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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen
Anordnung, wobei in dem Verfahren mindestens ein Feldeffekttransistor
mit einer organischen Halbleiterschicht auf einem Substrat geschaffen
wird.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine elektronische Anordnung mit
einer Vielzahl von Feldeffekttransistoren mit einer organischen
Halbleiterschicht und einer Verbindungsstruktur, um die Transistoren
untereinander und/oder mit einem Ausgangsanschluss zu verbinden.
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Es
ist seit vielen Jahren bekannt, elektronische Halbleiterkomponenten
wie Bipolar- und Feldeffekttransistoren unter Verwendung von Halbleitermaterialien
wie Silizium, Germanium und Galliumarsenid herzustellen. Speziell
integrierte Schaltungen mit vielen elektronischen Komponenten werden
durch Deposition leitender, halbleitender und dielektrischer Schichten
auf ein Substrat hergestellt.
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In
den letzten Jahren wurde erkannt, dass einige organische Materialien,
wie beispielsweise Pentacen, Halbleitereigenschaften zeigen können. Halbleiterkomponenten,
-gruppierungen und -schaltungen mit organischen Halbleitern versprechen
eine Anzahl von Vorteilen gegenüber
traditionellen halbleiterbasierten Strukturen einschließlich mechanischer
Flexibilität,
Lösungs-Verarbeitbarkeit
und Niedrigtemperatur-Behandlung. Dementsprechend wurde viel Forschung
auf dem Feld der organischen Halbleiter und der Herstellung von
auf organischen Halbleitern basierten Halbleiterkomponenten und
-schaltungen unternommen.
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Zurzeit
werden organische Halbleitertransistoren mit fotolithografischen
Standardverfahren gefertigt.
1 illustriert
die Struktur
100 eines organischen Halbleiters gemäß dem Stand
der Technik (siehe auch
US 6.335.539 für weitere
Referenzen). Die Herstellung des Halbleiters umfasst ein Minimum von
drei oder vier Maskenschritten. Die Halbleiterstruktur
100 wird
auf einem Substrat
101 produziert. Zuerst wird die Gate-Schicht
103 (normalerweise eine
Metallschicht, beispielsweise Gold) auf dem Substrat
101 deponiert
und durch Fotolithografie strukturiert. Dann wird eine dielektrische
Schicht
105 deponiert (beispielsweise eine organische HPR504-Schicht)
und strukturiert, um Löcher
für vertikale
Verbindungen herzustellen. Die dritte Schicht
107,
109 ist
eine Source-Drain-Schicht
(beispielsweise aus Gold hergestellt), die strukturiert wird, um
die Source
107 und die Drain
109 des Transistors
zu bilden. Abschließend
wird ein organischer Halbleiter
111 deponiert. Die Gate-Source-
und Gate-Drain-Überlappung
beträgt
normalerweise 5 μm,
was dieselbe Größe ist,
die normalerweise für die
Kanallänge
(d.h. die Lücke
zwischen der Source und der Drain) verwendet wird.
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Strukturierung
des Halbleiters ist gewünscht, um
auf die Elektroden der Gate-Schicht zuzugreifen. Außerdem wird
Strukturierung der Halbleiterschicht bevorzugt, um Leckstrom zu
reduzieren und die Erzeugung falscher Transistoren zu vermeiden,
die durch Verbindungen der Gate-Schicht 103, die Halbleiterflächen zwischen
Elektroden der Source-Drain-Schicht 107, 109 kreuzen,
gebildet werden. Aber die Strukturierung des Halbleiters erfordert
einen zusätzlichen
Strukturierungsschritt, was den Herstellungsprozess zu einem Viermaskenprozess macht.
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Deposition
der verschiedenen Schichten ist im Allgemeinen ein preiswerter und
einfacher Prozess. Beispielsweise kann Schleuderbeschichten verwendet
werden, um preiswert und effizient eine dielektrische oder Halbleiterschicht
zu verteilen. Aber Strukturierung verwendet im Allgemeinen Lithografietechniken,
die relativ teure und komplizierte Lithografietechniken sind. Dementsprechend
wäre eine Reduzierung
in Herstellungskosten und -komplexität vorteilhaft.
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Das
konventionelle Verfahren zur Herstellung eines organischen Feldeffekttransistors
umfasst Prozessieren der Source-Drain-Schicht zwischen Deposition
der dielektrischen und der Halbleiterschicht. Dies hat eine Tendenz,
Verunreinigungen zwischen die dielektrische und die Halbleiterschicht einzubringen
und dabei die Leistung des Transistors zu reduzieren. Dementsprechend
wären eine
verbesserte Leistung und eine reduzierte Menge an Verunreinigungen
vorteilhaft.
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Eine
elektronische Anordnung mit Feldeffekttransistoren, wie eine integrierte
Schaltung, die mit dem konventionellen Ansatz gefertigt ist, hat
typisch eine oder mehr Schichten (z.B. die dielektrische Schicht
oder die Halbleiterschicht), die sich über die gesamte Fläche der
Gruppierung erstrecken. Dies reduziert die mechanische Zuverlässigkeit
der Struktur erheblich, was erhöhten
mechanischen Stress und reduzierte mechanische Flexibilität verursacht.
Dementsprechend wäre
eine elektronische Anordnung mit Feldeffekt transistoren und einem
Herstellungsprozess, der verbesserte mechanische Merkmale und Widerstandsfähigkeit
erreicht, vorteilhaft.
