WO2012022342A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

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WO2012022342A1
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doping
electrode
injection layer
organic
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PCT/DE2011/075172
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Sascha Dorok
Rudolf Lessmann
Tobias Canzler
Qiang Huang
Christiane KÖHN
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NovaLED GmbH
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    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/30—Doping active layers, e.g. electron transporting layers

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device. Background of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an organic field-effect transistor in which the electrodes drain and source 1, 2 are formed on a structured injection layer of a molecular doping material.
  • the injection layer 3 is in turn arranged on a stack with a channel layer 4 and an insulator layer 5, the latter coupling to the further electrode gate 6.
  • the structuring of the injection layer 3 may be very expensive.
  • the charge carrier injection-optimizing effect of the injection layer 3 is desired in regions below the electrodes source and drain 1, 2.
  • the injection layer 3 In contrast, in an intermediate region 7, where the injection layer 3 would also be formed in the case of a non-structured embodiment, the effect on the channel layer 4 is not desired. Therefore, the injection layer 3 is usually produced only structured. There is therefore a need for technologies to improve the use of injection layers in semiconductor devices.
  • the field-effect transistor has a layer arrangement with an active layer, on which a sub-layer of a matrix material is arranged, so that the active layer is partially covered by the sub-layer.
  • the sub-layer itself is then covered by a charge carrier injection layer which is in direct contact with the active layer outside the region of the sub-layer. Electrodes of the transistor are applied to the charge carrier injection layer.
  • the object of the invention is to provide an improved semiconductor component and a method for producing in which the possible uses for injection layers and their application-specific training are optimized.
  • a semiconductor device according to independent claim 1 and a method for producing a semiconductor device according to independent claim 10. Furthermore, the use of the semiconductor device according to independent claim 12 is provided. Furthermore, an inverter according to claim 13 is provided.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.
  • the invention provides the possibility of forming a type of structuring in the intended injection layer of molecular doping material so that regions having a first doping affinity and regions having a second doping affinity are produced, wherein the second doping affinity of the molecular doping material of the additional layer with respect to the organic material of the for this adjacent organic semiconductor layer is less than the first doping affinity.
  • the molecular dopant may be an organic or inorganic dopant.
  • the invention has the advantage that a lateral conductivity provided by the injection layer is alleviated because interfacial doping is reduced. Thus, a crosstalk is avoided.
  • the injection layer would be chemically deactivated in the central region, and thus the local conductivity would be prevented.
  • the proposed technology can be used efficiently in very compact geometries, where the lateral distance between electrodes is less than 50 ⁇ m, preferably less than 10
  • the doping affinity of the molecular doping material provides a measure of the extent to which the molecular dopant present in the respective region of the injection layer actually causes electrical doping (or injection enhancement) of the organic material in regions of the organic semiconductor layer adjacent thereto.
  • the doping affinity is proportional to the spatial density of free dopants in the material.
  • the electrical doping is based on a partial charge transfer between doping material and organic material of the organic semiconductor layer, the latter in this case forming the so-called matrix material.
  • the injection layer generally serves to improve the injection of charge carriers in the component.
  • the interface between the injection layer and the underlying organic semiconductor layer is preferably formed continuously, in particular not interrupted by the additional layer, which in turn is arranged above the injection layer, ie on the side of the injection layer, which is applied by the organic semiconductor layer and facing the electrode or the electrodes , In that regard, the additional layer is then free of direct contact with the organic semiconductor layer.
  • the material acts indirectly (inhibiting) on the electrical doping effect of the material of the injection layer into the organic semiconductor layer.
  • the proposed technology improves the device in that the doping effect is not inadvertently due to undesired doping or unwanted doping Diffusion takes place.
  • the molecular dopant of the injection layer can exhibit its electrical injection enhancement between the electrode and the adjacent organic semiconductor layer without being affected by an effect of the additive material from the additive layer.
  • the additive material from the additional layer in the further layer regions formed adjacent to the interface regions between the additional layer and the injection layer inhibits the effect of the molecular doping material from the injection layer for unwanted electrical doping of the adjacent organic material in the organic semiconductor layer. This can lead to complete inhibition (neutralization) of an electrical doping effect at least in parts of these further layer regions.
  • the injection layer layer regions with a different doping effect for the material of the adjacent organic semiconductor layer.
  • a measure of the undesired electrical doping effect of the molecular doping material from the injection layer in the areas with the lower doping affinity with respect to the material of the adjacent organic semiconductor layer is, for example, the extent to which molecules of the molecular doping material penetrate into the adjacent organic semiconductor layer so that there locally electrical doping of the molecules of the organic material of the organic semiconductor layer can take place.
  • Molecular dopants for the injection layer are molecular substances that can be deposited to form layers by vacuum evaporation without decomposition as a layer (solid). They are organic or inorganic substances whose molecules comprise at least six atoms, preferably more than 20 atoms. Preference is given to covalent compounds.
