DE602004005824T2 - Elektronische vorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Anordnung mit einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor mit einer Source- und einer Drainelektrode, welche durch eine, ein organisches Material enthaltende, aktive Schicht voneinander getrennt sind, welche von dem ersten und dem zweiten Transistor gemeinsam genutzt wird, wobei diese jeweils eine Gateelektrode aufweisen, die durch eine dielektrische Schicht von der aktiven Schicht getrennt ist.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Anordnung mit einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor mit einer gemeinsamen, ein organisches Halbleitermaterial vom P-Typ enthaltenden, aktiven Schicht, welche aus einer Lösung auf ein Substrat aufgebracht wird.
  • Eine solche Anordnung und ein solches Verfahren sind aus WO-A 99/10939 bekannt. Die bekannte Anordnung weist einen Feldeffekttransistor auf, welcher vollständig aus organischem Material besteht. Die Source- und Drainelektrode sind dann in einer ersten, elektrisch leitenden Schicht vorgesehen, und die Gateelektrode ist in einer zweiten, elektrisch leitenden Schicht angeordnet. Die aktive Schicht enthält ein organisches Halbleitermaterial, wie z.B. Poly-2,5-Thienylenevinylen. Das Halbleitermaterial ist, zumindest nicht wissentlich, nicht dotiert und zeigt ein p-Ladeverhalten.
  • Ein Nachteil der bekannten Anordnung ist, dass eine solche Anordnung mit unipolaren Logiken mit einer Wechselrichtereinheit verbunden sein muss. Bei unipolaren Logiken weist eine solche Einheit zwei Transistoren auf, deren Drainelektroden untereinander verbunden sind und bei welcher das Gate eines Transistors, des Lasttransistors, mit den Drainelektroden elektrisch verbunden ist. Die Drainelektroden sind dann mit dem Ausgang des Wechselrichters, die Sourceelektrode des Lasttransistors mit der Versorgungsspannung Vdd und die Gateelektrode des zweiten, Treiber-, Transistors mit dem Eingang verbunden, und die Sourceelektrode des Steuertransistors ist geerdet.
  • Der Nachteil solcher unipolarer Logiken liegt unter anderem darin, dass die Leistungsverstärkung des Wechselrichters begrenzt ist. Die Leistungsverstärkung wird hier als die Änderung der Ausgangsspannung als eine Funktion der Eingangsspannung definiert.
  • Eine normale Leistungsverstärkung liegt in der Größenordnung von 1,2 bis 2. In Anbetracht dessen, dass auf Wechselrichtern basierende Logiken nicht mehr mit einer Leistungsverstärkung von 1 oder weniger arbeiten, ist diese Leistungsverstärkung allein für das Funktionieren der Logiken ausreichend. Die Folge hiervon ist eine geringe Rauschschwelle. Diese Rauschschwelle ist oftmals so gering, dass es schwer ist, eine hohe Spannung von einer niedrigen Spannung zu unterscheiden. Die Differenz zwischen hoch und niedrig bei Digitalschaltungen entspricht einer Differenz zwischen 1 und 0, mit anderen Worten, entweder einem Ergebnis oder keinem Ergebnis.
  • Der Erfindung liegt somit als Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art vorzusehen, bei welcher die Wechselrichtereinheit eine höhere Leistungsverstärkung und eine bessere Rauschschwelle aufweist.
  • Diese Aufgabe wird dadurch erfüllt, dass die Anordnung eine Wechselrichtereinheit mit einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor aufweist, welche jeweils eine Source- und eine Drainelektrode umfassen, die in der gleichen Elektrodenschicht aus elektrisch leitendem Material angeordnet sind. Ein aus einer Source- und einer Drainelektrode (in einem Transistor) bestehendes Paar ist darin durch einen ersten Kanal vom n-Leitfähigkeitstyp und durch einen zweiten Kanal vom p-Leitfähigkeitstyp, welche in einer aktiven Schicht vorgesehen sind, die organisches Halbleitermaterial enthält, miteinander verbunden. Jeder der Transistoren weist eine Gateelektrode auf, welche durch eine dielektrische Schicht von den Kanälen getrennt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Transistoren der als ambipolare Transistoren bekannten Art verwendet. Diese Transistoren können sowohl als p-Transistor als auch als n-Transistor dienen. Tests haben gezeigt, dass auf diese Weise wesentlich höhere Leistungsverstärkungen und höhere Rauschschwellen erreicht werden können. Bei anfänglichen Tests wurde eine Leistungsverstärkung von 10 gemessen. Die Wechselrichtereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet dann auf eine überraschend positive Weise in zweierlei Hinsicht.
