EP1393387A1 - Organischer feldeffekt-transistor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung zum aufbau integrierter schaltungen - Google Patents

Organischer feldeffekt-transistor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung zum aufbau integrierter schaltungen

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EP1393387A1
EP1393387A1 EP02737855A EP02737855A EP1393387A1 EP 1393387 A1 EP1393387 A1 EP 1393387A1 EP 02737855 A EP02737855 A EP 02737855A EP 02737855 A EP02737855 A EP 02737855A EP 1393387 A1 EP1393387 A1 EP 1393387A1
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EP
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insulator layer
field effect
effect transistor
insulator
organic field
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EP02737855A
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English (en)
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Adolf Bernds
Walter Fix
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PolyIC GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H10K71/821—Patterning of a layer by embossing, e.g. stamping to form trenches in an insulating layer

Definitions

  • the invention relates to an organic field effect transistor (OFET), a method for its production and the use of this OFET for the construction of integrated circuits.
  • OFET organic field effect transistor
  • OFETs Field effect transistors
  • An essential factor for the quality of an OFET and thus an integrated circuit built from it is the integrity and stability of the individual functional layers and a high resolution or fineness of the source and drain electrodes is particularly important for the performance.
  • An embossing technique has already been proposed for the formation of the finest structured functional layers on a substrate, in which depressions are embossed and preserved in a layer with a correspondingly surface-structured stamp. These depressions are then filled with the material of the subsequent functional layer.
  • Such a method and OFETs generated with it are described in the applicant's German patent application DE 10061297.0. Here, however, the depressions are created in an additional layer.
  • the object of the invention is to provide a simplified, compact structure for an OFET, which allows its production on a mass production scale at low cost. At the same time, the performance and stability of the OFET should be guaranteed.
  • the present invention relates to an organic compound
  • a gate electrode an insulator layer a semiconductor layer
  • the source and drain electrodes and the gate electrode being embedded in the insulator layer.
  • the advantage of the OFET designed according to the invention is that the transistor structure is considerably simplified, the quality of the
  • Isolators improved and the semiconductor as the top layer is made possible.
  • the latter is particularly advantageous since the semiconductor materials or layers are the most sensitive components in such a system.
  • the semiconductor layer is no longer exposed to any further process steps.
  • an entire layer is also omitted, which ultimately makes the OFET thinner in comparison to the prior art. Above all, one process step for generating the additional layer is saved.
  • the insulator layer is preferably formed from a self-curing or a UV-curable or thermosetting polymer material and structured by means of an embossing technique for receiving the source and drain electrode (s).
  • an embossing technique for receiving the source and drain electrode (s).
  • the desired structuring for the application of the source and drain electrode (s) is designed as a positive on an embossing stamp and is thus transferred into the uncured insulator layer.
  • the structure is preserved by curing.
  • the embossing technique used according to the invention in connection with the hardening of the insulator ateriales allows the creation of the finest, discrete and permanent traces or depressions for the conductor tracks or electrodes.
  • the distance 1 between the source and drain electrodes is less than 20 ⁇ m, in particular less than 10 ⁇ m and preferably between 2 and 5 ⁇ m, which corresponds to a maximum resolution and thus the highest power capacity of an OFET.
  • the present invention also relates to a method for producing an OFET with, in particular, a bottom-gate structure, in which a gate electrode is applied to a substrate, and an insulator layer made of a hardening material is formed over it, in the unhardened insulator layer by means of an embossing die, the structure for the source and drain electrode (s) are produced and preserved by curing the insulator material, the conserved structure is filled with a conductive material and the semiconductor layer is formed above it.
  • Transistor structure Only a single insulator layer is used, which is the carrier of the source and drain electrodes and insulator at the same time. In contrast, the normal manufacturing process provides for a separate layer for each of the two functions. Saving an entire shift means not only material, but also cost savings.
  • the quality of the isolator is improved.
  • One reason for this is that the insulator surface is smoothed by the embossing process, specifically where it is most important for the transistor function, namely at the interface between the semiconductor and the insulator.
  • the insulator is also optimally preconditioned for the reception of the semiconductor, since due to the hardening it can no longer be attacked by the solvent of the semiconductor during its application. This also means great freedom in the choice of the solvent in which the semiconductor can be dissolved to apply and form the layer.