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Dementsprechend
sucht die Erfindung vorzugsweise, einen oder mehr der oben erwähnten Nachteile
einzeln oder in irgendeiner Kombination zu milder, zu verringern
oder zu eliminieren.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
Feldeffekttransistorgruppierung auf einem Substrat geschaffen, wobei
das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aufbringen einer strukturierten
ersten Leiterschicht auf dem Substrat; Aufbringen einer organischen Halbleiterschicht
auf der ersten Leiterschicht; Aufbringen einer dielektrischen Schicht
auf der Halbleiterschicht; gemeinsame Strukturierung der Halbleiterschicht
und der dielektrischen Schicht; und Aufbringen einer strukturierten
zweiten Leiterschicht auf der strukturierten dielektrischen Schicht.
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Das
Aufbringen der strukturierten Leiterschichten kann entweder direkt
durch Aufbringen des leitenden Materials in der gewünschten
Struktur sein (z.B. durch Bedampfen durch eine Schattenmaske) oder
kann ein Zweischrittprozess von Deposition des leitenden Materials
gefolgt von einem Schritt der Strukturierung der Schicht sein. Übertragen
eines Musters in eine oder Strukturierung einer Schicht enthält im Allgemeinen
jede geeigneten Mittel zum Schaffen einer gewünschten Struktur oder eines Musters
in der Schicht.
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Die
Erfindung erlaubt, dass eine Feldeffekttransistorgruppierung hergestellt
wird, die sowohl eine strukturierte dielektrische Schicht als auch
eine Halbleiterschicht hat, während
nur drei Masken verwendet werden. Speziell durch Strukturierung
der Schichten in der Art, dass die Halbleiter- und die dielektrische
Schicht zusammen strukturiert werden können, ist nur ein einziger
Strukturierungsschritt zur Strukturierung dieser Schichten notwendig.
Insbesondere ist nur ein einziger Fotolithografieschritt zur Strukturierung
der Halbleiter- und der dielektrischen Schicht notwendig, was dabei
die Anzahl der Fotolithografieschritte reduziert, die notwendig
sind, um eine strukturierte Halbleiter- und dielektrische Schicht
zu erzielen.
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So
ermöglicht
die Erfindung einen 3-Maskenprozess für organische Elektronik, während sie die
Strukturierung sowohl der dielektrischen als auch Halbleiterschicht
erzielt. Da Herstellung von organischer Elektronik preiswerte Depositionstechniken
mit relativ teurer Fotolithografie kombiniert, ist die Reduzierung
der Maskenanzahl sehr wichtig und führt zu einer signifikanten
Reduzierung der Herstellungskosten.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass die dielektrische Schicht direkt
auf der Halbleiterschicht deponiert werden kann, bevor irgendeine
Strukturierung durchgeführt
wird. Dies erlaubt ein sehr sauberes Interface zwischen diesen Schichten,
was die Mobilität in
dem Halbleiter und so die Leistung des Feldeffekttransistors verbessert.
Speziell können
die dielektrische und die Halbleiterschicht unmittelbar hintereinander
und in derselben Umgebung deponiert werden. Dies sorgt für eine signifikant
verbesserte Integrität
des Dielektrikum-Halbleiter-Interfaces mit signifikant reduzierten
Ausmaßen
an Verunreinigungen.
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Die
Strukturierung der dielektrischen und Halbleiterschicht erlaubt
außerdem
eine erhöhte
mechanische Flexibilität
und reduzierten mechanischen Stress. Dies erlaubt eine verbesserte
Zuverlässigkeit.
Während
das bekannte Verfahren in einer Struktur resultiert, in der die
Halbleiterschicht und besonders die dielektrische Schicht an einigen
Flächen nicht
vorhanden sind, resultiert das Verfahren der Erfindung darin, dass
die dielektrische Schicht und die Halbleiterschicht in einigen Flächen vorhanden
sind.
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Es
ist ein weiterer Vorteil des Verfahrens der Erfindung, dass für die dielektrische
Schicht ein dielektrisches Material mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante
verwendet werden kann. Während
in dem Verfahren nach dem Stand der Technik die dielektrische Schicht
als eine „Glamour"-Schicht und daher
als die Isolation zwischen verschiedenen Transistoren fungiert,
hat die wie in dem Verfahren der Erfindung aufgebrachte dielektrische
Schicht eine Funktion in dem Transistor und an den Kreuzungspunkten limitierter
Fläche.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung umfasst der Schritt der Strukturierung
der Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht das Entfernen
der organischen Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht
von Flächen,
die nicht mit dem mindestens einen Feldeffekttransistor in Zusammenhang
stehen, und von Flächen,
die nicht mit sich kreuzenden Leitern der ersten und zweiten Leiterschicht
in Zusammenhang stehen.
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Dies
reduziert signifikant den mechanischen Stress und erhöht die Nachgiebigkeit
und/oder Flexibilität
der Feldeffekttransistorgruppierung. Insbesondere kann die Halbleiter-
und dielektrische Schicht von einem signifikanten Anteil der gesamten
Fläche entfernt
werden und die mechanischen Eigenschaften der Struktur können überwiegend
durch die mechanischen Eigenschaften des Substrats bestimmt werden.
Speziell kann die Erfindung flexible oder biegsame Strukturen oder
Strukturen mit einer erhöhten
Beständigkeit
gegen Vibrationen und mechanische Schocks erlauben.