  • Erstens ist es erstaunlich, dass der gleiche elektrische Leiter als Elektrodenmaterial sowohl für den Transistor vom n-Typ als auch für diesen vom p-Typ geeignet ist. Es ist ein normaler Ausgangspunkt, dass bei Materialien vom n-Typ ein elektrisch leitendes Material mit einer geringen Austrittsarbeit einzusetzen ist. Als Beispiele sind Al, Ba und Ca zu nennen; diese Metalle werden für die Katode in organischen Dioden verwendet. Gemäß der Erfindung wird lediglich ein einziges Elektrodenmaterial eingesetzt, und dennoch wer den keine unüberbrückbaren Zwischenräume zwischen dem Elektrodenmaterial und der aktiven Schicht festgestellt.
  • Es liegt auf der Hand, dass die Verwendung des gleichen Elektrodenmaterials für alle Source- und Drainelektroden große Vorteile bei der Herstellung der Anordnung bietet. Es muss stets eine getrennte Metallschicht mit einem getrennten Beschichtungs- und Strukturierungsschritt aufgebracht werden. Darüber hinaus sind nicht alle Metallschichten kompatibel, und für die verschiedenen Metallschichten werden verschiedene Haftschichten verwendet. Selbstverständlich kann die elektrisch leitende Schicht verschiedene Schichten umfassen. Besonders günstige Materialien sind Edelmetalle, wobei jedoch auch organische Leiter, wie z.B. Poly-3,4-Ethylendioxythiophen (PEDOT), und oxidische Leiter, wie z.B. Indiumzinnoxid (ITO), einsetzbar sind.
  • Zweitens ist es erstaunlich, dass eine einzige aktive Schicht aus organischem Material sowohl für den n- als auch den p-Transport von Ladungsträgern geeignet ist, ohne dass eine wesentliche Behinderung oder ‚Self-Leveling' des p-Transports durch für den n-Transport verantwortliche Bestandteile auftreten kann. Dieses zeigt sich dadurch, dass in der aktiven Schicht ein erster und ein zweiter Kanal vorhanden sind, wobei es nicht ausgeschlossen ist, dass diese Kanäle im chemischen Sinn zum Teil überlappen. Dass die aktive Schicht von dem ersten und dem zweiten Transistor gemeinsam genutzt wird, bedeutet, dass die aktive Schicht der Transistoren in einem einzigen Beschichtungsschritt aufgebracht wird und somit im Prinzip die gleiche Zusammensetzung aufweist. Vorzugsweise ist die aktive Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor kontinuierlich vorgesehen. Die Tatsache, dass beide Kanäle in einer aktiven Schicht angeordnet sind, schließt nicht aus, dass diese eine Schicht als mehrere Teilschichten aufgetragen wird, welche jeweils den n-Transport und p-Transport ermöglichen.
  • Es sei erwähnt, dass eine aktive Schicht mit in diesem Fall einem Gemisch aus Polyphenylenvinylen und Buckminsterfulleren zur Verwendung in Solarzellen bekannt ist. In einer Solarzelle wird die aktive Schicht so eingesetzt, dass sie Licht empfängt und ein Photon in ein Elektron und ein Defektelektron umwandelt, wobei die Defektelektronen dann zu den Elektroden transportiert werden. Dadurch wird ein gleichzeitiger Transport von Elektronen und Defektelektronen in Gegenrichtungen bewirkt. Nichts zeigt, dass das gleiche Material als Halbleitermaterial so geeignet ist, dass in Kombination mit Source- und Drainelektroden aus ein und demselben elektrisch leitenden Material im Falle von negativen Spannungen an der Gateelektrode (Vg) und zwischen der Source- und Drainelektrode (Vsd) eine p-Leitfähigkeit und im Falle von positiven Spannungen an der Gateelektrode und zwischen der Source- und Drainelektrode eine n-Leitfähigkeit erreicht wird. Es zeigt sich, dass die Wechselrichtereinheit mit dieser aktiven Schicht eine gute Leistungsverstärkung und darüber hinaus eine geringe Hysterese vorgesehen wird.
  • Die Tatsache, dass keine wesentliche Behinderung auftritt, bedeutet ebenfalls, dass keine wesentlichen parasitären Ströme entstehen. Das heißt: in Fällen, in denen ein p-Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, ist der parasitäre Strom durch den ersten Kanal mit n-Transport sehr klein. Dieses hat den großen Vorteil, dass die aktive Schicht somit ebenfalls dort aufgebracht wird, wo lediglich ein Halbleiter mit einfacher Polarität erforderlich ist. Man könnte hier insbesondere an eine Kombination aus einem Bildschirm mit Pixeltransistoren und dem integrierten Schaltkreis für die Ansteuerung (Treiber-IC) denken; in dem Fall, in dem bei den Pixeltransistoren eine einfache Polarität ausreichend ist, werden in dem Treiber-IC beide Polaritäten verwendet. Hierdurch wird bewirkt, dass Treiber-IC und Bildschirm integriert hergestellt werden können.