  • a development of the invention provides that
  • the injection layer is formed in contact with the electrode and the organic semiconductor layer, so that a first boundary area is formed between the electrode and the injection layer,
  • the additional layer is arranged on the side of the injection layer facing the electrode on the injection layer, so that a second interface region is formed between the additional layer and the injection layer, and
  • the layer region opposite to the first interface region and the further layer region are formed opposite to the second interface region.
  • the molecular doping material has a molecular weight of at least 300 g / mol.
  • first interface region and the second interface region are formed adjacent to one another.
  • a substantially continuous transition between the interface regions may be formed here.
  • an advantageous embodiment of the invention provides that, for the organic material of the organic semiconductor layer, the molecular doping material of the injection layer is an electrical p-dopant and the additional material of the additional layer is an electrical n-dopant, or vice versa. Since p-dopants are strong acceptors and n-dopants are strong donors, they both react with each other to form a kind of salt which no longer has the previously existing doping affinity and, incidentally, does not conduct electricity. Electrically non-conductive means in the sense used here that the salt does not impair the function of the organic components under normal operating conditions, in particular there is no crosstalk between adjacent lines that are crosstalking, and / or the reverse current of a transistor is very low.
  • the additional material contains a material which reduces the doping affinity of the molecular doping material with respect to the organic material by means of a chemical reaction between the additional material and the molecular doping material.
  • the molecular doping material and the additional material from the additional layer react chemically with one another, so that one or more new chemical compounds are formed which no longer have the doping strength and / or the electrical conductivity of the original molecular doping material from the injection layer.
  • the additive material acts as a type of neutralizing or compensating material with respect to the doping level of the molecular doping material in the injection layer.
  • the additional material contains a material which reduces the doping affinity of the molecular doping material with respect to the organic material by means of a salt formation between the additional material and the molecular doping material.
  • a development of the invention can provide that the additional layer at least partially covers the electrode on a side of the electrode facing away from the injection layer. The additional layer covering the electrode can be formed continuously. It can be provided that the electrode is completely covered by the additional layer. In producing the layer arrangement using the shadow mask technology, these embodiments have the advantage that an exact positioning of the respective shadow mask with respect to the electrode and / or other layer areas is not necessary. The manufacturing process is simplified. Roll-to-roll (R2R) procedures are also simplified.
  • the additional layer is formed between the electrode and at least one further electrode.
  • Such an electrode arrangement may be provided, for example, in an organic field effect transistor.
  • the lateral dimension (parallel to the channel width) of the additional layer is preferably greater than the channel width in the component, that is to say the dimension between the two electrodes, so that the additional layer protrudes beyond the electrodes.
  • the semiconductor layer is undoped (electrically non-doped).
  • the semiconductor layer is formed of an undoped semiconductor material.
  • the doping material and the material of the additional layer are not metallic (except metal compounds which do not release metals) or contain no free metal atoms or metal clusters, which in particular avoids undesired electrical conductivity. It is further preferred that the doping material and the material of the additional layer are metal-free.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a field effect transistor according to the prior art
  • 2 is a schematic representation of a field-effect transistor in which an additional layer is applied to an injection layer in a region between the source and drain electrodes
  • 3 shows a schematic partial representation of a semiconductor component with an injection layer and an additional layer
  • 4a is a schematic representation of a transistor arrangement
  • FIG. 4b shows a schematic sectional illustration of the transistor arrangement in FIG. 4a along a line AA " ,
  • FIG. 5b is a schematic sectional view of the further transistor arrangement in Fig. 5a along a line AA ",
  • Fig. 6a is a schematic representation of another transistor arrangement
  • Fig. 6b is a schematic sectional view of the other transistor arrangement of Fig. 6a.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an organic field-effect transistor having a source and a drain electrode 20a, 20b, both of which are produced on an injection layer 21.
  • the injection layer 21 consists of a molecular doping material which forms an electrical dopant for the organic material of an adjacent channel layer 22.
  • the organic channel layer 22 is in turn formed on an insulating layer 23 (a dielectric layer, also called gate insulator layer) to which a gate electrode 20c is connected on the lower side.
  • insulating layer 23 a dielectric layer, also called gate insulator layer
  • the gate electrode is shown smaller than the channel width to simplify the illustration. In reality, the gate electrode is preferably larger than the channel width.
  • an additional layer 25 of a supplementary material is applied, which is a complementary material to the molecular doping material of the injection layer 21.
  • first interface regions 26 are formed between the source and drain electrodes 20a, 20b, on the one hand, and the injection layer 21, on the other hand.
  • first interface regions 26 are formed between the additional layer 25 and the injection layer 21, a second Grenzfi Stahlen Scheme 27 is formed. Due to the neutralizing or compensating effect of the additional material of the additional layer 25 with respect to the doping strength of the molecular doping material in the injection layer 21 arise layer regions 28 and another layer region 29, which differ in terms of their electrical doping affinity of the molecular doping material with respect to the organic material of the channel layer 22. While in the layer regions 28 the molecular doping material can develop its electrical effect as an injection layer without inhibition by the additional material in the additional layer 25, this electrical doping effect is inhibited or even completely neutralized in the further layer region 29. In the further layer region 29, the injection layer 21 is essentially also not electrically conductive.