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Es
sei bemerkt, dass an Flächen,
wo sich die erste und zweite Leiterschicht überlappen, und die Halbleiterschicht
und die dielektrische Schicht entfernt sind, eine vertikale Verbindung
gebildet wird. Diese vertikalen Verbindungen sind unerlässlich,
um die erforderlichen Verbindungen von und zu den individuellen
Transistoren zu schaffen. Die vertikalen Verbindungen erlauben auch,
die Drain- und die Gate-Elektrode eines Transistors zu verbinden,
sodass der Transistor als eine Diode verwendet werden kann, d.h.
für eine
gleichrichtende Funktion.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
enthalten die genannten Flächen,
die mit einem Feldeffekttransistor in Zusammenhang stehen, und/oder
die genannten Flächen,
die mit sich kreuzenden Leitern in Zusammenhang stehen, Schutzzonen,
die einen minimalen lateralen Abstand zwischen einem ersten Leiter
in der ersten Leiterschicht und einem zweiten Leiter in der zweiten
Leiterebene schaffen.
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Als
ein Ergebnis des Verfahrens der Erfindung erstreckt sich die Halbleiterschicht
zu den Seitenflächen
der Halbleiter-Dielektrikum-Insel. Ein zweiter Leiter, der sich über die
Insel hinaus erstreckt, kann deshalb in Kontakt mit der Halbleiterschicht
kommen. Dies kann zu einem Leckstrom zwischen diesem zweiten Leiter
und einem ersten Leiter, der unter der Halbleiter-Dielektrikum-Insel
liegt, führen.
Das Schaffen von Schutzzonen vergrößert den lateralen Abstand
zwischen diesem ersten und diesem zweiten Leiter. Da der Leckstrom
umgekehrt proportional von dem lateralen Abstand abhängig ist, wird
er erheblich durch diese Schutzzonen reduziert. Die Schutzzonen
haben im Allgemeinen eine Länge in
der Größenordnung
von 0,5 bis 10 Mikrometer, vorzugsweise 1-5 Mikrometer. Die resultierende Form
der Halbleiter-Dielektrikum-Insel ist dann, senkrecht zur Substratebene
gesehen, länglich.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird die Größe der Schutzzonen
absichtlich gewählt,
um einen Widerstand gewünschter
Größe zwischen
dem ersten und dem zweiten Leiter zu schaffen.
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In
einer Ausführungsform
ist die organische Halbleiterschicht eine polymere Halbleiterschicht. Passende
polymere Halbleiterschichten beinhalten ohne Beschränkung Polyarylamine,
Polyfluorene, Polythienylen-Vinyle, Polyphenylen-Vinyle, Polyfuranylen-Vinyle, Polythiophene,
besonders Poly-3(alkyl)thiophene. Diese Halbleitermaterialien können durch
gewünschte
aliphatische und aromatische Seitengruppen substituiert werden,
um die Verarbeitung von ihnen zu verbessern. Außerdem können die polymeren Halbleiter
Netzwerke und Kopolymere sein. Diese Netzwerke und Kopolymere können Gruppen umfassen,
die kein Halbleiterverhalten zeigen. Passende Exemplare sind in
der nicht vorveröffentlichten Anmeldung
WO-IB03/01062 (PHNL020257) beschrieben.
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Alternativ
ist der organische Halbleiter eine oligomere Verbindung, wie ein
Oligothiophen und ein Oligocen, worin die Anzahl der sich wiederholenden Einheiten
im Allgemeinen zwischen 3 und 15 beträgt. Damit besonders bevorzugt
ist das Oligocen mit 5 sich wiederholenden Einheiten, im Allgemeinen
bekannt als Pentacen. Auch diese Moleküle können gewünschte Seitengruppen haben,
wie an sich bekannt ist, und können
in polymeren Netzwerken und/oder Kopolymeren enthalten sein, wie
in der oben erwähnten
Anmeldung beschrieben ist. Pentacen wird speziell in Hinsicht auf
seine Mobilität
bevorzugt. Fachleuten sind weitere oligomere und polymere organische Halbleiter
bekannt.
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Es
wird deutlich sein, dass ein Feldeffekttransistor im Allgemeinen
eine Source- und eine Drain-Elektrode in der ersten Leiterschicht
angrenzend an die Halbleiterschicht und eine Gate-Elektrode in der
zweiten Leiterschicht, die von der Halbleiterschicht durch die dielektrische
Schicht getrennt ist, umfasst. Vor allem hat eine senkrechte Projektion
der Gate-Elektrode auf die Halbleiterschicht eine Überlappung
mit dem Kanal in dieser Halbleiterschicht zwischen der Source- und
der Drain-Elektrode. Das Gate kann beispielsweise eine Metallschicht
wie Gold sein oder kann z.B. ein organischer Leiter sein.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung umfasst der Schritt des Aufbringens
einer organischen Halbleiterschicht auf der ersten Leiterschicht das
Aufbringen eines organischen Halbleiters oder eines Vorgängers davon
durch Schleuderbeschichten. Dies sorgt für einen besonders einfachen
Herstellungsprozess mit niedrigen Kosten. Die Verwendung eines Vorgängermoleküls ist in
dem Gebiet eine gut bekannte Technik. Der Vorgänger kann nach seiner Deposition
in das Halbleitermaterial konvertiert werden.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung umfasst der Schritt des Aufbringens
einer dielektrischen Schicht auf der ersten Leiterschicht das Aufbringen
eines dielektrischen Materials durch Schleuderbeschichten. Dies
sorgt für
einen besonders einfachen Herstellungsprozess mit niedrigen Kosten.
Speziell können
die dielektrische und die Halbleiterschicht beide durch Schleuderbeschichten in
derselben Schleuderbeschichtungsvorrichtung aufgebracht werden,
was dabei eine hohe Integration und hohe Reinheit des Interfaces
zwischen der dielektrischen Schicht und der Halbleiterschicht erlaubt. Die
Kosten und Komplexität
des Herstellungsprozesses können
niedrig gehalten werden, indem nur ein Maskierungsschritt zur Strukturierung
der dielektrischen und Halbleiterschicht verwendet wird, nachdem
diese durch die Schleuderbeschichtungsoperation mit niedrigen Kosten
aufgebracht worden sind.