  • Selbstverständlich ist die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls für andere Anwendungen, insbesondere für Speicherschaltkreise, wie z.B. SRAM und DRAM, für Ringoszillatoren, Identifizierungszwecke usw., wie Fachkundigen auf dem Gebiet der Schaltungstechnik bekannt, geeignet.
  • In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist für den ersten und den zweiten Transistor eine gemeinsame Gateelektrode vorgesehen. Bei der Wechselrichtereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung sind im Grunde die Gateelektroden der Transistoren untereinander verbunden und bilden zusammengeschaltet die Eingangselektrode für den Wechselrichter. Ebenso sind die Drainelektroden der Transistoren in dem Wechselrichter zusammengeschaltet, jedoch nicht mit der Gateelektrode verbunden. Der Vorteil einer gemeinsamen Gateelektrode ist, dass weniger parasitäre Effekte auftreten. Zwischen benachbarten Transistoren befinden sich in der Regel parasitäre Kapazitäten und Ströme, welche nur dann begrenzt werden, wenn die Transistoren in einem ausreichenden Abstand voneinander vorgesehen sind. Durch Verwendung einer einzigen Gateelektrode wird die Oberfläche und dadurch die Wechselwirkung mit anderen Elementen der Anordnung reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Fehlen einer Zwischenverbindung zwischen den Gateelektroden den Widerstand verringert. Dieses ist bei Verwendung von organischen Leitern besonders wichtig. Darüber hinaus sind, in Anbetracht dessen, dass mehrere Transistoren die gleiche Gateelektrode nutzen, die Anforderungen für die lithographische Strukturierung der Gateelektroden im Vergleich zu unipolaren Logiken weniger streng.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Drainelektroden des ersten und zweiten Transistors gemeinsam genutzt; das heißt, dass nur eine einzige Drainelektrode vorgesehen ist. Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Source- und Drainelektrode ein interdigitierendes Elektrodenpaar bilden, wobei die Sourceelektroden durch Zwischenteile der Drainelektrode gegenseitig geschützt sind. Die Verwendung eines interdigitierenden Elektrodenpaares ist insofern von Vorteil, als eine größere Kanalbreite erreicht wird, während die Oberfläche des Transistors oder des Wechselrichters nicht entsprechend zunimmt. Es ist selbstverständlich einfach, die fingerartige Struktur der Drainelektrode so zu vergrößern, dass beide Sourceelektroden mit dieser verbunden sind. Die Sourceelektroden haben jedoch nicht die gleiche Spannung, was zu parasitären und unsteuerbaren Effekten führen könnte. Um dieses zu verhindern, werden die Sourceelektroden durch Zwischenteile der Drainelektrode gegenseitig abgeschirmt. Auf diese Weise sind die parasitären Effekte steuerbar.
  • Die Abschirmung durch die Drainelektrode wird zum Beispiel dadurch erreicht, dass zwei oder mehr fingerartige Strukturen der Drainelektrode zwischen den Sourceelektroden vorhanden sind. Jedoch weist die Drainelektrode vorzugsweise einen Körper mit einer ersten Seite und einer von dieser ersten Seite abgewandten, zweiten Seite auf, welcher auf der ersten und zweiten Seite eine fingerartige Struktur hat. Die Sourceelektrode ist dann auf der ersten Seite vorgesehen und bildet ein interdigitierendes Elektrodenpaar mit der fingerartigen Struktur auf dieser ersten Seite. Die Drainelektrode ist auf der zweiten Seite angeordnet und bildet ein interdigitierendes Elektrodenpaar mit der fingerartigen Struktur auf dieser zweiten Seite. Das Ergebnis ist nicht nur eine gute Abschirmung, sondern auch die Tatsache, dass die resultierende Wechselrichtereinheit eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen kann. Dieses ist eine kompakte Form und hat zusätzlich den Vorteil, dass die Überdeckungsgenauigkeit in Relation zu der Gateelektrode weniger problematisch ist. Abweichungen in der Überdeckung führen bei Betrieb der Transistoren zu Seiteneffekten.
