Polymeres Schaltelement
Die Erfindung betrifft ein polymeres Schaltelement zur Verwendung als Transistor oder Diode.
Eine elektronische Schlüsselkomponente in der Informationstechnik stellt der Transistor dar. Herkömmliche Dioden und Transistoren bestehen aus anorganischen Materialien und sind an die Halbleitertechnologie gebunden, wodurch das Eigenschaftsprofil dieser Bauelemente auf natürliche Weise begrenzt ist. Halbleiterdioden und Transistoren lassen sich in viele Typen und Klassen einteilen.
Bei den Transistoren unterscheidet man bipolare und unipolare Transistoren, die völlig unterschiedlich aufgebaut sind. Als ein Beispiel für einen unipolaren Transistor sei hier der Feldeffekttransistor (FET) genannt, der im Grundaufbau aus einem halbleitenden Stromkanal besteht, dessen Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld beeinflusst wird. Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren trägt zum Ladungstransport bei den unipolaren Transistoren nur eine Ladungsträgerart bei.
Die bipolaren Transistoren haben u.a. in der Leistungselektronik Einzug gehalten und arbeiten mit positiven und negativen Ladungsträgern. Die gewünschten Ladungsträgerarten lassen sich durch Dotierung des Halbleitermaterials realisieren (vgl. K.-H. Rumpf und . Pulvers, Transistor-Elektronik, Verlag Technik, Berlin, 1982) .
Neben der sprunghaften Entwicklung der Halbieitermaterialien in den letzten drei Jahrzehnten werden auch relativ lange schon organische Materialien hinsichtlich ihrer Halbleitereigenschaften analysiert. Als ein Vertreter ist das Antracen zu nennen, welches bereits in den 60er Jahren inrensiv unter-
sucht wurde (vgl. W. Helfrich und W.G. Schneider, J. Chem. Phys. 44, 8 (1996) 2902) .
In den vergangenen Jahren sind eine große Anzahl von Forschungsergebnissen zu halbleitenden organischen Verbindungen veröffentlicht worden (vgl. G. Wegner , Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 20 (1981) 361; G. Horowitz, Adv. Materials 10, 5 (1998) 365) . Die meisten von diesen Verbindungen sind Donator-Akzeptor-Verbindungen, z.B. Tetrahiafulvalen-Tetracyano- quinodimethan (TTF-TCNQ) und andere analoge Verbindungen (vgl. D. Jerome und H.J. Schultz, Adv. Phys. 31 (1982) 299; M. Narita und C.U. Pittmann, Jr . Synthesis 489 (1976)). Verschiedene elektronische Bauteile, z.B. Schottky-Dioden und FETs, wurden mit organischen Verbindungen (z.B. Phthalocyani- nen) (vgl. T.J. Marks, Science 227 (1985) 881) und Polymeren (z.B. Polythiophene) (vgl. A.J. Lovinger und Lewis J. Rothberg, J. Mater. Res. 11 (1996) 1581) aufgebaut.
Organische Feldeffekttransistoren (OFET) wurden 1987 das erste Mal beschrieben und haben in den letzten Jahren eine sprunghafte Entwicklung auf dem Gebiet der Materialentwicklung genommen. In den letzten Jahren wurden vor allem Untersuchungen an Oligothiophenen (α-nT mit 3 < n < 8) , von denen das α-6T (vgl. G. Horowiti-., D. Fichou und F. Garnier, Solid State Commun . 70 (1989) 385) der bekannteste Vertreter mit der höchsten Mobilität der Ladungsträger unter den organischen Halbleitern ist, durchgeführt. Des weiteren werden aromatische Kohlenwasserstoffe, dessen bekanntester Vertreter das Pentacen ist, für diesen Anwendungszweck eingesetzt. Die auf Pentacenen basierenden OFETs bestehen entweder aus Aufdamp filmen (vgl. C.D. Dimitrikapouios, A.R. Brown, A. Pomp, J. Appl . Phys. 80 (1996), 2501) oder werden durch Konversion aus einem löslichen Precursor-Molekül hergestellt (vgl. A.R. Brown, A. Pomp, C.M. Hart, D. de Leeuw, Science 270 (1995),
972). Die bisher existierenden, dem Stand der Technik zuzuordnenden Bauelemente haben die Nachteile, dass sie beim Aufbau sehr aufwendige Fertigungsverfahren erfordern. Dies lässt sich durch den Einsatz polymerer Materialien vermeiden.