  • the (self) curing material for the insulation layer is preferably selected from epoxides and acrylates. These materials can be conditioned in such a way that, for example, they already harden under the action of atmospheric oxygen and / or through the action of UV light and / or heat. These polymers can be applied either from solution or in the form of liquid UV varnishes, either by spin coating or printing, which ensures a high level of homogeneity of the layer.
  • the conductive material for forming the electrodes can be selected from organic conductive materials and particle-filled polymers.
  • Conductive organic materials are, for example, doped polyethylene or doped polyaniline.
  • Particle-filled polymers are those that contain conductive, mostly inorganic particles in a dense packing. The polymer itself can then be conductive or non-conductive.
  • the conductive inorganic particles are, for example, silver or other metallic particles as well as graphite or carbon black.
  • the conductive material will preferably be doctored into the predetermined structuring of the insulator.
  • the doctor blade method offers the advantage that the selection of the conductive material is almost unlimited, whereby a uniform filling of the structuring is ensured.
  • the method according to the invention can also be designed such that it is carried out continuously, which ensures a higher production output.
  • the OFETs designed according to the invention are of such high quality and performance, they are particularly suitable for the construction of integrated circuits, which can also be all-organic.
  • a gate electrode 2 is structured on a substrate 1, which can be, for example, a thin glass film or a polyethylene, polyimide or polyterephthalate film.
  • the gate electrode 2 can consist of metallic or non-metallic organic material.
  • metallic conductors one can think of copper, aluminum, gold or indium tin oxide.
  • Organic conductive materials are doped polyaniline or polyethylene or particle-filled polymers.
  • the gate electrode is structured either by printing or by lithographic structuring.
  • the insulator layer 3 is now applied over the gate electrode 2 and on the substrate 1. This can be done by spin coating or printing.
  • the insulator layer 3 is preferably produced from a UV-curing or thermosetting material, such as epoxy or acrylate.
  • this desired structure ' is embossed in the uncured insulating layer 3 by means of a die 4, which carries the structure of the source and drain electrode (s) in positive form.
  • the insulator layer 3 is then left to harden or hardened by the action of UV light or heat and the stamp 4 is then removed.
  • the structure provided for the source and drain electrodes in the insulator layer 3 ' is preserved permanently and with sharp contours.
  • the conductive material 5 is now filled into the depressions or traces produced. Because of the advantages stated above, this is preferably done with the aid of a doctor blade. Suitable materials are also mentioned above.
  • the semiconductor layer which can be processed from conjugated polymers, such as polythiophenes, polythienylenes or polyfluorene derivatives, from a solution is now applied.
  • conjugated polymers such as polythiophenes, polythienylenes or polyfluorene derivatives
  • the application can be done here by spin coating, knife coating or printing.
  • So-called "small molecules" are also suitable for the structure of the semiconductor layer, i.e. Oligomers such as sexithiophene or pentacene, which are vacuum-deposited onto the substrate.
  • the proposed manufacturing process is suitable for large-scale use. Many different OFETs can be generated at the same time in a continuous process with a continuous belt.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein OFET, bei dem Gate-(2) sowie Source- und Drain-Elektroden (5) in der Isolatorschicht (3) eingebettet sind. Die Strukturierung der Isolatorschicht erfolgt durch eine Prägetechnik, wodurch hochaufgelöste leitfähige Strukturen ausgebildet werden können und der OFET eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist.

Description

Beschreibung
Organischer Feldeffekt-Transistor, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung zum Aufbau integrierter Schaltungen
Die Erfindung betrifft einen organischen Feldeffekt-Transistor (OFET) , ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung dieses OFETs zum Aufbau integrierter Schaltungen.
Feldeffekt-Transistoren (OFETs) spielen auf allen Gebieten der Elektronik eine zentrale Rolle. Bei ihrer Herstellung müssen mehrere organischen Schichten übereinander strukturiert werden. Das ist mit herkömmlicher Photolithographie, welche eigentlich zur Strukturierung von anorganischen Mate- rialien dient, nur sehr eingeschränkt möglich. Die bei der
Photolithographie üblichen Arbeitsschritte greifen bzw. lösen die organischen Schichten an und machen diese somit unbrauchbar. Das geschieht beispielsweise beim Aufschleudern, beim Entwickeln und beim Ablösen eines Photolackes.