  • Besonders geeignet als aktive Schichten sind die Schichten, die aus einer Lösung auf ein Substrat, zum Beispiel durch Aufsprühen, Spin Coating oder – Printing, aufgetragen werden können. Der Einsatz solcher Techniken ist besonders bei Anwendung in flexiblen Anordnungen wünschenswert. Schichten, welche durch chemische Aufdamp fung aufgebracht werden, sind im Allgemeinen kristallin. Ein Biegen der Anordnung kann sehr schnell zu einem Ausfall führen. Ein mit der chemischen Aufdampfung verbundener Nachteil bei dieser Art Anwendung ist, dass diese in einem Vakuum stattfinden muss, was bei Mengenherstellung von Nachteil ist.
  • Beispiele von aktiven Schichten, welche aus einer Lösung aufgetragen werden, enthalten funktionalisierte Materialien, Materialien auf der Basis eines Trägermaterials und Precursor-Materialien. Vorteilhafte Beispiele sind hier insbesondere Polyfluorene, wie z.B. Poly(3,9-Di-tert-butyllindeno[1,2-b]fluoren, sowie Gemische aus funktionalisierten Halbleitermaterialien vom n-Typ und funktionalisierten Halbleitermaterialien vom p-Typ. Beispiele von Materialien vom p-Typ sind unter anderem Polythiophene, Polythienylen-Vinylene, Polyarylamine, Polyphenylen-Vinylene, Pentacen und ähnliche Oligomere. Beispiele von Materialien vom n-Typ sind unter anderem Gemische aus TCNQ-TTF, wie z.B. aus WO95-31833 bekannt, sowie Materialien auf der Basis von Fullerenen, ebenfalls als C60- und C70-Materialien bekannt, sowie Derivate derselben. Als Ester besonders günstig sind hier funktionalisierte Varianten derselben, wie z.B. [6,6]-Phenyl C61-Buttersäure-Methylester. Dieses Material ist an sich aus Hummelen et al., J. Org. Chem., 60 (1995), 532, bekannt.
  • Bei Gemischen ist die Verwendung von funktionalisierten Materialien außerordentlich vorteilhaft; nicht funktionalisierte Materialien sind oftmals schlecht löslich. Die Alternative besteht in der Verwendung von Precursor-Materialien. Diese Precursor müssen jedoch nach Anwendung noch durch Behandlung bei erhöhter Temperatur in die tatsächlichen Halbleitermaterialien umgewandelt werden. Da die Temperaturbehandlungen von verschiedenen Materialien nicht ohne weiteres bei der gleichen Temperatur stattfinden, wird die Stabilität der Verbindungen dadurch gefährdet.
  • Es sei erwähnt, dass ebenfalls Copolymere dieser und weiterer Verbindungen einsetzbar sind. Ebenfalls kann es der Fall sein, dass solche Copolymere mit Netzen kombiniert werden.
  • Bei Verwendung von Gemischen ist es von Vorteil, wenn das Halbleitermaterial vom n-Typ und dieses vom p-Typ eine Mobilität μn, μp und eine gegenseitige Relation μn:μp im Bereich von 0,1 bis 10 aufweisen. Unter diesen Umständen könnten beide Transistoren der Wechselrichtereinheit identisch sein; auf diese Weise wird die Konstruktion der Anordnung mit der Wechselrichtereinheit vereinfacht und die Möglichkeit parasitärer und unerwarteter Effekte reduziert.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die aktive Schicht ein Gemisch aus einem organischen Trägematerial, dem Halbleitermaterial vom p-Typ und dem Halbleitermaterial vom n-Typ. Dieses Gemisch hat den Vorteil, dass es, z.B. durch Spin Coating, -Printing, Web Coating oder andere vergleichbare Techniken, sehr gut aus der Lösung aufgetragen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass es sich zeigt, dass die aktive Schicht auf diese Weist eine überraschend gute Stabilität aufweist. Gleichzeitig ist die Mobilität in den Kanälen kaum geringer als bei einer aktiven Schicht ohne Trägermaterial, obgleich die Konzentration in dem Halbleitermaterial wesentlich geringer ist. Beispiele von geeigneten Trägermaterialien sind unter anderem Polyvinylverbindungen, wie z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polystyren; Polyimide, Polyester, wie z.B. Polymethylmethacrylat, Polyethylenterephtalat, Polyethylenglycoldimethacrylat; Polyvinylalkohole. Die Trägermaterialien weisen vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur von mehr als 100°C auf; damit ist die Stabilität des Trägermaterials unter verschiedenen Bedingungen der Herstellung und Verwendung gewährleistet.
  • Als dielektrische Schicht können verschiedene Materialien eingesetzt werden. Tests haben gezeigt, dass der ambipolare Transistor sowohl mit einer dielektrischen Schicht aus einem anorganischen Material, wie z.B. SiO2, als auch einer dielektrischen Schicht aus einem organischen Material, wie z.B. Polyimid, Polyacrylat, oder einem Photolack arbeitet.