  • the method comprises the following steps:
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a semiconductor component in which an injection layer 31 made of a molecular doping material is arranged on an organic semiconductor layer 30 made of organic material.
  • an electrode 32 and an additional layer 33 are deposited on the injection layer 31.
  • the interaction of additional layer 33 and injection layer 31 corresponds to the statements made above in FIG. 2.
  • Fig. 4a shows a schematic representation of a transistor arrangement with two organic thin-film transistor (TFT - thin-ßlm transistor), which together form an inverter (non-gate).
  • An input 40 is provided with gate electrodes 41, 42 of the two transistors. connected, which are formed as p-channel transistor (upper transistor in Fig. 4a) and n-channel transistor (lower transistor in Fig. 4a).
  • a respective additional layer 43, 44 is formed, which overlaps with drain electrodes 45, 46 and source electrodes 47, 48 of the two transistors.
  • the source 47 of one transistor and the drain 46 of the other transistor are connected to an output 49.
  • a gate insulator layer 50 is provided.
  • the transistor arrangement is formed on a semiconductor 51.
  • an am bipolar semiconductor material is used, wherein the charge carrier mobilities ⁇ _1 ⁇ and ⁇ _ ⁇ differ by less than two orders of magnitude.
  • the gate electrode 41 and the gate insulator layer 50 may be formed below the semiconductor layer 50.
  • the substrate is not shown in the figures, it may be eg glass or plastic.
  • the gate insulator layer 50 may also serve as a substrate.
  • FIG. 4b shows a schematic sectional view of the transistor arrangement on FIG. 4a along a line AA.
  • FIG. 4b shows, in particular, that below the gate insulator layer 50 an injection layer 52 is formed, which is peripherally connected to the source electrode 48 as well the drain electrode 46 overlaps.
  • FIG. 5a shows a schematic representation of a further transistor arrangement with two organic thin-film transistors, which are designed as n- and p-channel transistor.
  • An input 60 is connected to the respective gate electrode 61, 62 of the two transistors.
  • a gate insulator layer 63 overlaps the two gate electrodes 61, 62.
  • the two transistors, of which the transistor on the left side in FIG. 5a as a p-channel transistor and the transistor on the right in FIG. Channel transistor is configured furthermore each have a drain electrode 64, 65 and a source electrode 66, 67.
  • an ambipolar semiconductor material is used, wherein ⁇ _1 ⁇ and ⁇ _ ⁇ differ by less than two orders of magnitude.
  • the gate electrodes 61, 62 and the gate insulator layer 63 may be formed below the semiconductor layer 70.
  • two injection layers 68, 69 are furthermore formed.
  • the transistor arrangement is arranged on a semiconductor 70, on which an output 71 is formed, which is connected to the source electrode 66 and the drain electrode 65.
  • FIG. 5b shows a schematic sectional representation of the further transistor arrangement from FIG. 5a along a line AA.
  • FIG. 5b additionally shows two additional layers 72, 73.
  • FIG. 6a shows a schematic representation of another transistor arrangement with two transistors serving as organic thin-film transistors are formed in n- and p-channel design.
  • the other transistor arrangement is arranged on a semiconductor substrate 80. An input 81 and an output 82 are provided.
  • the input 81 is connected to gate electrodes 83, 84 of the two transistors. Similar to the transistor arrangements described above, injection layers 85, 86 as well as additional layers 87, 88 are provided. Furthermore, a drain electrode 89 of the upper transistor in FIG. 6a and a source electrode 90 of the lower transistor in FIG. 6a are formed. Preferably, an ambipolar semiconductor material is used, where ⁇ _1 ⁇ and ⁇ _ ⁇ differ by less than two orders of magnitude. As an alternative to FIG. 6 a, the gate electrodes 83, 84 and the gate insulator layer 91 may be formed below the semiconductor layer 80.
  • Fig. 6b shows a schematic sectional view of the other transistor arrangement of Fig. 6a. From FIG. 6b, a gate insulator layer 91 and a gate electrode 92, which is connected to the input 81, then result.
  • the gate electrodes may be made at the top or bottom of the assembly.
  • the gate electrode may overlap with the channel of the respective transistor and the drain / source electrodes.
  • the distance between the drain / source electrodes is preferably less than 10 ⁇ , more preferably less than 5 ⁇ .
  • the electrode spacing is less than the spacing between adjacent devices in the array.
  • the injection layer 21 should be made of a dopant material which is a dopant for the semiconductor layer. Otherwise, the injection is not completely effective. Between the semiconductor layer and the electrode there is only the injection layer and no further Layer.
  • the electrode is a conductive layer, for example, a degenerate system such as metal, metal alloy, ITO or the like.
  • the dopant is an electrical dopant which alters the free carrier density and the location of the Fermi level. Preferably, it does not chemically react with the matrix of the semiconductor layer.
  • the injection layer consists of an n-dopant and the additional layer contains (or preferably arises from) a p-dopant
  • the LUMO of the p-dopant is lower (more negative) than the LUMO of the semiconductor layer, preferably more lower than LEV.
