WO2006015593A1 - Flexibler nanotransistor und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO2006015593A1
WO2006015593A1 PCT/DE2005/001441 DE2005001441W WO2006015593A1 WO 2006015593 A1 WO2006015593 A1 WO 2006015593A1 DE 2005001441 W DE2005001441 W DE 2005001441W WO 2006015593 A1 WO2006015593 A1 WO 2006015593A1
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nanotransistor
flexible
polymer film
conductive
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Dietmar Finik
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Hahn-Meitner-Institut Berlin Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a flexible nanotransistor based on at least a single, lined with an insulating layer and filled with a conductive or semiconducting material Nanopore in a polymer film with source and drain contact on the top and bottom of the polymer film and with at least one gate contact and to a process for its preparation.
  • Thin-film transistors are known in which semiconductor material is applied in a planar arrangement to flexible substrates. Due to mechanical stress on the substrates, however, detachment of the semiconductor material from the substrate or other damage and, thus, functional failure, can easily occur. It is also known from DE 101 42 913 B4, from which the present invention proceeds as the closest prior art, a flexible transistor on the nanometer scale (“nanotransistor”) with a Folien ⁇ composite of two glued together, metallized on its inside plastic films (“polymer films "), in which Ionenspur- channels are introduced by means of ion bombardment.
  • the etched latent ion traces ("nanopores", diameters up to 30 nm and less) are first lined with an insulating layer and then filled with conductive or semiconductive material, followed by metallization of the top and bottom of the film composite to form source and drain contacts.
  • nanopores diameters up to 30 nm and less
  • the object of the present invention is therefore to develop a vertical nanotransistor of the type described above in such a way that a high long-term stability is achieved and aging phenomena are avoided. Furthermore, a high application flexibility of the flexible nanotransistor is to be achieved at the same time simple and reliable manufacturability.
  • the flexible nanotransistor according to the invention is characterized in that the gate contact of at least one nanopore adjacent to the base-forming nanopore which is homogeneously filled with a conductive material and at least one conductive layer of ion-beam-modified conductive material buried in the polymer film comprises the base-forming nanopore and the nanopore surrounds the contact-forming nanopore.
  • the contacting for the control of the gate contact in the form of a conductively filled nanopore is positioned in the immediate vicinity of the base-forming nanopore.
  • the electronically active track and the control track are arranged closely adjacent, so that a large spatial compactness arises.
  • the vapor deposited metal layer known in the art which is formed as a gate contact, is replaced by a conductive layer buried in a single polymer film, which is made of a conductive material which has been modified by the irradiation with ions and thereby rendered conductive.
  • the claimed flexible nanotransistor thus exhibits better stability, simplicity and also flexibility than the known nanotransistor, since only a polymer film without metal coating is used.
  • conductive ions are deposited in a material.
  • a relatively high implantation dose is needed.
  • the decisive factor for the conductivity of the buried layer is rather the chemical modification in the form of a "charring" of the base material by the radiation damage of the deposited ions (for example charred graphite layer in a polymer film)
  • the idea of ion-implanted conductive layers in a dielectric for electronic applications has long been known and has often been used in scientific work on ion implantation in polymers as
  • the nanopore is filled with a metal wire and contacted by a metal coating on the surface of the alumina.
  • the length of the nanopore is sized so that a residual layer of alumina remains between its lower end and the aluminum substrate. This residual layer acts as a tunnel layer with Coulomb blockade, through which individual electrons can tunnel through.
  • a filling of the nanopore with disperse material is not provided.
  • a tunnel effect arrangement with clusters is known from DE 697 21 929 T2.
  • An ordered molecular structure is formed in a system of planar metal electrodes on a substrate by incorporating, in place of a simple monolayer of inert molecules constituting a dielectric barrier, ie, a tunneling barrier, specific molecules or clusters which promote the formation of tunnel junctions and the enable electron-correlated electron tunneling in the device.
  • a dielectric barrier ie, a tunneling barrier
  • specific molecules or clusters which promote the formation of tunnel junctions and the enable electron-correlated electron tunneling in the device.
  • As tunnel barriers also organic claddings of metallic clusters are used.
  • the entire arrangement is, however, under free accessibility of the electrodes (the gate contact can occur multiple times and be positioned at different locations in the cluster row) and the cluster is constructed flat and is wetted with water. Nanopores do not occur.
  • the preparation is carried out by chemical adsorption in a matrix or Langmuir-Blodgett technique.
  • a flexible field effect nanotransistor is known for example from the aforementioned DE
  • a plurality of conductive layers of buried ions in different Depth are provided in the polymer film, wherein each conductive layer forms a gate contact by means of a controlling nanopore.
  • the burial of ions by energetically controlled ion bombardment is easy to perform, so it is easy to apply multiple conductive layers at different depths around the base-forming nanopore.
  • the flexible nanotransistor can therefore be provided with multiple gates.