Überdies ist es für viele elektronische Geräte wünschenswert, Dioden und Transistoren einzusetzen, die sich durch Robust- heit, Leichtigkeit und Lichtdurchlässigkeit auszeichnen (vgl. M.C. Lonergan, Science 278 (1997) 2103) . Diese Materialeigenschaften lassen sich durch den Einsatz von polymeren Werkstoffen realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Schaltelemente zur Verwendung als Diode oder Transistor bereitzustellen, die wesentlich einfacher als die des Stands der Technik hergestellt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist ein polymeres Schaltelement, umfassend
(i) eine löcherinjizierende Elektrode,
(ii) eine polymere Lochtransportschicht,
(iii) eine polymere Elektronentransportschicht und
(iv) eine elektroneninjizierende Elektrode.
Als polymere Materialien für den Lochtransport eignen sich halbleitende Polymere.
In dem erfindungsgemäßen Schaltelement werden vorzugsweise unsubstituierte (Wessling, R.A., J. Poly . Sei. Polym. Sym . 72, 1986, 55) oder substituierte (Becker, H., Spreitzer, H.,
Ibrom, K. , Kreuder, W., Macromolecules V, 32, 1999, 4925) Po- ly-p-phenylenvinylene (PPV), konjugierte Poly-p-phenylen (PPP) -Leiterpolymere (Schlüter, A.-D., Wegner G., Acta Poly- erica 44, 1993, 59), Polyvinylcarbazole ( PVCar ) (Kido J., Hongawa, K., Okuyuma K. , Katsutoshi, N., Appl . Phys. Lett . 63, 1993, 19), Polyfluorene (Grell, M., Bradley, D.D.C., In- basekeran, M., Woo, E.P., Adv. Mater. 9, 1997, 798), thi- anthrenhaltige Hauptkettenpolymere (Friedrich, R., Janietz, S., Wedel, A., Macromolecules V, 200, 1999, 731) und Polythi- ophene (Mao, H., Xu, B., Holdcraft, S., Macromolecules 25, 1992, 554) eingesetzt.
Als Elektronentransportschichten werden in dem erfindungsgemäßen polymeren Schaltelement Materialien verwendet, die ü- berwiegend Elektronentransport aufweisen (n-Material) .
Vorzugsweise umfasst die Elektronentransportschicht substituierte oder unsubstituierte aromatische Polyoxadiazole (DE 198 40 195 Cl, 3. September 1998), aromatische Polyquinoxali- ne (Agrawal, A.K., Jenecke, S.A., Macromolecules 26, 1993, 895), Polychinoline (Zhang, X., Shetty, A.S., Jeschke, S.A., Acta Polymerica 49, 1998, 52) und Polybenzbisthiazole (Jenecke, S.A., Johnson, P.D., Macromolecules 23, 1990, 4419).
Solche Polyoxadiazole sind der DE 198 40 195 Cl vom 3. September 1998 beschrieben.
Als besonders zweckmäßig erweist sich die Verwendung von Po- lyimid (PTPA) mit Thianthreneinheiten der folgenden allgemeinen Formel
worin n eine ganze Zahl von 10 bis 1000, vorzugsweise 20 bis 30, bedeutet.