  • Der Erfindung liegt als zweite Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzusehen, bei welchem durch Lösungsbearbeitung ein Wechselrichter mit verbesserter Leistungsverstärkung eingesetzt werden kann.
  • Diese zweite Aufgabe wird dadurch erfüllt, dass die elektronische Anordnung eine Wechselrichtereinheit mit einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor sowie einer, ein funktionalisiertes, organisches Halbleitermaterial vom n-Typ und ein funktionalisiertes, organisches Halbleitermaterial vom p-Typ enthaltenden, gemeinsamen aktiven Schicht aufweist, welche aus einer Lösung auf ein Substrat aufgebracht wird. Durch das Betriebsverfahren wird eine Wechselrichterstruktur des ambipolaren Typs mit guten Eigenschaften vorgesehen, welche jedoch auf kostengünstige Weise und industriell realisierbar hergestellt werden kann. Das Verfahren kann mit sämtlichen oben erwähnten Materialien und Varianten sowie weiteren Varianten, welche Fachkundigen bekannt sind, angewandt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – einen schematischen Querschnitt der Anordnung;
  • 2 – die Verbindung zwischen der Spannung Vds zwischen der Source- und der Drainelektrode und dem resultierenden Strom Ids bei verschiedenen Spannungen Vg an der Gateelektrode des erfindungsgemäß eingesetzten Ambipolartransistors mit einem Gemisch aus einem Halbleitermaterial vom n-Typ und einem solchen vom p-Typ als aktive Schicht.
  • 3 – die Verbindung zwischen der Spannung Vds zwischen der Source- und Drainelektrode und dem resultierenden Strom Ids bei verschiedenen Spannungen Vg an der Gateelektrode in einem Unipolartransistor mit nur einem Halbleitermaterial vom n-Typ;
  • 4 – ein elektrisches Schaltbild einer Wechselrichtereinheit;
  • 5 – die Verbindung zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT des Wechselrichters gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 – eine schematische Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Wechselrichters gemäß der vorliegenden Erfindung; sowie
  • 7 – die Verbindung zwischen der Spannung Vds zwischen der Source- und der Drainelektrode und dem resultierenden Strom Ids bei verschiedenen Spannungen Vg an der Gateelektrode des erfindungsgemäß verwendeten Ambipolartransistors, welcher als aktive Schicht ein einziges Halbleitermaterial mit einem geringen Bandabstand aufweist. Beispiel von Ausführungsbeispiel 1.
  • Der in 1 dargestellte Wechselrichter 10 weist einen ersten Feldeffekttransistor 11 und einen zweiten Feldeffekttransistor 12 auf. Der Wechselrichter 10 weist ein elektrisch isolierendes Substrat 1 auf. Auf dem Substrat 1 sind eine erste Elektrodenschicht 2 und eine zweite Elektrodenschicht 3 vorhanden. In der ersten Elektrodenschicht 2 sind Sourceelektroden 21, 21' und Drainelektroden 22, 22' ausgebildet, wobei die Elektrodenpaare 21, 22 und 21', 22' jeweils durch einen Kanal 23, 23' voneinander getrennt sind. In der zweiten Elektrodenschicht 3 sind Gateelektroden 24, 24' und eine diese untereinander verbindende Zwischenverbindung 25 definiert. In einer vertikalen Projektion der Gateelektrode 24 auf der ersten Elektrodenschicht 2 überlappt die Gateelektrode 24 den Kanal 23 beträchtlich. Darüber hinaus sind eine Zwischenschicht 4 und eine aktive Schicht 5 vorhanden.
  • Die oben erwähnten Schichten 2, 3, 4, 5 sind auf dem Substrat 1 in der Reihenfolge der zweiten Elektrodenschicht 3, der Zwischenschicht 4, der ersten Elektrodenschicht 2 und der aktiven Schicht 5 angeordnet. Um das Substrat zu planarisieren, ist eine isolierende Planarisierungsschicht – nicht dargestellt – vorhanden, welche zum Beispiel aus Polyvinylalkohol oder einem Photolack besteht. Die zweite Elektrodenschicht 3 enthält Au und wird mit Hilfe eines belichteten und entwickelten, photoempfindlichen Lackes auf bekannte Weise in eine gewünschte Struktur gebracht. Zwischen der zweiten Elektrodenschicht 3 und der Zwischenschicht 4 kann eine monomolekulare Schicht – nicht dargestellt – aus CH3-(CH2)15-SH eingefügt werden, um Defekte in der Zwischenschicht 4 zu verhindern. Die Zwischenschicht 4 enthält im Allgemeinen ein photostrukturierbares, organisches Dielektrikum, wie z.B. Benzocyclobuten, Polyimid, Polyvinylphenol, oder einen Photolack, wie z.B. SU8. Die Zwischenschicht kann ebenfalls ein anorganisches Dielektrikum, wie z.B. SiO2, enthalten, was bei einem ersten Test der Fall war. Bei einem zweiten Test wurde der Photolack SU8 als eine Zwischenschicht aufgebracht. Die erste Elektrodenschicht 2 enthält in diesem Falle Gold. Die erste Elektrodenschicht 2 wird durch Schleuderbeschichtung aufgebracht und durch Belichtung strukturiert.