  • Each conductive layer is driven by its own, conductively filled nanopore.
  • peripheral resistances in the wiring of the flexible nanotransistor can be easily integrated into its structure, if these resistors are integrated into the gating resistor of the at least one conductive layer.
  • tailor-made gating resistors can be designed that reduce and thus simplify the number of components required in a circuit.
  • the nanotransistor can thus be used both as an independent component and as an integrated component.
  • an arrangement as a transistor array can also be formed in both variants if a large number of adjacent base-forming and controlling nanopores are arranged next to one another to form a transistor array and thus nanotransistors according to the invention.
  • the statistical distribution of the nanopores in the polymer film results in a sufficiently homogeneous structure.
  • the base-forming and the controlling nanopores are correspondingly selectively processed and constructed differently. Each nanotransistor can be controlled individually via its gate contact.
  • Another advantage of the claimed flexible nanotransistor is its particularly easy manufacturability by means of ion bombardment.
  • This method is likewise known from the initially cited DE 101 42 913 B4.
  • the flexible nanotransistor according to the invention not only the nanopore is produced by ion bombardment, but also the conductive layer. It is thus provided that the one or more conductive layers of buried ions integrated into the polymer film are produced by implantation of ions with an energy predetermined for the respective conductive layer. The only difference is the energy with which the ions are injected, since once a breakthrough and the other time a deposition should be achieved. Further production steps, such as vapor deposition with metal and bonding of two polymer films, are completely eliminated. Following is a simple example of manufacturing a flexible nanotransistor according to the invention:
  • a suitable polymer film typically PET, PI, PC, CN or PADC; thicknesses typically 10 ⁇ m-50 ⁇ m, areas typically ⁇ 1 mm 2 to 1000 cm 2 )
  • a field-effect nanotransistor or a single-electron nanotransistor can be designed.
  • the controlling nanopores can be filled in the same process step and finished processed. It then eliminates its own, possibly. Affected with a mask use process step, so that simplifies the process for producing the flexible nanotransistor again.
  • FIG. 1 shows a flexible field effect nanotransistor in cross section
  • FIG. 2 shows a flexible single electron nanotransistor in cross section
  • FIG. 3 shows a representation of the tunnel current through a nanocluster
  • FIG. 4 is an illustration of the tunnel current through a chain of several nanoclusters
  • FIG. 5 is an illustration of the influence in insulators with one
  • Nanoclusters and Figure 6 is a representation of the influence in insulators with a chain of several Nanoclustem.
  • FIG. 1 shows a flexible nanotransistor NT in the embodiment of a field-effect nanotransistor FET.
  • the nanotransistor NT is based on a single base-forming nanopore BNP, which forms the electronically active track of the nanotransistor NT.
  • the base-forming nanopore BNP is lined with an insulating layer IS and filled with a conductive or semiconducting material HLM. In this case, the filling can be done completely (compare FIG. 1) or as a tubular lining (not shown).
  • a field-effect nanotransistor FET is formed in which an electron current flows under control.
  • the base-forming nanopore BNP is embedded in a flexible polymer film PF. On the upper side of the polymer film PF, a drain contact DK and on the underside of the polymer film PF, a source contact SK is arranged.
  • a gate contact GK has at least one controlling nanopore SNP arranged adjacent to the base-forming nanopore BNP, which represents the control track and is homogeneously filled with a conductive material LM. Furthermore, the gate contact GK has at least one conductive layer LS, which is integrated into the flexible polymer film PF, of ion-beam-modified conductive material, which surrounds the base-forming nanopore BNP and the contact-forming nanopore SNP.
  • the conductive layer LS has been caused by the radiation damage of buried ions VI implanted by low-energy and high-dose ion bombardment in the form of a "charring layer.”
  • the kinetic energy of the injected ions VI is their penetration depth and thus the depth of the Conductive layer LS in the flexible polymer film PF and adjusted by the ion dose in connection with the degree of charring of the conductive layer LS, the resulting resistance of the conductive layer LS Resistors that are required for the wiring of the flexible nanotransistor NT, are integrated directly into the conductive layer LS.
  • FIG. 1 Not shown in FIG. 1 is the embodiment variant in that a plurality of conductive layers LS of ions VI buried at different depths in the polymer film PF are provided, each conductive layer LS forming a gate contact GK by means of a controlling nanopore SNP. Furthermore, the polymer film PF can be applied to a silicon substrate, so that integration into conventional silicon technology is possible. Finally, a plurality of adjacent base-forming and controlling nanopores BNP, SNP can be combined to form a transistor array.
  • FIG. 2 illustrates a flexible nanotransistor NT in the form of a single-electron nanotransistor SET (single-electron transistor). This differs from the field-effect nanotransistor FET according to FIG. 1 only in that it has a filling of a few conductive nanoclusters NC in the base-forming nanopore BNP. These are preferably all the same size (monodisperse) and have the same distance from each other (equidistant). It may, for example, be silver nanoclusters NC. Under the electrical control always only one electron flows. The mode of action of the single electron line and the control by the conductive layer will be explained in more detail below.