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In
dem Fall, dass ein Vorgänger
für den
Halbleiter aufgebracht wird, der eine Konvertierung bei erhöhter Temperatur
benötigt,
kann diese Konvertierung nach dem Aufbringen der dielektrischen
Schicht stattfinden. Dies ist besonders in dem Fall geeignet, in
dem die dielektrische Schicht auch eine Wärmebehandlung benötigt (beispielsweise
nach Bestrahlung mit einer chemisch wirksamen Strahlung). Dann können beide
Wärmebehandlungen
kombiniert werden.
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Strukturierung
einer Schicht nach der Deposition dieser Schicht beinhaltet im Allgemeinen
das Aufbringen einer Maske, gefolgt von Ätzen. Es wird bevorzugt, dass
der Schritt der Strukturierung der Halbleiterschicht und der dielektrischen
Schicht einen Fotolithografieprozess umfasst. Hierin wird eine Schicht
unter Verwendung einer chemisch wirksamen Strahlung strukturiert,
um chemische Veränderungen
in der bestrahlten Schicht zu bewirken. Diese Schicht kann hinterher
als eine Ätzmaske
verwendet werden. Ein Fotolithografieprozess ist besonders zur gemeinsamen
Strukturierung der dielektrischen und Halbleiterschicht geeignet.
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Es
wird hierin besonders bevorzugt, dass die dielektrische Schicht
als eine Fotolackschicht für
den Lithografieprozess fungiert. So wird keine zusätzliche Maske
in dem Fotolithografieprozess benötigt. Die dielektrische Schicht
umfasst vorzugsweise ein Material, das auch als ein Fotolack fungiert.
Beispiele für geeignete
Materialien beinhalten HPR504 oder SC100 (Olin Hunt). Durch Verwenden
derselben Schicht sowohl als eine dielektrische Schicht als auch
als eine Fotolackschicht wird die Notwendigkeit, eine zusätzliche
Fotolackschicht aufzubringen, vermieden, und so können die
Komplexität
und Kosten des Herstellungsprozesses weiter reduziert werden. Daneben
umfasst die dielektrische Schicht vorzugsweise ein organisches Material,
um eine exzellente Flexibilität
zu haben. Wenn ein Fotolack auf dieser dielektrischen Schicht aus
organischem Material aufgebracht wird, wird ein sehr selektives Ätzmittel
benötigt,
um hinterher die Fotolackmaske zu entfernen, ohne die dielektrische
Schicht negativ zu beeinflussen.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung
weiter den Schritt des Aufbringens einer Schutzschicht. Die Schutzschicht
wird vorzugsweise auf der zweiten Leiterschicht hinzugefügt und kann
vorzugsweise Materialien wie Polystyrol, Zeonex, PMMA, Polycarbonat und
PVDF beinhalten. Die Schutzschicht schafft zusätzlichen Schutz der Struktur
und erhöhte
mechanische Widerstandsfähigkeit.
Für eine
Displayanordnung ist die Schutzschicht vorzugsweise im Wesentlichen
transparent.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die elektronische Anordnung eine Vielzahl
von Feldeffekttransistoren. Vorzugsweise sind auch andere Komponenten
inklusive sowohl Halbleiterkomponenten inklusive Speichereinheiten als
auch Widerstandskomponenten vorhanden. Diese alle können in
dem Vierlagenstapel aus erstem und zweitem Leiter, dielektrischer
Schicht und Halbleiterschicht geschaffen werden. Aber zusätzlich dazu
können
weitere Schichten vorhanden sein. Der Herstellungsprozess erlaubt
so, komplizierte Anordnungen mit komplexen Funktionen bei einer
geringen Komplexität
und einem preisgünstigen
Herstellungsprozess herzustellen. Insbesondere kann die Anordnung
eine integrierte Schaltung sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist oder umfasst die elektronische Anordnung eine Displaygruppierung.
Ein Display kann so mit einem einfachen und preiswerten Herstellungsprozess hergestellt
werden. Die Feldeffektgruppierung (z.B. der Stapel von Schichten,
in dem die Feldeffekttransistoren geschaffen sind) bildet typisch
nur einen Teil des Displays. Die Strukturierung sowohl der dielektrischen
als auch der Halbleiterschicht kann für verbesserte mechanische Eigenschaften
inklusive reduziertem Stress und erhöhter Flexibilität sorgen.
Insbesondere kann ein biegsames Display hergestellt werden.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
ist das Substrat im Wesentlichen durchsichtig. Das erlaubt eine
Displayanordnung, in der ein angezeigtes Bild durch das Substrat
betrachtet werden kann, und das Substrat ist dementsprechend vorzugsweise
für ein
Bild, das durch das Substrat betrachtet werden soll, ausreichend
transparent.
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Die
Wahl der elektrooptischen Schicht in dem Display bestimmt hauptsächlich das
Funktionsprinzip des Displays. Eine gut bekannte elektrooptische
Schicht ist eine Schicht aus flüssigkristallinem Material.
Es wird aber bevorzugt, dass eine elektrophoretische elektrooptische
Schicht aufgebracht wird. Das sorgt für ein besonders passendes,
einfaches Verfahren mit niedrigen Kosten zur Herstellung eines Displays.