Ein wesentlicher Faktor für die Güte eines OFETs und damit einer daraus aufgebauten integrierten Schaltung ist jedoch die Unversehrtheit und Stabilität der einzelnen Funktionsschichten und für die Leistungsfähigkeit ist insbesondere ei- ne hohe Auflösung bzw. Feinheit der Source- und Drain-Elektroden wesentlich.
Zur Ausbildung feinster strukturierter Funktionsschichten auf einem Substrat wurde bereits eine Prägetechnik vorgeschlagen, bei der in einer Schicht mit einem entsprechend oberflächenstrukturierten Stempel Vertiefungen eingeprägt und konserviert werden. Diese Vertiefungen werden dann mit dem Material der nachfolgenden FunktionsSchicht aufgefüllt. Ein solches Verfahren und damit erzeugte OFETs sind in der deutschen Pa- tentanmeldung DE 10061297.0 der Anmelderin beschrieben. Hier werden die Vertiefungen jedoch in einer zusätzlichen Schicht erzeugt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen vereinfachten, kompakten Aufbau für ein OFET anzugeben, der dessen Herstellung im Massenherstellungsmaßstab kostengünstig erlaubt. Dabei soll gleichzeitig die Leistungsfähigkeit und Stabilität des OFETs gewährleistet bleiben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein organischer
Feldeffekt-Transistor, welcher
eine Gate-Elektrode eine Isolatorschicht eine Halbleiterschicht
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat umfasst, wobei in der Isolatorschicht die Source- und Drain-Elektroden sowie die Gate-Elektrode eingebettet sind.
Vorteil des erfindungsgemäß gestalteten OFETs ist, dass der Transistoraufbau wesentlich vereinfacht, die Qualität des
Isolators verbessert und der Halbleiter als oberste Schicht ermöglicht wird. Letzteres ist insbesondere von Vorteil, da die Halbleitermaterialien bzw. -schichten die empfindlichsten Komponenten in einem solchen System sind. Mit anderen Worten, die Halbleiterschicht wird keinen weiteren Prozessschritten mehr ausgesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen OFETs entfällt desweiteren eine ganze Schicht, was letztendlich den OFET im Vergleich zum Stand der Technik dünner macht. Vor allem wird ein Prozessschritt zur Erzeugung der zusätzlichen Schicht eingespart.
Die Isolatorschicht wird vorzugsweise aus einem selbsthärtenden oder einem UV- oder wärmehärtbaren Polymermaterial gebildet und mittels einer Prägetechnik für die Aufnahme der Sour- ce- und Drain-Elektrode (n) strukturiert. Dazu ist die gewünschte Strukturierung für die Anlage der Source- und Drain- Elektrode (n) als Positiv auf einem Prägestempel ausgebildet und wird damit in die ungehärtete Isolatorschicht übertragen. Die Struktur wird durch Aushärten konserviert. Durch die erfindungsgemäß angewendete Prägetechnik in Verbindung mit der Aushärtung des Isolator ateriales lassen sich feinste, dis- krete und permanente Spuren bzw. Vertiefungen für die Leiterbahnen bzw. Elektroden erzeugen.
Damit ist erfindungsgemäß auch gewährleistet, dass der Abstand 1 zwischen Source- und Drain-Elektrode kleiner als 20 μ , insbesondere kleiner 10 μm und vorzugsweise zwischen 2 bis 5 μm beträgt, was einer Höchstauflösung und damit höchster Leistungskapazität eines OFETs entspricht.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines OFETs mit insbesondere Bottom-Gate-Struktur, bei dem man auf einem Substrat eine Gate-Elektrode aufbringt, darüber eine Isolatorschicht aus einem härtenden Material ausbildet, in der ungehärteten Isolatorschicht mittels eines Prägestempels die Struktur für die Source- und Drain- Elektrode (n) erzeugt und durch Aushärten des Isolatormateriales konserviert, die konservierte Struktur mit einem leitfähigen Material auffüllt und darüber die Halbleiterschicht ausbildet.