  • a chain of i identical nanoclusters NC between the contacts A and B can be derived that only a single-electron tunneling current flows between the contacts A and B, if V A - VB ⁇ ⁇ V e .
  • Such a chain of nanoclusters NC can be arranged, for example, in an etched nanopore NP in a polymer film PF.
  • nanotransistors NT can be created with multiple gate contacts GK.

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Abstract

Ein bekannter flexibler Nanotransistor auf der Basis von Nanoporen weist einen Folienverbund aus zwei miteinander verklebten Polymerfolien auf, von denen eine auf ihrer Innenseite mit einer Metallschicht als Leitschicht zur Bildung des Gatekontaktes bedampft ist. Dabei ist jedoch die Langzeitstabilität des Folienverbundes unter mechanischen Belastungen unbefriedigend. Die Herstellung der Nanoporen erfolgt durch Ätzen von latenten lonenspuren. Somit sind unterschiedliche Verfahrensschritte notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen Nanotransistor (NT) besteht der Gatekontakt (GK) aus einer steuernden, der basisbildenden Nanopore (BNP) benachbart angeordneten Nanopore (SNP), die homogen mit einem leitenden Material (LM) gefüllt ist, und aus zumindest einer in der Polymerfolie (PF) vergrabenen Leitschicht (LS) aus ionenstrahlmodifiziertem leitendem Material, die die basisbildende Nanopore (BNP) und die kontaktbildende Nanopore (SNP) umgibt. Somit wird nur eine einzelne Polymerfolie verwendet, die Herstellung der Nanoporen und der vergrabenen Leitschicht (LS) erfolgt beides Mal durch lonenbeschuss. In Ausführungsformen kann ein Feldeffekt-Nanotransistor (FET) durch homogenes Auffüllen der basisbildenden Nanopore (BNP) oder ein Einzelelektronen-Nanotransistor (SET) durch Auffüllen mit wenigen leitenden Nanoclustern (NC) erzeugt werden.

Description

Flexibler Nanotransistor und Verfahren zur Herstellung.
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen flexiblen Nanotransistor auf der Basis zumindest einer einzelnen, mit einer Isolationsschicht ausgekleideten und mit einem leitenden oder halbleitenden Material aufgefüllten Nanopore in einer Polymerfolie mit Source- und Drainkontakt auf der Ober- und Unterseite der Polymerfolie und mit zumindest einem Gatekontakt und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Bekannt sind Dünnschichttransistoren, bei denen Halbleitermaterial in planarer Anordnung auf flexible Substrate aufgebracht wird. Durch mechanische Bean¬ spruchung der Substrate kommt es jedoch leicht zum Ablösen des Halbleiter- materials von dem Substrat oder zu anderen Beschädigungen und damit zum Funktionsausfall. Bekannt ist weiterhin aus der DE 101 42 913 B4, von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, ein flexibler Transistor im Nanometermaßstab („Nanotransistor") mit einem Folien¬ verbund aus zwei zusammengeklebten, auf ihrer Innenseite metallbedampften Kunststofffolien („Polymerfolien"), in den mittels lonenbeschuss lonenspur- kanäle eingebracht werden. Die geätzten latenten lonenspuren („Nanoporen", Durchmesser bis 30 nm und weniger) werden zunächst mit einer Isolierschicht ausgekleidet und dann mit leitendem oder halbleitendem Material gefüllt. Durch anschließendes Metallisieren der Ober- und Unterseite des Folien- Verbundes werden Source- und Drainkontakte gebildet. Die mittige Metall¬ schicht dient als Gatekontakt. Über die elektrische Anbindung des Gate¬ kontaktes zur Veränderung des Steuerstromes wird jedoch keine Aussage gemacht, es ist aber davon auszugehenden, dass sie am Rand des Folien¬ verbundes seitlich kontaktiert wird. Die zylindrische, vertikale, flexible Anordnung des bekannten Nanotransistors hat den Vorteil, dass sie mechanisch sehr robust sind, da der Folienverbund bieg- und dehnbar ist. Das organische Folienmaterial ist zudem wesentlich weicher als das anorganische Halbleitermaterial. Dadurch werden auftretende Biege-, Scher- und Druckkräfte fast vollständig vom Folienmaterial aufgenommen, sodass die Transistor¬ kennlinie und andere elektrische Parameter weitgehend konstant unter Biege-, Flex- und Zugkräften sind.