Besonders die Rate, mit der das Display aufgefrischt werden muss,
ist für
elektrophoretische Displays niedriger als für Flüssigkristalldisplays, und so
wird der Energieverbrauch reduziert. Das Display ist in diesem Sinne
sehr geeignet zur Verwendung in Anwendungen der mobilen Telekommunikation,
wo Leistungsmanagement ein absolutes Muss ist. Ein weiteres Merk mal
des elektrophoretischen Displays ist, dass die Displayqualität aus Betrachtungswinkeln
kleiner als 90 Grad recht gut ist. Dies ist für ein biegsames Display wichtig,
in dem der Betrachtungswinkel in Bezug auf die Displayebene oft ungleich
90 Grad ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Anordnung mit
einer Vielzahl von Feldeffekttransistoren mit einer organischen Halbleiterschicht
und einer Verbindungsstruktur, um die Transistoren untereinander
und/oder mit einem Ausgangsanschluss zu verbinden, geschaffen, wobei die
Feldeffekttransistoren geschaffen sind in einem Stapel aus: einer
auf dem Substrat aufgebrachten strukturierten ersten Leiterschicht;
einer auf der ersten Leiterschicht aufgebrachten organischen Halbleiterschicht;
einer auf der Halbleiterschicht aufgebrachten dielektrischen Schicht;
einer auf der dielektrischen Schicht aufgebrachten strukturierten
zweiten Leiterschicht. Gemäß der Erfindung
sind die Halbleiterschicht und die dielektrische Schicht nach einem im
Wesentlichen identischen Muster strukturiert. Als Konsequenz ist
das Interface der Halbleiter- und der dielektrischen Schicht sehr
rein und schafft damit eine verbesserte Transistorleistung, besonders
eine verbesserte Trägerbeweglichkeit.
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In
der Anordnung der Erfindung werden die Halbleiterschicht und die
dielektrische Schicht vorzugsweise von Flächen, die nicht mit dem mindestens
einen Feldeffekttransistor in Zusammenhang stehen, und von Flächen, die
nicht mit sich kreuzenden Leitern der ersten und zweiten Leiterschicht
in Zusammenhang stehen, entfernt. Das führt dazu, dass die Anordnung
aufgrund der Strukturierung sowohl der dielektrischen als auch der
Halbleiterschicht eine verbesserte mechanische Leistungsfähigkeit hat.
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich
aus und erklärt
mit Bezug auf die hiernach beschriebene(n) Ausführungsform(en).
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nur als Beispiel mit Bezug auf die Zeichnung
beschrieben. In dieser zeigen:
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1 die
Struktur eines organischen Halbleiters nach dem Stand der Technik;
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Feldeffekttransistorgruppierung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 einen
Querschnitt einer Feldeffekttransistorstruktur nach dem Aufbringen
einer dielektrischen und Halbleiterschicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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4 einen
Querschnitt einer Feldeffekttransistorstruktur nach der Strukturierung
der dielektrischen und Halbleiterschicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
-
5 einen
Querschnitt einer Feldeffekttransistorstruktur nach dem Aufbringen
der zweiten Leiterschicht gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Draufsicht auf eine Kreuzung zweiter Leiter der verschiedenen Leiterschichten;
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7 eine
Querschnittsansicht entsprechend der Draufsicht von 6;
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8 eine
Draufsicht einer zweiten Ausführungsform
einer Kreuzung zweier Leiter der verschiedenen Leiterschichten;
und
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9 eine
Querschnittsansicht entsprechend der Draufsicht von 8.
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2 illustriert
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer organischen
Feldeffektgruppierung (FET) gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Der organische Feldeffekttransistor wird auf einem
Substrat geschaffen, das in dem zum Testen verwendeten Experiment
Glas war. Normalerweise wird dieses Substrat an einen Träger befestigt,
der den Halt und die mechanische Stabilität für die FET-Struktur bereitstellt.
Dann ist der Träger aus
Glas gemacht und das Substrat ist in diesem Fall eine Polymerfolie,
beispielsweise aus Polyimid gemacht. Das Substrat kann von dem Träger auf
passende Weise gelöst
werden. Bevorzugt ist ein Verfahren, in dem das Substrat mit einem
UV-lösbaren
Kleber an dem Träger
befestigt ist. Ablösen
geschieht dann auf Bestrahlen des UV-lösbaren Klebers durch den – transparenten – Träger hin.
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In
Schritt 201 des Herstellungsprozesses wird eine strukturierte
erste Leiterschicht auf das Substrat aufgebracht. In der bevorzugten
Ausführungsform
wird eine Goldschicht auf das Substrat aufgebracht, gefolgt von
einer anschließenden
lithografischen Strukturierung der Goldschicht, wie sie in der Technik
gut bekannt ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden die Sources und Drains der FETs durch die erste Leiterschicht
gebildet und die Strukturierung der ersten Leiterschicht ist so,
dass an den passenden Positionen Source- und Drain-Elektroden geschaffen
werden. Zusätzlich
schafft die erste Leiterschicht einer erste Verbindungsschicht zum
Bilden der Verbindungen, die für
die Implementierung einer elektronischen Schaltung erforderlich
sind.
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In
Schritt 203 wird eine organische Halbleiterschicht auf
der ersten Leiterschicht aufgebracht. In der bevorzugten Ausführungsform
wird die Halbleiterschicht so auf der ersten Leiterschicht aufgebracht.
Die aufgebrachte Schicht bedeckt die Substratfläche und steht so in Kontakt
mit der ersten Leiterschicht und direkt mit dem Substrat, wo der
erste Leiter durch die Strukturierung entfernt worden ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die organische Halbleiterschicht Pentacen (0,25 Gewichts-%,
mit 10 % zu der Lösung
hinzugefügtem
Polystyrol), das vorzugsweise als ein Vorläufer auf das Substrat aufgebracht
wird. Der verwendete Vorläufer ist
6,13-Dihydro-6,13-(2,3,4,5-tetrachlor-2,4-cyclohexadien)-pentacen.