  • the injection layer consists of a p-type dopant, and the additional layer contains (or preferably arises from) an n-dopant
  • the HOMO of the n-dopant be greater (more positive) than the HOMO of the semiconductor layer, preferably more than leV larger.
  • the energy difference between HO-MO n-dotand and LUMO_p-dotand is greater than the gap of the semiconductor layer, preferably greater than 2 eV.
  • Doping materials may be, for example, the following compounds: p-dopants in DE 103 57 044 (corresponding to US 2005/121667), US 2008/265216, EP 2 180 029 A1; n-dopants in DE 103 47 856 (corresponding to WO 05/036667), DE 10 2004 010 954 (corresponding to WO 05/086251) or precursor compound as for example in DE 103 07 125 (corresponding to US 2005/040390) or DE10338406 ( according to US 2005/061232).
  • the respective subject matter of the aforementioned documents is incorporated by reference.
  • the LUMO of a p-dopant is at most 0.5 eV larger (at most 0.5 eV smaller) than the HOMO (LUMO) of a p Type (n-type) matrix.
  • the HOMO of an n-dopant is at most 0.5 eV less than the LUMO of an n-type matrix.
  • the quantities HOMO and LUMO are considered as equal in magnitude to the ionization potential or electron affinity, but the electron affinity has the opposite sign.
  • Additional materials may be electron-rich tolans, which react with p-dopants in a [2 + 2] cyclo addition followed by retro-electrocyclization (for example, to tetracyano- butadienes).
  • the tolans used may be unsubstituted or substituted, wherein Arl and Ar2 may be different triarylamines.
  • the corresponding tolans are also low in volatility and processable under vacuum, i. the materials should have a vacuum evaporation temperature which is at least 85 ° C, preferably> 100 ° C.
  • adjunct materials contain a carbocycle, more preferably that the at least one carbocycle is part of a conjugated system; thus, it is ensured that the product of the reaction is not a strong dopant (product is weaker than starting dopant material of the injection layer).
  • the number of molecules (N) in a volume (V) can be determined by the known density (p) and the molecular mass (m w ) (where N A represents the Avogadro constant).
  • N i £ j ij
  • IL is the index for the injection layer
  • AL is the index for the additional layer
  • the lower limit is about 0.5:
  • the interface between the two materials must be large, which can be achieved only by very thin layer thicknesses. It is preferred that the nominal layer thickness of the injection layer is at most 5 nm, more preferably at most 1.5 nm.
  • the layer thickness is a nominal layer thickness. This is calculated from the mass deposited on a known area size. For this the density of the material is used. For example, by VTE production is the layer thickness that is displayed on the layer thickness monitor. If the layer thickness is measured directly, eg with a profilometer, it may happen that the layer thickness is difficult to measure. If the layers are very rough, use an average if necessary.
  • a profilometer e.g. a profilometer
  • Example 1 - Transistor without Injection Layer A transistor was fabricated as follows: a substrate having an ITO gate electrode was coated with a 800 nm thick PMMA layer. The PMMA layer was produced by spin coating from a THF solution. Other common gate electrodes and gate insulators could also be used here. On the PMMA layer, a 50 nm thick Pentacene semiconductor layer was produced. The Au electrodes were produced on the semiconductor layer, so that the channel had a width of 100 ⁇ m and a length of 1 cm.
  • a transistor was made according to Example 1 using a 0.5 nm thick injection layer of dicyano-2,3,5,6,7,8-hexaloro-loro-1,4-naphthoquinone diimines on the semiconductor layer and under the electrodes.
  • an increased reverse current of 2.2E-10 and an increased on / off ratio at 60V of 6.63E4 were measured.
  • the calculated mobility was 0.07 cm 2 / Vs.
  • Very similar results were obtained with an injection layer of 2,2 '- (perfluoronaphthalene-2,6-diylidene) dimalononitrile.
  • Example 3 Transistor with injection layer and additional layer
  • a transistor was prepared according to Example 2, wherein a 0.5 nm thick additional layer of tetrakis (l, 3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido [l, 2-a] pyrimidiato) ditungsten on the semiconductor layer and was used on the electrodes.
  • a reduced reverse current of 1E-10 and an increased on / off ratio at 60V of 1.3E5 were measured.
  • the calculated mobility was 0.06 cm 2 / Vs.
  • Example 3 was repeated with a 1 nm thick injection layer.
  • a reverse current of 2.5E-10 and an on / off ratio at 60V of 7.2E4 were measured.
  • the calculated mobility was 0.07 cm 2 / Vs.
  • Example 4 was repeated with a 1 nm thick additional layer.
  • a lower reverse current of 5.6E-11 and an on / off ratio of 60V of 2.3E5 were measured.
  • the calculated mobility was 0.05 cm 2 / Vs.
  • Example 4 was repeated with a 1 nm thick injection layer of bis (2,2 ': 6', 2 "- terpyridine) ruthenium and a 1 nm thick additional layer of F4TCNQ an on / off ratio at 60V of 3E5 was measured and the calculated mobility was 0.05 cm 2 / Vs.