Bei der Herstellung des metallbedampften, verklebten Folienverbundes handelt es sich jedoch um eine schwierige und teure Präparationstechnik. Weiterhin ist die dauerhafte Haltbarkeit des zusammengeklebten Folienverbundes unter mechanischen Belastungen in Frage zu stellen. Zudem treten Schwierigkeiten beim Durchätzen der Nanopore durch die Metallschicht auf. Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, einen vertikalen Nano- transistor der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass eine hohe Langzeitstabilität erreicht und Alterungserscheinungen vermieden werden. Weiterhin soll eine hohe Anwendungsflexibilität des flexiblen Nanotransistors bei gleichzeitig einfacher und zuverlässiger Herstellbarkeit erreicht werden. Als Lösung für diese Aufgabe sind erfindungsgemäß der Gegenstand des Hauptanspruchs und das im Verfahrensanspruch beschriebene Verfahren zur Herstellung vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteran¬ sprüchen zu entnehmen, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert werden.
Der erfindungsgemäße flexible Nanotransistor ist dadurch gekennzeichnet, der Gatekontakt aus zumindest einer der basisbildenden Nanopore benachbart angeordneten kontaktbildenden Nanopore, die homogen mit einem leitenden Material gefüllt ist, und aus zumindest einer in die Polymerfolie vergrabenen Leitschicht aus ionenstrahlmodifiziertem leitendem Material, die die basisbildende Nanopore und die kontaktbildende Nanopore umgibt, gebildet ist. Bei dem beanspruchten Nanotransistor wird zum einen die Kontaktierung für die Ansteuerung des Gatekontaktes in Form einer leitend gefüllten Nanopore in der direkten Nähe der basisbildenden Nanopore positioniert.
Damit werden die elektronisch aktive Spur und die Steuerspur eng benachbart angeordnet, sodass eine große räumliche Kompaktheit entsteht. Zum anderen wird die aus dem Stand der Technik bekannte aufgedampfte Metallschicht, die als Gatekontakt ausgebildet ist, durch eine in eine einzelne Polymerfolie vergrabene Leitschicht, die aus einem leitenden Material, das durch die Bestrahlung mit Ionen modifiziert und dadurch leitend gemacht wurde, ersetzt. Somit entfallen der geklebte Folienverbund und die damit verbundenen
Stabilitätsprobleme. Der beanspruchte flexible Nanotransistor zeigt somit eine gegenüber dem bekannten Nanotransistor bessere Stabilität, Einfachheit und auch Flexibilität, da nur eine Polymerfolie ohne Metallbeschichtung verwendet wird.
Durch Ionenimplantation werden zum einen leitfähige Ionen in einem Material deponiert. Um durch die reinen Implantation eine leitfähige Schicht zu erzeugen, wird jedoch eine relativ hohe Implantationsdosis benötigt. Ausschlaggebend für die Leitfähigkeit der vergrabenen Schicht ist vielmehr die chemische Modifikation in Form einer „Verkohlung" des Basismaterials durch die Strahlenschädigung der deponierten Ionen (beispielsweise verkohlte Graphitschicht in einer Polymerfolie). Die Idee, durch Ionenimplantation hergestellte leitende Schichten in einem Dielektrikum für elektronische Anwendungen zu nutzen, ist seit Langem bekannt und wurde oft in wissenschaftlichen Arbeiten über Ionenimplantation in Polymeren als
Motivation für den Zuwendungsgeber zitiert. Trotzdem ist diese Idee bislang selten und in Kombination mit einem Nanotransistor auf Basis einer ionenspurgeätzten Nanopore überhaupt nicht angewendet worden, weil die durch die strahlungsinduzierten Materialveränderungen hervorgerufenen Materialspannungen oft zu Rissen im Polymer führen und weil das Problem der Kontaktierung dieser Schichten bislang nicht befriedigend gelöst werden konnte.
