Elektrode 24 verbunden. Ebenfalls sind Source-Elektrode 20 und Drain-Elektrode 22 mit einander über eine zweite Spannungsquelle 62 mit einander verbunden. Wird nun bei einer gegebenen Spannung zwischen Source- und Drain-Elektrode (20, 22) eine Spannung zwischen Source-Elektrode 20 und Gate-Elektrode 24 über die erste Spannungsquelle 60 angelegt, die über der Schwellenspannung des jeweiligen Feld-Effekt Transistors 10 liegt, so fließt ein Strom zwischen Source-Elektrode 20 und Drain-Elektrode 22, da durch das sich ausbildende elektrische Feld in der Grenzschicht des Halbleitermaterials 40 zum Dielektrikum 30, bzw. in der Zwischenschicht 50 ein Leitungskanal im Halbleitermaterial 40 induziert wird.
Bezugszeichenliste

10: Feld-Effekt Transistor
20: Source-Elektrode
22: Drain-Elektrode
24: Gate-Elektrode
30: Dielektrikum
40: Halbleitermaterial
50: Zwischenschicht
60: erste Spannungsquelle
62: zweite Spannungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

”n-Type Building Blocks for Organic Electronics: A Homologous Family of Fluorocarbon-Substituted Thiophene Oligomers with High Carrier Mobility” in Advanced Materials, 2003, 15, No. 1, January 3 von Facchetti et. al. [0002]
”Non-symmetrical oligothiophenes with incompatible substituents”, Tetrahedron 63 (2007) 941–946 [0003]
”Organic thin-film transistors: A reviwe of recent advances”, C. D. Dimitrakopoulos, D. J. Mascaro, IBM J. Res. & Dev. Vol. 45 No. 1 January 2001 [0044]

Claims

Ein Feldeffekt-Transistor (10) beinhaltend: i. mindestens drei Elektroden (20, 22, 24), ii. ein Dielektrikum (30), iii. mindestens ein Halbleitermaterial (40), wobei das Halbleitermaterial (40) eine Verbindung der allgemeinen Formel (I),
beinhaltet, worin n eine ganze Zahl von 1 bis 10 ist, R¹ für eine fluorierte C₂-C₂₀-Alkylgruppe steht und R² unabhängig voneinander für eine lineare oder verzweigte C₁-C₂₀-Alkylgruppe, eine gegebenenfalls durch ein(e) oder mehrere O- oder S-Atome, Silylen-, Phosphonoyl- oder Phosphorylgruppen unterbrochene C₁-C₂₀-Alkylgruppe oder für H steht.
Der Transistor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens drei Elektroden (20, 22, 24) Silicium beinhaltet.
Der Transistor gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (30) Silicium-Dioxid beinhaltet.
Der Transistor gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dielektrikum (30) und der Halbleiterschicht (40) mindestens eine Zwischenschicht (50) angeordnet ist.