  • Example 4 was repeated with a 1 nm thick additional layer of 4,4 '- (ethyl-l, 2-diyl) bis (N, N-diphenylanilines).
  • a lower reverse current of 3E-11 was measured and an on / off ratio of 3E5 at 60V.

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Schichtanordnung mit einer Elektrode (20a, 20b) aus einem Elektrodenmaterial, einer organischen Halbleiterschicht (22) auss organischem Material, einer Injektionsschicht (21), welche zwischen der Elektrode und der organischen Halbleiterschicht angeordnet ist und aus einem molekularen Dotierungsmaterial besteht, das ein elektrischer Dotand für das organische Material der organischen Halbleiterschicht ist, und einer Zusatzschicht (25), welche auf der der Elektrode zugewandten Seite der Injektionsschicht an der Injektionsschicht angeordnet ist und aus einem Zusatzmaterial besteht, welches bei Kontakt mit dem molekularen Dotierungsmaterial dessen Dotierungsaffinität bezüglich des organischen Materials der organischen Halbleiterschicht verändert, wobei in der Injektionsschicht ein Schichtbereich mit einer ersten Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials und ein weiterer Schichtbereich mit einer zweiten, im Vergleich zur ersten Dotierungsaffinität kleineren Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials gebildet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes sowie die Verwendung eines Halbleiterelementes.

Description

Halbleiterbauelement
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement. Hintergrund der Erfindung
In Verbindung mit Halbleiterbauelementen ist es bekannt, in einer Schichtanordnung des Bauelementes zwischen einer Elektrode und einer gegenüberliegend gebildeten organischen Halbleiterschicht aus organischem Material eine so genannte Injektionsschicht anzuordnen. Beispielsweise beschreibt das Dokument EP 1 806 795 AI ein organisches Bauelement mit einer solchen Injektionsschicht, insbesondere für ein lichtemittierendes organisches Bauelement. Es wurde gefunden, dass mittels der Injektionsschicht, die aus molekularen Dotierungsmaterialien besteht, beim Betrieb des Bauelementes eine verbesserte Injektion von Ladungsträgern in die zur Injektionsschicht benachbarte organische Halbleiterschicht erreicht ist.
Bei der Herstellung derartiger Schichtanordnungen für Halbleiterbauelemente kommt es aus prozesstechnischen Gründen vor, dass die Injektionsschicht über einen größeren Flächenbereich gebildet wird, als dies für die Optimierung der Ladungsträgerinjektion notwendig ist. Der Einfluss der Injektionsschicht ist dann unter Umständen in bestimmten Bereichen, die jedoch mit der Schicht bedeckt sind, gar nicht gewünscht. Beispielhaft zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines organischen Feldeffekttransistors, bei dem die Elektroden Drain und Source 1 , 2 auf einer Strukturierte Injektionsschicht aus einem molekularen Dotierungsmaterial gebildet sind. Die Injektionsschicht 3 ist ihrerseits auf einem Stapel mit einer Kanal- Schicht 4 und einer Isolatorschicht 5 angeordnet, wobei Letztere an die weitere Elektrode Gate 6 koppelt. Die Strukturierung der Injektionsschicht 3 ist unter Umständen sehr aufwendig. Die die Ladungsträgerinjektion optimierende Wirkung der Injektionsschicht 3 ist in Bereichen unterhalb der Elektroden Source and Drain 1, 2 gewünscht. In einem Zwischenbereich 7 hingegen, wo die Injektionsschicht 3 im Fall einer nicht strukturierten Ausführung ebenfalls ausge- bildet sein würde, ist die Wirkung auf die Kanalschicht 4 nicht gewünscht. Deswegen wird die Injektionsschicht 3 meistens nur strukturiert hergestellt. Es besteht deshalb Bedarf an Technologien die Nutzung von Injektionsschichten in Halbleiterbauelementen zu verbessern.