Modifikationen des flexiblen Nanotransistors mit einer einzigen Polymerfolie sehen vor, dass die basisbildende Nanopore entweder homogen mit einem halbleitenden Material oder mit einigen leitenden monodispersen Nanoclustern in äquidistantem Abstand gefüllt ist. Im ersten Fall ergibt sich ein Feldeffekt- Nanotransistor (FET), im zweiten Fall wird ein Einzelelektronen-Nanotransistor (SET) ausgebildet. Dessen Funktionsweise wird im speziellen Beschrei¬ bungsteil näher beschrieben. Ein unflexibler Einzelelektronen-Nanotransistor auf der Basis einer Nanopore ist beispielsweise aus der US 5.581.091 bekannt. Hierbei befindet sich eine Nanopore in einem Aluminiumoxid, das auf einem Aluminium-Substrat aufgezogen ist. Die Nanopore ist mit einem Metalldraht gefüllt und durch eine Metallbeschichtung auf der Oberfläche des Aluminiumoxids kontaktiert. Die Länge der Nanopore ist so bemessen, dass zwischen ihrem unteren Ende und dem Aluminium-Substrat eine Restschicht von Aluminiumoxid verbleibt. Diese Restschicht wirkt als Tunnelschicht mit Coulomb-Blockade, durch die einzelne Elektronen hindurchtunneln können. Eine Füllung der Nanopore mit dispersem Material ist nicht vorgesehen. Eine Tunneleffektanordnung mit Clustern ist aus der DE 697 21 929 T2 bekannt. Dabei wird eine geordnete molekulare Struktur in einem System aus ebenen Metalelektroden auf einem Substrat gebildet, indem an Stelle einer einfachen Monoschicht aus inerten Molekülen, die eine dielektrische Zwischenschciht, d.h. eine Tunnelbarriere darstellt, spezielle Moleküle oder Cluster eingebaut, die die Bildung von Tunnelverbindungen und das einzelelektronenkorrelierte Elektronentunneln im Bauelement ermöglichen. Als Tunnelbarrieren werden auch organische Umhüllungen metallischer Cluster eingesetzt. Die gesamte Anordnung ist jedoch unter freier Zugänglichkeit der Elektroden (der Gate¬ kontakt kann mehrfach auftreten und an unterschiedlichen Orten in der Clusterreihe positioniert sein) und der Cluster flächig aufgebaut und wird mit Wasser benetzt. Nanoporen treten nicht auf. Die Herstellung erfolgt durch chemische Adsorptionstechnik in einer Matrix oder Langmuir-Blodgett-Technik. Ein flexibler Feldeffekt-Nanotransistor ist beispielsweise aus der eingangs genannten DE 101 42 913 B4 bekannt. Wie aber in der einleitenden Würdigung bereits ausgeführt, arbeitet dieser nach einem zur Erfindung anderen Konzept.
Weiterhin kann in einer Modifikation des flexiblen Nanotransistors vorgesehen sein, dass mehrere Leitschichten aus vergrabenen Ionen in unterschiedlicher Tiefe in der Polymerfolie vorgesehen sind, wobei jede Leitschicht mittels einer steuernden Nanopore einen Gatekontakt bildet. Das Vergraben von Ionen durch energetisch kontrollierten lonenbeschuss ist einfach durchzuführen, sodass in einfacher Weise mehrere Leitschichten in unterschiedlichen Tiefen um die basisbildende Nanopore herum angelegt werden können. Der flexible Nanotransistor kann also mit mehreren Gates versehen werden. Dabei wird jede Leitschicht durch eine eigene, leitend gefüllte Nanopore angesteuert. Auch können weitere, periphere Widerstände in der Beschaltung des flexiblen Nanotransistors einfach in dessen Aufbau integriert werden, wenn diese Widerstände in den Gating-Widerstand der zumindest einen Leitschicht integriert sind. Durch die Variation der Dosis der implantierten Ionen können maßgeschneiderte Gating-Widerstände konzipiert werden, die die Anzahl der in einer Beschaltung erforderlichen Bauelemente verringern und damit vereinfachen. Schließlich ist auch noch eine Integration des flexiblen Nanotransistors in klassische Silizium-Elektronik möglich, wenn die
Polymerfolie durch Spin-Coating auf einen Siliziumwafer aufgebracht wird. Dadurch geht zwar die Flexibilität des Nanotransistors verloren, aber seine Anwendungspalette wird vergrößert. Der Nanotransistor kann somit sowohl als eigenständiges Bauelement als auch als integriertes Bauelement eingesetzt werden. Dabei kann in beiden Varianten jeweils auch eine Anordnung als Transistorarray gebildet werden, wenn eine Vielzahl von benachbarten basisbildenden und steuernden Nanoporen zu einem Transistorarray und damit Nanotransistoren nach der Erfindung nebeneinander angeordnet werden. Dabei ergibt sich durch die statistische Verteilung der Nanoporen in der Polymerfolie ein ausreichend homogener Aufbau. Die basisbildenden und die steuernden Nanoporen werden dabei entsprechend selektiv bearbeitet und unterschiedlich aufgebaut. Jeder Nanotransistor kann über seinen Gatekontakt individuell angesteuert werden.