  • Die erste Elektrodenschicht 2 wird durch Schleuderbeschichtung bis zu einer Tiefe von 50 nm von der aktiven Schicht 5 bedeckt. Die aktive Schicht 5 enthält ein Gemisch aus [6,6]-Phenyl C61 Buttersäure-Methylester und Poly[2-methoxy, 5-(3,7 dimethyloctyloxy]-p-phenylenvinylen, wobei dieses Polymer ebenfalls als OC1OC10-PPV bekannt ist. Das Verhältnis des Gemischs beträgt 4:1. Die aktive Schicht wird auf das Halbleitermaterial als eine Lösung in Chlorbenzol mit einem Gehalt von 0,5 Gewichtsprozent aufgebracht. Die Lösung wurde durch einstündiges Rühren bei 80°C und nachfolgendes Abkühlen auf Raumtemperatur hergestellt.
  • Die 2 und 3 zeigen Messergebnisse von an vergleichbaren Transistoren vorgenommenen Messungen. 2 zeigt die Daten für einen Transistor mit einer aktiven Schicht aus dem oben beschriebenen Gemisch aus [6,6]-Phenyl C61 Buttersäure-Methylester und OC1OC10-PPV in einem gegenseitigen Verhältnis von 4:1. 3 zeigt ein Diagramm eines vergleichbaren Transistors, wobei [6,6]-Phenyl C61 Buttersäure-Methylester als ein Halbleitermaterial, d.h. nur das n-leitende Material, aufgebracht wird. Die Diagramme basieren auf Messungen in einer typischen Prüfeinrichtung, wobei die Gateelektrode 24 in einem Siliciumsubstrat vorgesehen ist. Die Oberfläche des Substrats 1 wird dann in Siliciumdioxid, welches die dielektrische Schicht 4 bildet, oxidiert. Auf dieser Schicht sind die Source- und Drainelektrode 21, 22 aus Au angeordnet. Auf der Oberseite derselben befindet sich die aktive Schicht 5. Die Kanallänge betrug dann 40 μm und die Kanalbreite 1 mm. Die SiO2-Schicht wurde mit einem Primer behandelt, bei dem es sich um Hexamethyldisilazan (HMDS) handelte.
  • 2 zeigt Diagramme, in denen der Strom Ids gegenüber der Spannung zwischen der Source- und Drainelektrode Vds bei verschiedenen Gatespannungen Vg in nA dargestellt ist. Bei hohen, negativen Spannungen Vg an der Gateelektrode, wie in 2(a) dargestellt, befindet sich der Transistor in dem „Löcherakkumulationsmodus". Die Charakteristiken des Transistors sind hier mit einem Unipolartransistor aus dem Halbleitermaterial OC1OC10-PPV identisch. Bei niedrigen Spannungen an dem Gate und hohen Spannungen an dem Drain Vds zeigt der Strom Ids einen wahrnehmbaren Anstieg bei der Spannung an dem Drain Vds. Dieses ist eine typische Charakteristik des Ambipolartransistors, welche der vergleichbare Unipolartransistor nicht aufweist.
  • Bei positiven Spannungen Vg an der Gateelektrode, wie in 2(b) dargestellt, arbeitet der Transistor in dem „Elektronenakkumulationsmodus" bei einer Mobilität von 3,105 cm2/Vs bei Vg = 30 Volt. Bei niedrigen Spannungen an dem Drain Vds ist ein nicht linearer Anstieg des Stroms wahrnehmbar. Bei niedrigen Spannungen an dem Gate Vg und hohen Spannungen an dem Drain Vds wird in dem Strom erneut ein wahrnehmbarer Anstieg festgestellt, welcher für den Ambipolartransistor typisch ist. Dieser Anstieg des Stroms ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass unter bestimmten Umständen sowohl Defektelektronen als auch Elektronen in dem Transistor vorhanden sind, so dass in dem Kanal ein pn-Übergang gebildet wird.