Seine Herstellung ist in S. Janietz, A. Wedel, R. Friedrich, S. Anlauf, Pol. Prepr., 40, 1999, 1219 beschrieben. Es handelt sich hierbei um sogenanntes p-leitendes Polymermaterial, das löcherleitenden Charakter aufweist. Als Material, das ü- berwiegend Elektronentransport aufweist, d.h. sogenanntes n-Material, wird vorzugsweise ein lösliches 2 , 5-Dialkoxy- substituiertes Poly (phenyl-1 , 3 , -oxadiazol) (PODX) verwendet. Die Alkoxygruppe weist dabei 1 bis 18, vorzugsweise 16, Kohlenstoffatome auf.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines 2 , 5-Dialkoxy- substituierten Poly (phenyl-1, 3-4-oxadiazols) der Formel
worin n für eine ganze Zahl von 100 bis 1000, bevorzugt 300 bis 700, steht.
Seine Herstellung ist in der DE 198 40 195 Cl beschriebe
Die einzelnen Schichten des polymeren Schaltelements können aus den vorgenannten polymeren Materialien bestehen oder gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Polymermatrizen, die gegebenenfalls dotiert sein können, eingearbeitet werden .
Geeignete Polymermatrizen, welche die vorgenannten polymeren Verbindungen als Gastmaterialien enthalten können, sind beispielsweise Polymethylmethacrylate (PMMA) oder Polycarbonate (PC) .
In dem erfindungsgemäßen polymeren Schaltelement sind diese Schichten und Schichtsysteme so anzuordnen, daß, ausgehend von der löcherinjizierenden Elektrode, zunächst die Loch- transportschicht und dann die Elektronentransportschicht präpariert wird. Danach erfolgt die Aufbringung einer elektroneninjizierenden Elektrode (vgl. A.R. Brown, A. Pomp, CM. Hart, D. de Leeuw, Science 270 (1995), 972).
Die Figur 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau des erfindungsgemäßen polymeren Schaltelements. Hierin bedeutet (1) das Trägermaterial, (2) die Elektroden, (3) eine polymere Zwischenschicht zur Anpassung der Injektionsbarrieren an die polymeren Schichten, (4) die Schicht mit löcherleitendem Charakter (p-Material) und (5) die Schicht mit Elektronentrans- portcharakter (n-Material) .
Das erfindungsgemäße polymere Schaltelement kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch eine der folgenden Schichtanordnungen aufweisen:
(a) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei p-leitenden Materialien, beispielsweise PTPA/PODX/PTPA
(b) p-leitendes Polymermaterial zwischen zwei n-leitenden Materialien, beispielsweise PODX/PTPA/PODX
(c) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei leitfähigen Elektroden, beispielsweise BAYTRON®/PODX/BÄYTRON®
(d) n-leitendes Polymermaterial zwischen zwei p-leitenden Materialien auf leitfähiger Elektrode,
sowie BAYTRON®/PTPA/PODX/PTPA.
Neben dem oben erwähnten n-leitenden bzw. p-leitenden Polymermaterial weist das erfindungsgemäße polymere Schaltelement löcherinjizierende und elektroneninjizierende Elektroden auf. Als löcherinjizierende Elektrode eignen sich u.a. Materialien, die eine hohe Austrittsarbeir (> 4,5 eV) besitzen. Dazu zählen u.a. Gold, Platin und Indium-Zinn-Oxid (ITO) -Schichten. Die ITO-Schichten müssen durch spezielle Aufdampverfah- ren (RF-Sputtern) so ausgeführt werden, dass sie sowohl eine hohe optische Transparenz (> 80%) als auch eine hohe Leitfähigkeit (< 1 kΩ/ ) besitzen. Die typischen Schichtdicken müssen deshalb zwischen 80 und 150 nm liegen.
Als elektroneninjizierende Elektroden eignen sich Materialien mit geringer Austrittsarbeit, z.B. Calcium, Aluminium, Mischungen aus Magnesium und Aluminium und Magnesium und Indium. Die Schichtdicken dieser Elektrode liegen im Bereich von 500 nm bis 1 μm.
Die Herstellung solcher elektroneninjizierender Elektroden ist beispielsweise in Adachi, Ch . , Tetsuo, T. und Shogo, S., Appl. Phys. Lett . 55 (1989) 15, 1489 beschrieben.