Aus dem Dokument DE 10 2008 036 062 AI ist ein organischer Feldeffekt-Transistor be- kannt. In einer Ausgestaltung verfügt der Feldeffekt-Transistor über eine Schichtanordnung mit einer aktiven Schicht, auf der eine Teilschicht aus einem Matrixmaterial angeordnet ist, sodass die aktive Schicht bereichsweise von der Teilschicht bedeckt ist. Die Teilschicht selbst ist dann von einer Ladungsträger-Injektionsschicht überdeckt, die außerhalb des Bereiches der Teilschicht in direktem Kontakt mit der aktiven Schicht ist. Auf die Ladungsträger- Injektionsschicht sind Elektroden des Transistors aufgebracht.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zum Herstellen zu schaffen, bei denen die Einsatzmöglichkeiten für Injektionsschichten und deren anwendungsspezifische Ausbildung optimiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Halbleiterbauelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst. Weiterhin ist die Verwendung des Halbleiterbauelementes nach dem unabhängigen Anspruch 12 vorgesehen. Weiterhin ist ein Inverter gemäß Anspruch 13 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen. Mit der Erfindung ist die Möglichkeit geschaffen, in der vorgesehenen Injektionsschicht aus molekularem Dotierungsmaterial eine Art Strukturierung auszubilden, so dass Bereiche mit einer ersten Dotierungsaffinität und Bereiche mit einer zweiten Dotierungsaffinität hergestellt sind, wobei die zweite Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials der Zusatzschicht bezüglich des organischen Materials der hierzu benachbarten organischen Halbleiter- schicht geringer als die erste Dotierungsaffinität ist. Bei dem molekularen Dotierungsmaterial kann es sich um ein organisches oder anorganisches Dotierungsmaterial handeln. Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine laterale Leitfähigkeit, die durch die Injektionsschicht bereitgestellt ist, gemindert wird, weil eine Grenzflächendotierung gemindert wird. Somit wird auch ein Übersprechen (Crosstalking) vermieden. Beim bekannten Bauelement in Fig. 1 würde die Injektionsschicht im mittleren Bereich chemisch deaktiviert, und damit würde die lokale Leitfähigkeit unterbunden.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden mit undotierten Halbleiterschichten erreicht. Die vorgeschlagene Technologie ist insbesondere effizient einsetzbar in sehr kompakten Geometrien, wo der Lateralabstand zwischen Elektroden kleiner als 50 μιη, bevorzugt kleiner als 10
Die Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bildet ein Maß dafür, in welchem Umfang das in dem jeweiligen Bereich der Injektionsschicht befindliche molekulare Dotierungsmaterial tatsächlich eine elektrische Dotierung (oder Injektionsverbesserung) des organischen Materials in hierzu benachbarten Bereichen der organischen Halbleiterschicht bewirkt. Die Dotierungsaffinität ist proportional zur räumlichen Dichte freier Dotanden in dem Material. Die elektrische Dotierung beruht auf einem teilweisen Ladungsübertrag zwischen Dotierungsmaterial und organischem Material der organischen Halbleiterschicht, wobei Letzteres hierbei das sogenannte Matrixmaterial bildet.
Die Injektionsschicht dient allgemein der Verbesserung der Injektion von Ladungsträgern in dem Bauteil. Der Grenzfläche zwischen Injektionsschicht und darunter liegender organischer Halbleiterschicht ist vorzugsweise durchgehend gebildet, insbesondere nicht unterbrochen von der Zusatzschicht, die ihrerseits oberhalb der Injektionsschicht angeordnet ist, also auf der Seite der Injektionsschicht, die von der organischen Halbleiterschicht angewandt und der Elektrode oder den Elektroden zugewandt ist. Insoweit ist die Zusatzschicht dann frei von direktem Kontakt mit der organischen Halbleiterschicht. Das Material wirkt indirekt (hemmend) auf den elektrischen Dotierungseffekt des Materials der Injektionsschicht in die organische Halbleiterschicht hinein.
Die vorgeschlagen Technologie verbessert das Bauteil dahingehend, dass der Dotierungseffekt nicht unbeabsichtigt aufgrund einer ungewünschten Dotierung oder einer ungewünschter Diffusion stattfindet. In den Schichtbereichen der Injektionsschicht mit der ersten Dotierungsaffinität kann das molekulare Dotierungsmaterial der Injektionsschicht seine elektrische Injektionsverbesserung zwischen Elektrode und benachbarten organischen Halbleiterschicht ohne Beeinflussung durch eine Wirkung des Zusatzmaterials aus der Zusatzschicht entfalten. Demgegenüber hemmt das Zusatzmaterial aus der Zusatzschicht in den weiteren Schichtbereichen, die benachbart zu den Grenzflächenbereichen zwischen der Zusatzschicht und der Injektionsschicht gebildet sind, die Wirkung des molekularen Dotierungsmaterials aus der Injektionsschicht für eine ungewünschte elektrische Dotierung des benachbarten organischen Materials in der organischen Halbleiterschicht. Dieses kann bis zur vollständigen Hemmung (Neutralisierung) einer elektrischen Dotierungswirkung zumindest in Teilen dieser weiteren Schichtbereiche führen.