Es wird durch Schleuderbeschichten auf der ersten Leiterschicht
aufgebracht. Nach dem Schleuderbeschichten wird die Konvertierung des
Vorläufers
in Pentacen für
10 Sekunden bei 200°C
auf einer heißen
Platte durchgeführt.
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In
Schritt 205 des Herstellungsprozesses wird eine dielektrische
Schicht auf der Halbleiterschicht aufgebracht. Die dielektrische
Schicht wird vorzugsweise durch Schleuderbeschichten aufgebracht
und vorzugsweise in demselben Arbeitsvorgang wie das Aufbringen
der Halbleiterschicht in Schritt 203. Die dielektrische
Schicht ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Dielektrikum
mit passenden Charakteristiken und kann vorzugsweise ein Fotolack
sein (wie HPR504).
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In
dem Fall, dass ein Vorläufer
des Halbleiters aufgebracht wird, kann die Konvertierung in den aktuellen
Halbleiter stattfinden, nachdem die dielektrische Schicht aufgebracht
worden ist. Im Falle, dass die dielektrische Schicht, besonders
ein Fotolack, nach dem Aufbringen (und fotolithografischer Bearbeitung)
eine Aushärtung
benötigt,
kann die Konvertierung des Vorläufers
in den Halbleiter und die Aushärtung
der dielektrischen Schicht in einer einzigen Behandlung kombiniert
werden. Diese Wärmebehandlung
kann Aufheizen bei unterschiedlichen Temperaturen für unterschiedliche
Zeitdauern umfassen.
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Nach
dem Aufbringen durch Schleuderbeschichten wird die dielektrische
Schicht in der bevorzugten Ausführungsform
für 30
s bei 90°C
auf einer heißen
Platte getrocknet.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer FET-Struktur 300 nach dem Aufbringen
der dielektrischen und Halbleiterschicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Also illustriert 3 einen Querschnitt
der FET-Struktur nach Schritt 205.
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Wie
in 3 illustriert, werden eine Source 303 und
eine Drain 305 durch die auf dem Substrat 301 gebildete
erste Leiterschicht 303, 305 gebildet. Die Halbleiter schicht 307 wird
auf der ersten Leiterschicht 303, 305 deponiert
und steht in Kontakt mit dieser und mit dem Substrat 301.
Auf der Halbleiterschicht wird die dielektrische Schicht 309 deponiert.
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In
Schritt 207 werden die Halbleiterschicht und die dielektrische
Schicht gemeinsam strukturiert. Speziell werden sowohl die Halbleiter-
als auch die dielektrische Schicht in einem einzigen Arbeitsschritt oder
Schritt strukturiert. So wird dieselbe Maske auf beide Schichten
angewandt und die beiden Schichten haben schließlich dieselbe Struktur.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird die Strukturierung der Halbleiter- und der dielektrischen Schicht durch
einen Fotolithografieprozess gemacht. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die dielektrische Schicht so gewählt, dass die dielektrische Schicht
auch als eine Fotolackschicht fungiert. Beispielsweise kann HPR504
für die
dielektrische Schicht verwendet werden. In dieser Ausführungsform
wird die Struktur über
eine Kontaktmaske UV-Licht ausgesetzt und dann entwickelt und gespült. Die
Strukturierung der dielektrischen und Halbleiterschicht wird dann
durch einen konventionellen Ätzprozess
wie Reaktives Ionenätzen
(RIE) mit z.B. Ar/O2-Gas erzielt.
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So
ist die Strukturierung des Halbleiter-Dielektrikum-Stapels für die beschriebene
Anordnung extrem einfach, da das verwendete dielektrische Material
fotoempfindlich ist und deshalb als Lack zum Ätzen des Halbleiters agiert.
Dies vermeidet den Bedarf einer zusätzlichen Fotolackschicht auf
dem Stapel.
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Wenn
das Substrat eine Polymerfolie ist, kann sich das Ätzen bis
in das Substrat ausdehnen. Es gibt mehrere Wege, den negativen Einfluss
davon zu begrenzen. Vor allem können
die Ätzzeiten
und -bedingungen optimiert werden. Die Eigenschaften und Dicken
der Halbleiterschicht und der dielektrischen Schicht sind gut bekannt,
und so ist Optimierung möglich.
Zweitens kann eine Ätzstoppschicht auf
dem Substrat aufgebracht werden oder Teil des Substrats sein. Ätzstoppschichten
sind an sich bekannt. Vorzugsweise wird ein elektrisch isolierendes Material
verwendet, wobei damit jede kapazitive Kopplung oder Kurzschlüsse zwischen
der zweiten Leiterschicht und der Ätzstoppschicht vermieden werden.
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Besonders
geeignete Materialien für Ätzstoppschichten
sind mit Partikeln, besonders Nanopartikeln, aufgefüllte Polymere.