Nach Präparation dieser Schichten und Schichtsysteme weisen diese einen oder mehrere p-n-Übergang/p-n-Übergänge auf, der/die m Abhängigkeit von der anliegenden Spannung sowohl in Flussrichtung betrieben als auch in Sperrrichtung geschaltet werden kann/können.
Die Elektroden werden dabei an den Grenzflächen der Materialien untereinander und an den begrenzenden Schichten angebracht. Dabei ist es zweckmäßig, eine polymere Zwischenschicht zu verwenden, welche zur Anpassung der Injektionsbarrieren an die polymeren Schichten dient. Eine solche polymere Zwischenschicht (3) ist in Figur 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform befindet sich die polymere Zwischenschicht zwischen dem Elektrodenmaterial (2) und der Schicht mit löcherleitendem Charakter (p-Material) (4).
Die polymere Zwischenschicht kann aus einem leitfähigen Polymer bestehen (z.B. Polyethylendioxythiophen) und aus handelsüblichen Materialien hergestellt werden. Als zweckmäßig erweist sich die Verwendung von BAYTRON® der Firma Bayer AG, Leverkusen .
Die erfindungsgemäßen polymeren Schaltelemente weisen gegenüber den im Stand der Technik bekannten Schaltelementen, welche anorganische Komponenten umfassen, den Vorteil auf, dass sie besser verarbeitbar sind und eine deutlich erhöhte Formgebbarkeit aufweisen.
Des weiteren sind die polymeren Schaltelemenfe kostengünstiger unter umweltgerechten Prozessbedingungen herstellbar. Die Erfindung kann auf dem Gebiet der elektronischen Bauelemente auf Polymerbasis eingesetzt werden. Sie soll beim Entwurf neuartiger Schaltelemente genutzt werden, die vollständig aus polymerer Basis aufgebaut sind. Diese Bauelemente können mit
organischen Elektrolumineszenzanzeigen kombiniert und zur An- steuerung verwendet werden.
Die Erfindung wird durch das folgende Ausführungsbeispiel näher erläutert :
BEISPIEL
Es wird ein bipolarer Polymertransistor mit dem folgenden Schichtaufbau hergestellt: ITO/PTPA/Al/PODX/Al .
Eine auf einem Glassubstrat von ca. 5 cm2 aufgebrachte ITO- Schicht (50 nm) dient als Trägermaterial und lochinjizierende Elektrode. Eine polymere Zwischenschicht wird durch spin- coating der Dispersion eines leitfähigen Polymers (BAYTRON®) und anschließender Trocknung bei 100°C erzeugt.
Darauf wird aus einer in Dimethylacetamid löslichen Polyamidcarbonsäure durch spin—coating ein dünner Film aufgebracht, der durch einen thermischen Prozess bei 200°C unter Vakuumbedingungen (< 10~3 bar) in eine unlösliche Polyimidschicht (PTPA) mit einer Dicke von 100 nm umgewandelt wird. Danach wird eine strukturierte Aluminiumelektrode von ca. 80 nm Dicke abgeschieden. Anschließend erfolgt das Aufbringen einer PODX-Schicht (100 nm) . Eine weitere strukturierte Aluminiumelektrode schließt den Transistoraufbau ab. Die Aluminium- elektroden sind geometrisch dabei so angeordnet, dass sich die aktiven Flächen mit ca. 50 % überlappen.
Die Figur 2 zeigt das Banddiagramm eines solchen bipolaren Polymertransistors. Es gibt Auskunft über die Inj ekτionsbar- rieren .
Die Figur 3 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Polymertransistors, d.h. sein Schaltverhalten. Dabei wird eine
Spannung zwischen der PTPA- und der PODX-Schicht angelegt, wobei PTPA als Emitter, AI als Basis und PODX als Kollektor wirkt .
Aus der resultierenden Strom-Spannungs-Kennlinie gemäß Figur 3 lassen sich Schaltvorgänge nachweisen. Mit den in dem erfindungsgemäßen polymeren Schaltelement eingesetzten konjugierten Polymersystemen lassen sich somit Dioden und Transistoren aufbauen.