Es ist auf diese Weise ermöglicht, in der Injektionsschicht Schichtbereiche mit unterschiedlicher Dotierungswirkung für das Material der benachbarten organischen Halbleiterschicht aus- zubilden. Im Fall des organischen Feldeffekttransistors bedeutet dies beispielsweise, dass in einem Bereich der Injektionsschicht zwischen benachbarten Elektroden des Transistors ein elektrischer Dotierungseffekt des Materials der Injektionsschicht für die benachbarte Kanalschicht gemindert oder ganz neutralisiert werden kann. Ein Maß für die ungewünschte elektrische Dotierungswirkung des molekularen Dotierungsmaterials aus der Injektionsschicht in den Bereichen mit der kleineren Dotierungsaffinität bezüglich des Materials der benachbarten organischen Halbleiterschicht ist beispielsweise der Umfang, in welchem Moleküle des molekularen Dotierungsmaterials in die benachbarte organische Halbleiterschicht hinein eindringt so dass dort lokal eine elektrische Dotierung der Moleküle des organischen Materials der organischen Halbleiterschicht stattfinden kann. Diese Durchmischungsaffinität wird mit Hilfe des Materials der Zusatzschicht gehemmt oder ganz unterbunden. Experimentell können Materialkombinationen und Schichtdickenvariationen ohne Weiteres bestimmt werden, um die Beeinflussung der Dotierungsaffinität zu bestimmen. Hierzu bedarf es lediglich des schichtweisen Auftrags entsprechender Schichten aus den zu untersuchenden Materialien, um dann den Stromfluss bei angelegter Spannung für verschiedene Schichtaufbauten zu vergleichen. Molekulare Dotierungsmaterialien für die Injektionsschicht sind molekulare Substanzen, die zum Bilden von Schichten mittels Vakuumverdampfung ohne Zersetzung als Schicht (Festkörper) abscheidbar sind. Es handelt sich um organische oder anorganische Substanzen, deren Moleküle mindestens sechs Atome umfassen, vorzugsweise mehr als 20 Atome. Bevorzugt sind kovalente Verbindungen.
Eine Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass
- die Injektionsschicht in Kontakt mit der Elektrode und der organischen Halbleiterschicht gebildet ist, so dass zwischen der Elektrode und der Injektionsschicht ein erster Grenzflä- chenbereich gebildet ist,
- die Zusatzschicht auf der der Elektrode zugewandten Seite der Injektionsschicht an der Injektionsschicht angeordnet ist, so dass zwischen der Zusatzschicht und der Injektionsschicht ein zweiter Grenzflächenbereich gebildet ist, und
- in der Injektionsschicht der Schichtbereich gegenüber dem ersten Grenzflächenbereich und der weitere Schichtbereich gegenüber dem zweiten Grenzflächenbereich gebildet sind.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das molekulare Dotierungsmaterial ein Molekulargewicht von wenigstens 300g/mol aufweist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Grenzflächenbereich und der zweite Grenzfiächenbereich benachbart zueinander gebildet sind. In einer Ausführungsform kann hierbei ein im Wesentlichen stetiger Übergang zwischen den Grenzflächenbereichen gebildet sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass für das organische Material der organischen Halbleiterschicht das molekulare Dotierungsmaterial der Injektionsschicht ein elektrischer p-Dotand und das Zusatzmaterial der Zusatzschicht ein elektrischer n-Dotand sind, oder umgekehrt. Da p-Dotanden starke Akzeptoren und n-Dotanden starke Donatoren sind, reagieren beide miteinander, so dass eine Art Salz erzeugt wird, welches nicht mehr die zuvor bestehende Dotierungsaffinität aufweist und im Übrigen elektrisch nicht leitet. Elekt- risch nicht leitend bedeutet im hier verwendeten Sinne, dass das Salz unter üblichen Betriebsbedingungen die Funktion der organischen Bauelementen nicht beeinträchtigt, insbesondere gibt es kein Übersprechen zwischen benachbarten Leitungen, die einen organischen Bereich angrenzen („Crosstalking"), und / oder der Sperrstrom eines Transistors ist sehr gering.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das Zusatzmaterial ein die Dotie- rungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials mittels einer chemischen Reaktion zwischen dem Zusatzmaterial und dem molekularen Dotierungsmaterial minderndes Material enthält. Das molekulare Dotierungsmaterial und das Zusatzmaterial aus der Zusatzschicht reagieren hierbei chemisch miteinander, so dass ein oder mehrere neue chemische Verbindungen entstehen, welche nicht mehr die Dotierstärke und / oder die elektrische Leitfähigkeit des ursprünglichen molekularen Dotierungsmaterials aus der Injektionsschicht aufweisen. Bei dieser und anderen Ausführungsformen wirkt das Zusatzmaterial als eine Art Neutralisierungs- oder Kompensierungsmaterial bezüglich der Dotierstärke des molekularen Dotierungsmaterials in der Injektionsschicht. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zusatzmaterial ein die Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials mittels einer Salzbildung zwischen dem Zusatzmaterial und dem molekularen Dotierungsmaterial minderndes Material enthält. Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Zusatzschicht die Elektrode auf einer von der Injektionsschicht abgewandten Seite der Elektrode wenigstens teilweise bedeckt. Die die Elektrode bedeckende Zusatzschicht kann durchgehend gebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Elektrode durch die Zusatzschicht vollständig bedeckt ist. Bei der Herstellung der Schichtanordnung unter Verwendung der Schattenmaskentechnologie haben diese Ausführungsformen den Vorteil, dass eine exakte Positionierung der jeweiligen Schattenmaske hinsichtlich der Elektrode und / oder anderer Schichtbereiche nicht notwendig ist. Der Herstellungsprozess wird vereinfacht. Auch roll-to-roll (R2R) Verfahren werden somit vereinfacht. Im Stand der Technik werden Metall und organische Schichten in sehr definierten Stellen hergestellt, zum Beispiel mit verschiedenen Masken. Bei dem hier vorgeschlage- nen Verfahren kann eine Maske eingespart werden. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zusatzschicht zwischen der Elektrode und zumindest einer weiteren Elektrode gebildet ist. Eine derartige Elektrodenanordnung kann beispielsweise bei einem organischen Feldeffekttransistor vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die laterale Dimension (parallel zur Kanalbreite) der Zusatzschicht größer als die Kanal-Breite in dem Bauteil, also der Abmessung zwischen den beiden Elektroden, so dass die Zusatzschicht über die Elektroden übersteht.