Wie gesagt, bestehen die Vorteile in einem vereinfachten
Transistoraufbau. Es wird nur eine einzige Isolatorschicht verwendet, welche gleichzeitig Träger der Source- und Drain- Elektroden und Isolator ist. Demgegenüber sieht der normale Herstellungsprozess für jede der beiden Funktionen eine ge- sonderte Schicht vor. Die Einsparung einer ganzen Schicht bedeutet nicht nur Material-, sondern auch Kosteneinsparung.
Die Qualität des Isolators ist verbessert. Ein Grund dafür ist, dass die Isolatoroberfläche durch das Prägeverfahren ge- glättet wird und zwar dort, wo es für die Transistorfunktion am wichtigsten ist, nämlich an der Grenzfläche von Halbleiter und Isolator. Auch ist der Isolator optimal für die Aufnahme des Halbleiters vorkonditioniert, da er aufgrund der Aushärtung nicht mehr vom Lösungsmittel des Halbleiters während dessen Auftrag angreifbar ist. Das bedeutet auch eine große Freiheit bei der Auswahl des Lösungsmittels, in dem der Halbleiter zum Auftragen und Ausbilden der Schicht gelöst werden kann.
Das (selbst) härtende Material für die Isolationsschicht wird vorzugsweise aus Epoxiden und Acrylaten ausgewählt. Diese Materialien können so konditioniert werden bzw. sein, dass sie beispielsweise bereits unter der Einwirkung von Luftsauerstoff aushärten und/oder durch Einwirkung von UV-Licht und/oder Wärme. Diese Polymere lassen sich entweder aus der Lösung oder in Form flüssiger UV-Lacke auftragen, entweder durch Spin-Coaten oder Drucken, wodurch eine große Homogenität der Schicht gewährleistet werden kann.
Das leitfähige Material zur Ausbildung der Elektroden kann aus organischen leitfähigen Materialien und partikelgefüllten Polymeren ausgewählt werden. Leitfähige organische Materialien sind beispielsweise dotiertes Polyethylen oder dotiertes Polyanilin. Partikelgefüllte Polymere sind solche, welche leitfähige, meist anorganische Partikel in dichter Packung enthalten. Das Polymer selbst kann dann leitfähig oder nicht- leitfähig sein. Die leitfähigen anorganischen Partikel sind bespielsweise Silber oder andere metallische Teilchen sowie Graphit oder Carbon Black.
Vorzugsweise wird man das leitfähige Material in die vorgegebene Strukturierung des Isolators einrakeln. Die Rakelmethode liefert den Vorteil, dass die Auswahl des leitfähigen Materi- ales nahezu unbegrenzt ist, wobei eine gleichförmige Ausfüllung der Strukturierung gewährleistet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgestaltet werden, dass es kontinuierlich geführt wird, was einen höheren Produktionsauswurf gewährleistet .
Da es sich bei den erfindungsgemäß ausgestalteten OFETs um solche hoher Qualität und Leistungsfähigkeit handelt, eignen sie sich insbesondere zum Aufbau integrierter Schaltungen, welche auch all-organisch sein können.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und der Aufbau des erfindungsgemäßen OFETs anhand von schematischen Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
Zunächst wird gemäß Fig. 1 auf einem Substrat 1, das bei- spielsweise eine dünne Glasfolie oder eine Polyethylen-, Po- lyimid- oder Polyterephthalatfolie sein kann, eine Gate- Elektrode 2 strukturiert. Die Gate-Elektrode 2 kann aus metallischem oder nicht-metallischem organischem Material bestehen. Unter den metallischen Leitern kann man an Kupfer, Aluminium, Gold oder Indium-Zinn-Oxid denken. Organische leitende Materialien sind dotiertes Polyanilin oder Polyethylen oder partikelgefüllte Polymere. Je nach Auswahl des leitenden Materiales erfolgt die Strukturierung der Gate-Elektrode entweder durch Aufdrucken oder lithographische Strukturierung.