  • Befindet sich der Transistor in dem „Löcherakkumulationsmodus", kann der Strom bei einem Modell auf Grund des Hopping von Ladungsträgern in einer exponentiellen Zustandsdichte (DOS), wie aus Phys. Rev. B 57, 12964 (1998) bekannt, dargestellt werden. Bei der Beschreibung des n-Leitfähigkeitstyps wird ein injektionsbegrenzter Strom berücksichtigt. Bei einem Anstieg von Vds auf den Punkt, an dem Vds gleich Vg – Vso (Einschaltspannung) ist, wird der Kanal an der Drainelektrode gesperrt. Bei noch größeren Drainspannungen Vds entwickelt sich in Unipolartransistoren um die Drainelektrode ein Verarmungsgebiet, und der Strom sättigt. Bei einem Ambipolartransistor sammeln sich die Elektroden im Falle eines weiteren Anstiegs der Drainspannung Vds an der Drainelektrode an. Diese beiden Akkumulationsbereiche stellen die Ausbildung eines pn-Übergangs sicher. Der Strom Ids zwischen Source und Drain kann anschließend berechnet werden, vorausge setzt, dass der Strom an dem pn-Übergang sich nicht verändern kann, und dass die kombinierten Längen des Elektronenakkumulationsbereichs und des Löcherakkumulationsbereichs der Kanallänge entsprechen. Hieraus folgt, dass sich der Strom Ids aus der Summe der Ströme von Defektelektronen und Elektronen zusammensetzt. Der Ambipolartransistor kann somit physikalisch als Transistor vom p-Typ und n-Typ betrachtet werden, welche parallel geschaltet sind.
  • 4 zeigt ein elektrisches Schaltbild des Wechselrichters gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt die Übertragungscharakteristik des Wechselrichters gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei zwei identische Transistoren eingesetzt werden. Die verwendeten Transistoren weisen eine aktive Schicht mit einem Gemisch aus [6,6]-Phenyl C61 Buttersäure-Methylester und OC1OC10-PPV auf. Die verwendeten Transistoren sind unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Je nach der Polarität der Versorgungsspannung VDD arbeitet der Wechselrichter gemäß der Erfindung in dem ersten oder dem dritten Quadranten. Ein auf unipolaren Logiken basierender Wechselrichter arbeitet dagegen nur in dem ersten Quadranten. Darüber hinaus kann bei niedrigen und bei hohen Werten der Eingangsspannung VIN ein geringer Anstieg der Ausgangsspannung VOUT beobachtet werden. Dieser Anstieg ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass beide Transistoren als ein Parallelstromkreis eines n- und eines p-Transistors arbeiten. Sowohl bei einer hohen als auch bei einer niedrigen Eingangsspannung VIN kann der Wechselrichter jedoch noch immer Strom entnehmen. Dieses resultiert in dem ermittelten Anstieg der Ausgangsspannung VOUT. Die Eigenschaften des Wechselrichters können mit einer Zustandsdichte-(DOS)-Lösung modelliert werden. Dieses führt zu dem Verhalten, welches in dem Diagramm in einer schwarzen Linie dargestellt ist. Darüber hinaus ist es bemerkenswert, dass das Diagramm von VOUT versus VIN eine im Wesentlichen symmetrische Position in dem Quadranten aufweist. Dieses ist insofern von Vorteil, als die Auslösespannung – die Spannung, bei welcher der Wert der Eingangsspannung VIN dem Wert der Ausgangsspannung VOUT entspricht – in der Mitte zwischen der Eingangsspannung mit einer minimalen Ausgangsleistung und der Eingangsspannung mit einer maximalen Ausgangsleistung liegt. Infolgedessen ist die Rauschschwelle optimal. Bei unipolaren Logiken weicht die Auslösespannung dagegen von dem Mittelwert ab, so dass eine weitere Reduzierung der Rauschschwelle erreicht wird.
  • 6 zeigt in Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel des Wechselrichters 10 gemäß der Erfindung. Hier wird eine gemeinsame Gateelektrode 24 eingesetzt, und die Source- und Drainelektrode 21, 22 sind in einer interdigitierenden, fingerartigen Struktur ausgeführt. Dieses resultiert in einem breiten Kanal 23, 23' auf einer begrenzten Oberfläche. Die Drainelektrode 22 wird dann von der Sourceelektrode 21 des ersten Transistors und der Sourceelektrode 21' des zweiten Transistors gemeinsam genutzt.