Passende Polymere beinhalten Polyimid, Polystyrol, Polyimid, Polyethylenterephthalat
und so weiter. Passende Nanopartikel beinhalten Rußschwarz,
SiO2, TiO2, BaTiO3, Ferrite wie auch andere anorganische Verbindun gen und
besonders Oxide. Die Nanopartikel können einen Durchmesser in der
Größenordnung
von 1 nm bis zu 500 nm haben. Solche mit Nanopartikeln aufgefüllten Polymere
haben die folgenden vorteilhaften Eigenschaften: sie können als Ätzstopp
verwendet werden, die Oberfläche
der Schicht ist relativ eben, was damit direktes Deponieren der
zweiten Leiterschicht erlaubt, die Schicht ist flexibel, und das
Polymer kann so gewählt
werden, dass die resultierende Schicht einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
hat, der mit dem Substrat und den anderen Schichten vergleichbar
ist. Es ist ein weiterer Vorteil, dass mit einer geeigneten Wahl
der Partikel die resultierende Ätzstoppschicht
auch Strahlung hemmen kann, um so die organische Halbleiterschicht
gegen Strahlung, die zu Schädigung
führt,
zu schützen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden die organische Halbleiterschicht und die dielektrische Schicht
von Flächen
entfernt, die nicht mit Komponenten der Feldeffekttransistorgruppierung
oder mit sich kreuzenden Leitern der ersten und zweiten Leiterschicht
in Zusammenhang stehen.
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Im
Gegensatz zu konventionellen Verfahren ist die Strukturierung der
Halbleiterschicht in der bevorzugten Ausführungsform mit dem Prozess
des Herstellens der Kontakte und Verbindungen in der dielektrischen
Schicht kombiniert. Dies reduziert die Anzahl der durch den Prozess
geforderten Masken von vier auf drei, was in einer signifikanten
Kostenreduktion des Herstellungsprozesses resultiert. Vorzugsweise
wird die dielektrische Schicht überall
außer
an den Transistorflächen
und der Fläche
der Kreuzungen zwischen den zwei leitenden Schichten entfernt. Ein
zusätzlicher
Vorteil ist, dass es die mechanische Flexibilität der Anordnung erhöht, da Entfernen
der dielektrischen Schicht den Stress und folglich die Chance von
Rissen und Filmablösen
reduziert.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer FET-Struktur 300 nach der Strukturierung
der dielektrischen und Halbleiterschicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Also illustriert 4 einen Querschnitt
der FET-Struktur nach Schritt 207. Wie in 4 gesehen
werden kann, sind die Halbleiter- und dielektrischen Schichten 307, 309 auf
die Fläche über den
Source- und Drain-Elektroden reduziert.
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In
Schritt 209 wird eine strukturierte zweite Leiterschicht
auf der strukturierten dielektrischen Schicht deponiert. In der
bevorzugten Ausführungsform
enthält
die zweite Leiterschicht ein Gate des Feldeffekttransistors. In
der bevorzugten Ausführungsform
wird eine strukturierte Gold-Gateschicht direkt durch Verdampfen
durch eine Schattenmaske aufgebracht. Aber in anderen Ausführungsformen kann
ein Zweistufenprozess des Auf bringens einer leitenden Schicht gefolgt
von Strukturierung verwendet werden. In einigen Ausführungsformen
kann ein organisches Leitermaterial für das Gate verwendet werden.
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5 zeigt
einen Querschnitt der FET-Struktur 300 nach der Deposition
der zweiten Leiterschicht gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Also illustriert 5 einen
Querschnitt der FET-Struktur nach Schritt 209.
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Wie
in 5 gesehen werden kann, ist eine Gateelektrode 501 auf
der dielektrischen Schicht aufgebracht worden. So ist ein FET mit
einem Kanal zwischen einer Source- 303 und Drain- 305 Elektrode und
einem darüber
liegenden Gate 501 gebildet worden. So ist ein sehr einfacher
Herstellungsprozess für einen
organischen FET mit einer Top-Gate-Strukur erzielt, der nur drei
Masken verwendet, während
er sowohl die Halbleiter- als auch die dielektrische Schicht strukturiert.
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Es
können
FETs mit einer sehr sauberen Integration der Halbleiter- und dielektrischen
Schicht produziert werden, wobei hohe Leistung des organischen FET
erreicht werden kann. Experimente haben gezeigt, dass eine Mobilität von 2·10–2 cm2/Vs erreicht werden kann. Dies ist vergleichbar
mit oder besser als die konventionellen Bottom-Gate-Strukturen unter
den gleichen Bedingungen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird die Isolationsschicht von allen Flächen entfernt, die nicht mit
Komponenten der Feldeffekttransistorgruppierung oder mit sich kreuzenden
Leitern der ersten und zweiten Leiterschicht in Zusammenhang stehen. Also
werden die dielektrische Schicht und die Halbleiterschicht aufrechterhalten,
wenn Verbindungen der zwei Schichten sich kreuzen, um die geforderte
Isolation zwischen diesen zu schaffen.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf eine Kreuzung zweier Leiter der verschiedenen
Leiterschichten. Ein erster Leiter 601 der ersten unteren
Leiterschicht kreuzt im Wesentlichen senkrecht unter einem zweiten
Leiter 603 der oberen zweiten Leiterschicht. Die zwei Leiter 601, 603 sind
durch eine Fläche
oder Insel 605 dielektrischen Materials der dielektrischen
Schicht isoliert.
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7 zeigt
einen Querschnitt der Kreuzung der zwei Leiter 601, 603 der
verschiedenen Leiterschichten. Wie in 7 gezeigt,
verursacht die Insel 605 dielektrischen Materials, dass
eine Insel 701 aus Halbleitermaterial übrig bleibt. Aber diese Halbleiterinsel
steht in Kontakt mit beiden Leitern 601, 603 und
dementsprechend wird eine Kriechstromstrecke zwischen den zwei leitenden
Schichten gebildet. Diese Kriechstromstrecke kann so klein wie gefordert gemacht
werden, indem die richtige Geometrie der Dielektrikum-Halbleiter-Insel 605, 701 gewählt wird. Bin
Extremfall, wo der Kriechstrom komplett entfernt ist, könnte sein,
dass die Ausbreitung der Insel komplett unter der oberen leitenden
Elektrode 603 ist.