Vorteilhaft bei dem beanspruchten flexiblen Nanotransistor ist auch seine besonders einfache Herstellbarkeit mittels lonenbeschuss. Diese Methode ist ebenfalls aus der eingangs zitierten DE 101 42 913 B4 bekannt. In neuartiger Weiterentwicklung davon wird bei dem flexiblen Nanotransistor nach der Erfindung nicht nur die Nanopore durch lonenbeschuss hergestellt, sondern auch die Leitschicht. Es ist also vorgesehen, dass die in die Polymerfolie integrierte eine oder mehrere Leitschichten aus vergrabenen Ionen durch Implantation von Ionen mit einer für die jeweilige Leitschicht vorgegebenen Energie hergestellt werden. Unterschiedlich ist somit nur die Energie, mit der die Ionen eingeschossen werden, da einmal ein Durchschlagen und das andere Mal eine Deposition erreicht werden soll. Weitere Fertigungsschritte, wie Bedampfen mit Metall und Verkleben von zwei Polymerfolien, entfallen völlig. Im Anschluss wird ein einfaches Beispiel zur Herstellung eines flexiblen Nanotransistors nach der Erfindung gegeben:
• Auswählen einer geeigneten Polymerfolie (typisch PET, PI, PC, CN oder PADC; Dicken typisch 10 μm - 50 μm; Flächen typisch ~1 mm2 bis 1000 cm2)
• Bestrahlen der Polymerfolie mit hochenergetischen Schwerionen mit einer Fluenz weit unter dem Überlappungsbereich der Einzelspuren (typisch Ar.... U, 50 MeV -5 GeV; 106 - 109 cm"2)
• Ätzen der latenten lonenspuren auf vorgegebene Durchmesser (typisch einige 10 nm bis einige μm)
• Bestrahlen der Polymerfolie mit niederenergetischen Ionen hoher Dosis (typisch Ne...Kr; 100-500 keV, 1014-1016 cm"2). Durch diesen Nieder- energie-lonenbeschuss wird in einer vorherbestimmten Tiefe (typisch: ~ Vz μm bis einige μm) innerhalb einer dünnen Schicht (typisch ~ Vz μm) das Polymer radiochemisch in elektrisch leitendes Material verwandelt
(dies ist ein Prozess, der stark der Pyrolyse ähnelt).
• Auskleiden der Innenwände der basisbildenden Nanoporen mit einem isolierenden Material (typisch: PMMA; PAN o.a.). Diejenigen lonenspuren, die als Gatekontakt wirken sollen, werden nicht isolierend ausgekleidet. • Auffüllen der basisbildenden Nanoporen mit einem halbleitenden Material (ganz oder als Röhrchen) bzw. mit wenigen monodispersen und äquidistanten leitenden Nanoclustern
• Auffüllen der steuernden Nanoporen für die Gatekontakte mit einem leitenden Material
• Kontaktieren der aufgefüllten Nanoporen auf beiden Seiten der Polymerfolie.
Damit ist der verbesserte flexible Nanotransistor fertig gestellt. Je nach Auffüllung oder Auskleidung der basisbildenden Nanoporen (halbleitendes
Material oder monodisperse und äquidistante Nanocluster) kann ein Feldeffekt- Nanotransistor oder ein Einzelelektronen-Nanotransistor konzipiert werden. Je nach der Wahl des Materials für die Deposition in die basisbildenden Nanoporen können die steuernden Nanoporen im gleichen Verfahrensschritt gleich mit aufgefüllt und fertig prozessiert werden. Es entfällt dann ein eigener, ggfs. mit einer Maskenverwendung behafteter Verfahrensschritt, sodass sich das Verfahren zur Herstellung des flexiblen Nanotransistors nochmals vereinfacht.
Ausbildungsformen des flexiblen Nanotransistors werden nachfolgend zum weiteren Verständnis der Erfindung anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 einen flexiblen Feldeffekt-Nanotransistor im Querschnitt,
Figur 2 einen flexiblen Einzelelektronen-Nanotransistor im Querschnitt,
Figur 3 eine Darstellung zum Tunnelstrom durch einen Nanocluster,
Figur 4 eine Darstellung zum Tunnelstrom durch eine Kette aus mehreren Nanoclustern, Figur 5 eine Darstellung zur Influenz in Isolatoren mit einem
Nanocluster und Figur 6 eine Darstellung zur Influenz in Isolatoren mit einer Kette aus mehreren Nanoclustem.
Die Figur 1 zeigt einen flexiblen Nanotransistor NT in der Ausführungsform eines Feldeffekt-Nanotransistors FET. Der Nanotransistor NT basiert auf einer einzelnen basisbildenden Nanopore BNP, die die elektronisch aktive Spur des Nanotransistors NT bildet. Die basisbildende Nanopore BNP ist mit einer Isolationsschicht IS ausgekleidet und mit einem leitenden oder halbleitenden Material HLM aufgefüllt. Dabei kann die Auffüllung vollständig (vergleiche Figur 1) oder als röhrenförmige Auskleidung (nicht dargestellt) erfolgen. Bei dieser Art der homogenen Auffüllung wird ein Feldeffekt-Nanotransistor FET gebildet, bei dem ein Elektronenstrom unter Ansteuerung fließt. Die basis¬ bildende Nanopore BNP ist in einer flexiblen Polymerfolie PF eingebettet. Auf der Oberseite der Polymerfolie PF ist ein Drainkontakt DK und auf der Unterseite der Polymerfolie PF ein Sourcekontakt SK angeordnet.