Über der Gate-Elektrode 2 und auf dem Substrat 1 wird nun gemäß Fig. 2 die Isolatorschicht 3 aufgetragen. Dies kann durch Spin-Coaten oder Bedrucken erfolgen. Die Isolatorschicht 3 wird vorzugsweise aus einem UV-härtenden oder wärmehärtenden Material, wie Epoxid oder Acrylat, erzeugt.
Gemäß Fig. 3 wird in der nicht ausgehärteten Isolatorschicht 3 mittels eines Prägestempels 4, der die Struktur der Source- und Drain-Elektrode (n) in Positivform trägt, diese gewünschte Struktur' eingeprägt. Die Isolatorschicht 3 wird dann aushärten gelassen oder mittels Einwirkung von UV-Licht oder Wärme ausgehärtet und der Stempel 4 -dann entfernt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die für die Source- und Drain-Elektroden vorgesehene Struktur in der Isolatorschicht 3' permanent und konturenscharf konserviert.
In die erzeugten Vertiefungen bzw. Spuren wird gemäß Fig. 5 nun das leitfähige Material 5 eingefüllt. Das geschieht aufgrund der oben angegebenen Vorteile vorzugsweise mit Hilfe einer Rakel. Dazu geeignete Materialien sind ebenfalls oben erwähnt.
Gemäß Fig. 6 wird nun noch die Halbleiterschicht, welche aus konjugierten Polymeren, wie Polythiophenen, Polythienylenen oder Polyfluorenderivaten aus einer Lösung verarbeitbar sind, aufgetragen. Das Auftragen kann hier durch Spin-Coaten, Rakeln oder Bedrucken erfolgen. Für den Aufbau der Halbleiterschicht eignen sich auch sogenannte "small molecules" d.h. Oligomere wie Sexithiophen oder Pentacen, die durch eine Vakuumtechnik auf das Substrat aufgedampft werden.
Aufgrund der Unempfindlichkeit der ausgehärten Isolatorschicht können für das Auftragen der Halbleiterschicht die verschiedensten Lösungsmittel und damit die für das gesamte Herstellungsverfahren jeweils geeigneste Auftragstechnik aus- gewählt werden.
Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren ist für die großtechnische Anwendung geeignet. Es können gleichzeitig viele verschiedene OFETs in einem kontinuierlichen Verfahren bei durchlaufendem Band erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Organischer Feldeffekt-Transistor, welcher
- eine Gate-Elektrode (2)
- eine Isolatorschicht (3')
- eine Halbleiterschicht (6)
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat (1) umfasst, wo- bei in der Isolatorschicht (3') die Source- und Drain- Elektrode (n) eingebettet sind.
2. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (3') aus einem UV- oder wärmehärtbaren Material gebildet ist.
3. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (3') mittels einer Prägetechnik für die Aufnahme der Source- und Drain-Elektrode (n) strukturiert ist.
4. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand 1 zwischen Source- und Drain-Elektrode kleiner 20 μm, ins- besondere kleiner 10 μm und vorzugsweise zwischen 2 bis 5 μm beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines OFETs mit Bottom-Gate- Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem man auf einem Substrat (1) eine Gate-Elektrode (2) aufbringt, darüber eine Isolatorschicht (3) aus einem härtenden Material ausbildet, in der ungehärteten Isolatorschicht (3) mittels eines Prägestempels (4) die Struktur für die Source- und Drain-Elektrode (n) erzeugt und durch Aushär- ten des Isolatormaterials konserviert, die konservierte
Struktur mit einem leitfähigen Material auffüllt und darüber die Halbleiterschicht
(6) ausbildet. S. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man das härtende Material für die Isolatorschicht (3') aus Epoxiden und/oder Acrylaten auswählt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das leitfähige Material zur Ausbildung der E- lektroden aus organischen leitfähigen Materialien und partikelgefüllten Polymeren auswählt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man das leitfähige Material in die vorgegebene Strukturierung für den Isolator (3') einra- kelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das als kontinuierliches Verfahren mit einem durchlaufenden Band durchgeführt wird.
10. Verwendung eines OFETs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 5 bis 9 beim Aufbau integrierter Schaltungen.
EP02737855A 2001-06-01 2002-05-27 Organischer feldeffekt-transistor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung zum aufbau integrierter schaltungen Withdrawn EP1393387A1 (de)

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