  • 7 zeigt die Charakteristiken eines ambipolaren Feldeffekttransistors, bei welchem ein Material mit einem geringen Bandabstand als aktive Schicht verwendet wird. In diesem Beispiel wird, obgleich dieses nicht unbedingt notwendig ist, Poly(3,9-Di-tertbutyllindeno[1,2-b]fluoren, welches ebenfalls als PIF bezeichnet wird, eingesetzt. Das PIF-Material wurde in Chlorbenzol in einer Konzentration von ca. 1 % gelöst und durch Schleuderbeschichtung auf die Oberfläche von Prüfeinrichtungen aufgebracht. Die Prüfeinrichtungen sind unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Nach der Schleuderbeschichtung wurden die Einrichtungen auf 90°C im Vakuum erhitzt. Die Diagramme zeigen, dass wir es hier mit einem Ambipolartransistor zu tun haben. Die erreichte Mobilität liegt bei etwa 2,10–5 für Defektelektronen und für Elektronen.
  • Es liegt für Fachkundige auf der Hand, dass ebenfalls andere Materialien als die oben erwähnten verwendet werden können. Darüber hinaus kann die Anordnung mehr Elemente als lediglich den Wechselrichter umfassen. Zum Beispiel können mehrere Wechselrichter in Reihe geschaltet werden, wobei sie einen Ringoszillator bilden. Die Wechselrichter können ebenfalls Teil von NAND- oder NOR-Schaltungen sein. Die Transistoren können mit einer anderen Bemaßung, zum Beispiel mit kleineren Kanallängen oder mit größeren Kanalbreiten, ausgeführt sein. Somit sieht die Erfindung eine auf Transistoren mit einem ersten Kanal vom ersten Leitfähigkeitstyp und einem zweiten Kanal vom zweiten Leitfähigkeitstyp basierende Wechselrichtereinheit vor, wobei die Kanäle in einer einzigen aktiven Schicht vorgesehen sind und lediglich eine einzige Elektrodenschicht eingesetzt wird.
  • Inschrift der Zeichnung
  • 2a
    • p-channel
    • p-Kanal
  • 2b
    • n-channel
    • n-Kanal
  • 7a
    • p-channel
    • p-Kanal
  • 7b
    • n-channel
    • n-Kanal

Claims (9)

  1. Elektronische Anordnung mit einer Wechselrichtereinheit (10) mit einem ersten (11) und einem zweiten (12) Feldeffekttransistor, welche jeweils eine Source- (21, 21') und eine Drainelektrode (22, 22') aufweisen, wobei die Elektroden der Feldeffekttransistoren in der gleichen Elektrodenschicht (2) aus elektrisch leitendem Material vorgesehen sind und das Source- und Drainelektrodenpaar durch einen ersten Kanal (23) vom n-Leitfähigkeitstyp und durch einen zweiten Kanal (23') vom p-Leitfähigkeitstyp untereinander verbunden sind, wobei die Kanäle in einer aktiven Schicht vorgesehen sind, welche organisches Halbleitermaterial enthält und welche von dem ersten und dem zweiten Transistor gemeinsam genutzt wird, wobei jeder der Transistoren eine Gateelektrode (24, 24') aufweist, welche durch eine dielektrische Schicht (4) von den Kanälen getrennt ist.
  2. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Gateelektrode für den ersten und den zweiten Transistor vorhanden ist.
  3. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainelektroden des ersten und des zweiten Transistors gemeinsam genutzt werden.
  4. Elektronische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drainelektrode ein interdigitierendes Elektrodenpaar bilden, bei welchem die Sourceelektroden durch Zwischenteile der Drainelektrode gegenseitig geschützt sind.
  5. Elektronische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainelektrode einen Körper mit einer ersten Seite und einer von dieser ersten Seite abgewandten, zweiten Seite aufweist, welcher auf der ersten Seite und der zweiten Seite fingerartige Strukturen besitzt, wobei die Sourceelektrode auf der ersten Seite vorgesehen ist und zusammen mit der fingerartigen Struktur auf dieser ersten Seite ein interdigitierendes Elektrodenpaar bildet, und wobei die Drainelektrode auf der zweiten Seite vorgesehen ist und zusammen mit der fingerartigen Struktur auf dieser zweiten Seite ebenfalls ein interdigitierendes Elektrodenpaar bildet.
  6. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht ein Gemisch aus einem organischen Trägermaterial, dem p-leitenden Halbleitermaterial und dem n-leitenden Halbleitermaterial enthält.
  7. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drainelektrode ein aus der Gruppe von Edelmetallen ausgewähltes Material enthalten.
  8. Elektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das n- und p-leitende Halbleitermaterial eine Mobilität μn, μp in einem gegenseitigen Verhältnis im Bereich von 0,1 bis 10 aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Anordnung mit einer Wechselrichtereinheit mit einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor mit einer gemeinsamen aktiven Schicht, welche ein funktionalisiertes, organisches, n-leitendes Halbleitermaterial und ein funktionalisiertes, organisches, p-leitendes Halbleitermaterial enthält, wobei die aktive Schicht aus einer Lösung auf ein Substrat aufgetragen wird.
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