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8 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Kreuzung der
zwei Leiter 601, 603 der verschiedenen leitenden
Schichten. 9 zeigt die entsprechende Querschnittsansicht.
Die hierin verwendeten Bezugzeichen sind, so weit wie möglich, identisch
zu denen in 6 und 7. In dieser
Ausführungsform
ist die Insel 605 der dielektrischen- und Halbleiterschicht
in Hinsicht auf die in 6 gezeigte Insel verlängert. Dies
ist getan, um Schutzzonen 702 zu schaffen. Diese Schutzzonen 702 schaffen
einen minimalen lateralen Abstand zwischen dem ersten Leiter 601 in
der ersten Leiterschicht und dem zweiten Leiter 603 in
der zweiten Leiterschicht. Die Schutzzone beträgt in diesem Beispiel etwa
5,0 Mikrometer. Die Breite des zweiten Leiters beträgt etwa
2,0 Mikrometer. Pentacen hat eine Leitfähigkeit von 1,3·10–4 S/cm.
Das resultiert in einem Widerstand von etwa 2·104 Ω. Da die
Spannungsunterschiede zwischen dem ersten Leiter 601 und
dem zweiten Leiter 603 nur in kurzen Zeitspannen von wesentlicher
Größe sind,
ist dies unproblematisch.
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So
kann gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
ein einzelner organischer FET durch den beschriebenen Herstellungsprozess
produziert werden oder eine organische FET-Gruppierung mit mehreren
oder einer Vielzahl von FETs kann hergestellt werden. In einigen
Ausführungsformen
wird eine integrierte Schaltung mit sowohl Halbleiterkomponenten
als auch Verbindungen, die erforderlich sind, um eine gewünschte Funktionalität zu erzielen,
hergestellt.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die FET-Gruppierung in einer Display- oder Elektrolumineszenz-Anordnung verwendet
werden. Besonders Pixel-FETs können
gemäß dem beschriebenen
Verfahren produziert werden. In diesem Fall umfasst die FET-Gruppierung vorzugsweise
eine Anzahl von FETs, die in einem Matrixformat mit Reihen und Spalten
angeordnet sind. Das Gate jedes Pixel-FETs ist vorzugsweise an eine
Reihenelektrode angeschlossen und die Source jedes FETs ist vorzugsweise
an eine Spaltenelektrode angeschlossen. Jeder individueller Pixel-FET
kann dann aktiviert werden und durch eine Fachleuten bekannte Scan-Operation
mit der passenden Ladung versehen werden.
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Für einige
Display-Anwendungen ist mindestens eines der Substrate durchsichtig
und vorzugsweise für
eine durch die Schicht zu sehende Abbildung ausreichend transparent.
Dies erlaubt, dass die Abbildung aus der entsprechenden Richtung
durch Licht, das die passende Schicht durchdringt, gesehen wird.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
für eine Display-Anwendung
umfasst der Herstellungsprozess weiter den Schritt des Aufbringens
einer elektrophoretischen elektrooptischen Schicht. Die elektrophoretische
elektrooptische Schicht umfasst geladene Partikel, die sich abhängig von
der an den Pixel-Transistor angelegten Ladung bewegen, wobei sie
dabei eine sichtbare Färbung
des Pixels gemäß der angelegten
Ladung erzeugen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Herstellung weiter den Schritt des Aufbringens einer
Schutzschicht. Beispielsweise kann eine Schutzschicht aus Polymethylmethacrylat,
Polyvinylalkohol, Polyvinylphenol, Polyacrylat, Polystyrol, Polyvinylchlorid,
Polyester, Polyethern, Benzocyclobuten, Polyimid, Epoxiden, glasgefüllten Polymeren oder
anorganischen Dielektrika durch Schleuderbeschichtung nach dem Aufbringen
der zweiten leitenden Schicht oder der elektrophoretischen Schicht aufgebracht
werden. Diese Schutzschicht erhöht
die mechanische Widerstandsfähigkeit
der Anordnung.
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Die
Erfindung kann durch jedes geeignete Gerät und in jeder passenden Form
implementiert werden. Die Elemente und Komponenten zur Implementierung
einer Ausführungsform
der Erfindung können
in jeder passenden Weise physikalisch, funktionell und logisch sein.
Wirklich kann die Funktionalität
in einer einzelnen Einheit, in einer Vielzahl von Einheiten oder
als Teil anderer Einheiten implementiert werden. Als solches kann
die Erfindung in einer einzelnen Einheit implementiert werden oder
kann physikalisch und funktionell auf verschiedene Einheiten verteilt
werden.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der bevorzugten
Ausführungsform
beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, sie auf die hierin
dargelegte spezifische Form zu beschränken. Genauer gesagt ist der
Rahmen der vorliegenden Erfindung nur durch die einhergehenden Ansprüche beschränkt. In
den Ansprüchen
schließt
der Term „umfasst" nicht die Anwesenheit
anderer Elemente oder Schritte aus. Außerdem kann, obwohl individuell aufgelistet,
eine Vielzahl von Mitteln, Elementen oder Verfahrensschritten z.B.
durch eine einzelne Einheit implementiert werden. Obwohl individuelle
Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beinhaltet sein können, können diese
zusätzlich
möglicherweise
vorteilhaft kombiniert werden, und die Beinhaltung in unterschiedlichen
Ansprüchen
deutet nicht an, dass eine Kombination von Eigenschaften nicht durchführbar und/oder
vorteilhaft ist. Zusätzlich
schließen
singuläre
Bezüge
nicht eine Vielzahl aus. So schließen Bezüge auf ein „ein", „eine" „erste", „zweite" usw. nicht eine
Vielzahl aus.