Ein Gatekontakt GK weist zumindest eine steuernden, der basisbildenden Nanopore BNP benachbart angeordneten Nanopore SNP auf, die die Steuerspur darstellt und homogen mit einem leitenden Material LM gefüllt ist. Weiterhin weist der Gatekontakt GK zumindest eine in die flexible Polymerfolie PF integrierte Leitschicht LS aus ionenstrahlmodifiziertem leitendem Material auf, die die basisbildende Nanopore BNP und die kontaktbildende Nanopore SNP umgibt. Dabei ist die Leitschicht LS durch die Strahlenschädigung von vergrabenenen Ionen VI, die durch lonenbeschuss mit niedriger Energie und hoher Dosis implantiert wurden, in Form einer „Verkohlungsschicht" hervorgerufen worden. Durch die kinetische Energie der eingeschossenen Ionen VI wird deren Eindringtiefe und damit die Tiefenlage der Leitschicht LS in der flexiblen Polymerfolie PF und durch die lonendosis im Zusammenhang mit dem Verkohlungsgrad der Leitschicht LS der resultierende Widerstand der Leitschicht LS eingestellt. Dadurch können beispielsweise auch periphere Widerstände, die für die Beschaltung des flexiblen Nanotransistors NT erforderlich sind, direkt in die Leitschicht LS integriert werden.
In der Figur 1 nicht weiter dargestellt ist die Ausführungsvariante, dass mehrere Leitschichten LS aus in unterschiedlicher Tiefe in der Polymerfolie PF vergrabenen Ionen VI vorgesehen sind, wobei jede Leitschicht LS mittels einer steuernden Nanopore SNP einen Gatekontakt GK bildet. Weiterhin kann die Polymerfolie PF auf ein Silizium-Substrat aufgebracht sein, sodass eine Integration in herkömmliche Siliziumtechnik möglich ist. Schließlich kann noch eine Vielzahl von benachbarten basisbildenden und steuernden Nanoporen BNP, SNP zu einem Transistorarray zusammengefasst sein.
In der Figur 2 ist ein flexibler Nanotransistor NT in einer Ausbildung als Einzelelektronen-Nanotransistor SET (Single Electron Transistor) dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem Feldeffekt-Nanotransistor FET gemäß Figur 1 nur dadurch, dass er in der basisbildenden Nanopore BNP eine Füllung aus wenigen leitenden Nanoclustem NC aufweist. Diese sind bevorzugt alle gleich groß (monodispers) und haben den gleichen Abstand zueinander (äquidistant). Es kann sich beispielsweise um Silber-Nanocluster NC handeln. Unter der elektrischen Ansteuerung fließt immer nur ein Elektron. Die Wirkungsweise der Einzelelektronleitung und der Ansteuerung durch die Leitschicht wird im Folgenden näher erläutert.
Beschreibung des Tunnelstromes durch eine Kette von Nanoclustem in geätzten lonenspuren in Polymerfolien:
Zunächst wird anhand von Figur 3 der Fall des Tunnelstromes durch einen einzelnen Nanocluster NC betrachtet. Von einem Kontakt A auf dem Potenzial VA findet ein Ein-Elektronen-Übergang zu einem Nanocluster NC mit dem Potenzial VNco dann statt, wenn die Potenzialdifferenz VA - VNco ≥ ΔVe ist. Hierbei ist ΔVΘ die Erhöhung der potenziellen Energie des Nanoclusters NC durch ein Elektron; das neue Potenzial des Nanoclusters NC sei nun: VNci = VNCO + ΔVe. Eine weitere Bedingung für den Ein-Elektronen-Übergang ist, dass der Kontakt A und der Nanocluster NC genügend nahe benachbart sind (d.h. Abstand geringer als ca. 5 nm bis 10 nm), um eine nennenswerte
Tunnelwahrscheinlichkeit des Elektrons zu ermöglichen. Umgekehrt gibt der Nanocluster NC seine Ladung an einen weiteren, genügend eng benachbarten Kontakt B ab, wenn die Potenzialdifferenz VNCi - VB ≥ ΔVe ist. Durch Kombination der oben aufgeführten Beziehungen kann leicht ersehen werden, dass die insgesamt angelegte Potenzialdifferenz (= Spannung) VA - VB ≥ ΔVe sein muss, damit ein Elektron vom Kontakt A durch den Nanocluster NC zum Kontakt B fließt.
In entsprechender Weise kann auch für eine Kette aus i identischen Nanoclustern NC zwischen den Kontakten A und B (vergleiche Figur 4) hergeleitet werden, dass nur dann ein Ein-Elektronen-Tunnelstrom zwischen den Kontakten A und B fließt, wenn VA - VB ≥ ΔVe. Je größer VA - VB, umso größer gemäß: VA - V5 ≥ ΔVe ≥ n ΔVe ist der Tunnelstrom, wobei n = 1 ,2,3,... die Zahl der Elektronen ist, die jeder Nanocluster NC aufnehmen kann. D.h. der Tunnelstrom steigt mit wachsender angelegter Spannung nicht kontinuierlich, sondern in Schritten vom Abstand ΔVe an. Eine derartige Kette aus i Nanoclustern NC kann z.B. in einer geätzten Nanopore NP in einer Polymerfolie PF angeordnet werden.
Beschreibung des Gatings des Tunnelstromes durch eine Kette von Nanoclustern in einer Nanopore in Polymerfolien durch zusätzlichen Einbau einer vergrabenen leitenden Schicht:
Wenn an eine in einem Isolator (Polymerfolie PF) vergrabene Leiterbahn
(Leitschicht LS) ein Potenzial +Vg angelegt wird, so wird sich durch Influenz in der Nachbarschaft um die Leiterbahn herum das Potenzial -V9 aufbauen. Eine im Gebiet der benachbarten negativen Überschussladung befindliche kleine Sonde wird sich dann auch auf dem Potenzial -V9 befinden, vergleiche Figur 5. Um das Ladungsgleichgewicht im Isolator zu wahren, befinden sich dann in noch größerem Abstand vom Leiter positive Überschussladungen.
Damit ergibt sich die Möglichkeit, mit Hilfe einer vergrabenen Leitschicht LS durch gezieltes Ansprechen (mehr oder weniger nur) eines Nanoclusters NC aus einer Nanoclusterkette jenen durch Influenz auf ein variables Potenzial zu bringen, d.h. zu gaten. Damit wird der Typ eines Einzelelektronen- Nanotransistors SET erhalten.
Entsprechend können mit in unterschiedlicher Tiefe in der Polymerfolie PF vergrabenen Leitschichten LS unterschiedliche Nanocluster NC in der basis- bildenden Nanopore BNP angesteuert werden (vergleiche Figur 6). Durch
Mehrfachimplantation von Ionen mit mehreren verschiedenen Energien können somit Nanotransistoren NT mit mehreren Gatekontakten GK geschaffen werden.
Bezugszeichenliste
A Kontakt
B Kontakt
M BNP basisbildende Nanopore
DK Drainkontakt
FET Feldeffekt-Nanotransistor
GK Gatekontakt
HLM leitendes oder hälbleitendes Ma
LH] i Anzahl der Nanocluster
IS Isolationsschicht
LM leitendes Material
LS Leitschicht n Anzahl der Elektronen
NC leitender Nanocluster
I < NT flexibler Nanotransistor
PF Polymerfolie
SET Einzelelektronen-Nanotransistor
SK Sourcekontakt
SNP steuernde Nanopore
~1 v Potenzial
VI vergrabene Ionen

Claims

Patentansprüche
1. Flexibler Nanotransistor auf der Basis zumindest einer einzelnen, mit einer Isolationsschicht ausgekleideten und mit einem leitenden oder halbleitenden
Material aufgefüllten Nanopore in einer Polymerfolie mit Source- und Drainkontakt auf der Ober- und Unterseite der Polymerfolie und mit zumindest einem Gatekontakt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gatekontakt (GK) aus zumindest einer der basisbildenden Nanopore (BNP) benachbart angeordneten kontaktbildenden Nanopore (SNP), die homogen mit einem leitenden Material (LM) gefüllt ist, und aus zumindest einer in die Polymerfolie (PF) vergrabenen Leitschicht (LS) aus ionenstrahlmodifiziertem leitendem Material, die die basisbildende Nanopore (BNP) und die kontaktbildende Nanopore (SNP) umgibt, gebildet ist.
2. Flexibler Nanotransistor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die basisbildende Nanopore (BNP) homogen mit einem halbleitenden Material (HLM) gefüllt ist.
3. Flexibler Nanotransistor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die basisbildende Nanopore (BNP) mit einigen leitenden monodispersen Nano- Clustern (NC) in äquidistantem Abstand gefüllt ist.
4. Flexibler Nanotransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leitschichten (LS) aus in unterschiedlicher Tiefe in der Polymerfolie (PF) vergrabenen Ionen (VI) vorgesehen sind, wobei jede Leitschicht (LS) mittels einer steuernden Nanopore (SNP) einen Gatekontakt (GK) bildet.
5. Flexibler Nanotransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gating-Widerstand der zumindest einen Leitschicht (LS) weitere periphere Widerstände integriert sind.
6. Flexibler Nanotransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolie (PF) auf ein Silizium-Substrat aufgebracht ist.
7. Flexibler Nanotransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von benachbarten basisbildenden und steuernden Nanoporen (BNP, SNP) zu einem Transistorarray zusammengefasst sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Nanotransistors auf der Basis zumindest einer einzelnen, mit einer Isolationsschicht ausgekleideten und mit einem leitenden oder halbleitenden Material aufgefüllten Nanopore in einer Polymerfolie mit Source- und Drainkontakt auf der Ober- und Unterseite der Polymerfolie und mit zumindest einem Gatekontakt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Polymerfolie (PF) vergrabene eine oder mehrere Leitschichten (LS) aus ionenstrahlmodifiziertem leitendem Material durch Implantation von Ionen (VI) mit einer für die jeweilige Leitschicht (LS) vorgegebenen Energie hergestellt werden.
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