Vorzugsweise ist die Halbleiterschicht undotiert (elektrisch nicht dotiert) gebildet. Hinsicht- lieh des Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes wird bevorzugt, dass die Halbleiterschicht aus einem undotierten Halbleitermaterial gebildet wird.
Es wird auch bevorzugt, dass das Dotierungsmaterial und das Material der Zusatzschicht nicht metallisch (außer Metallverbindungen, die keine Metalle freisetzen) sind bzw. keine freie Me- tallatome oder Metallcluster enthalten, wodurch insbesondere eine ungewünschte elektrische Leitfähigkeit vermieden ist. Weiter bevorzug wird dass das Dotierungsmaterial und das Material der Zusatzschicht metallfrei sind.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes bestehen die in Verbindung mit dem Halbleiterbauelement beschriebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten und die hiermit verbundenen Vorteile entsprechend.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors, bei dem in einem Bereich zwischen Source- und Drainelektrode eine Zusatzschicht auf einer Injektionsschicht aufgebracht ist, Fig. 3 eine schematische Teildarstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Injektionsund einer Zusatzschicht,
Fig. 4a eine schematische Darstellung einer Transistoranordnung,
Fig. 4b eine schematische Schnittdarstellung der Transistoranordnung in Fig. 4a entlang einer Linie AA" ,
Fig. 5a eine schematische Darstellung einer weiteren Transistoranordnung,
Fig. 5b eine schematische Schnittdarstellung der weiteren Transistoranordnung in Fig. 5a entlang einer Linie AA" ,
Fig. 6a eine schematische Darstellung einer anderen Transistoranordnung, und
Fig. 6b eine schematische Schnittdarstellung der anderen Transistoranordnung aus Fig. 6a.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines organischen Feldeffekttransistors mit einer Source- und einer Drain-Elektrode 20a, 20b, die beide auf einer Injektionsschicht 21 hergestellt sind. Die Injektionsschicht 21 besteht aus einem molekularen Dotierungsmaterial, welches einen elektrischen Dotanden für das organische Material einer benachbarten Kanalschicht 22 bildet. Die organische Kanalschicht 22 ist ihrerseits auf einer Isolierschicht 23 (eine dielektrische Schicht, auch Gate-Isolatorschicht genannt) gebildet, an welcher auf der Unterseite eine Gate-Elektrode 20c angeschlossen ist.
In alle Figuren ist die Gate-Elektrode kleiner als die Kanalbreite gezeigt, um die Darstellung zu vereinfachen. In der Realität ist die Gate-Elektrode bevorzugt größer als die Kanalbreite.
In einem Bereich 24 zwischen der Source- und der Drain-Elektrode 20a, 20b ist eine Zusatzschicht 25 aus einem Zusatzmaterial (Kompensationsmaterial) aufgebracht, bei dem es sich um ein komplementäres Material zum molekularen Dotierungsmaterial der Injektionsschicht 21 handelt.
Zwischen der Source- und der Drain-Elektrode 20a, 20b einerseits und der Injektionsschicht 21 andererseits sind erste Grenzflächenbereiche 26 gebildet. Zwischen der Zusatzschicht 25 und der Injektionsschicht 21 ist ein zweiter Grenzfiächenbereich 27 gebildet. Aufgrund der neutralisierenden oder kompensierenden Wirkung des Zusatzmaterials der Zusatzschicht 25 bezüglich der Dotierstärke des molekularen Dotierungsmaterials in der Injektionsschicht 21 entstehen Schichtbereiche 28 sowie ein weiterer Schichtbereich 29, die sich hinsichtlich ihrer elektrischen Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials der Kanalschicht 22 unterscheiden. Während in den Schichtbereichen 28 das molekulare Dotierungsmaterial seine elektrische Wirkung als Injektionsschicht ohne Hem- mung durch das Zusatzmaterial in der Zusatzschicht 25 entfalten kann, ist diese elektrische Dotierungswirkung in dem weiteren Schichtbereich 29 gehemmt oder sogar vollständig neutralisiert. Im weiteren Schichtbereich 29 ist die Inj ektions Schicht 21 im Wesentlichen auch nicht elektrisch leitend. In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- Herstellen der Injektionsschicht 21 ,
- Herstellen der Elektrode in Kontakt zu der Injektionsschicht 21, wobei die Elektrode die Injektionsschicht 21 teilweise deckt und
- Herstellen der Zusatzschicht 25, die mindestens auf die von der Elektrode nicht gedeckten Bereiche der Injektionsschicht 21 in Berührungskontakt aufgebracht wird
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterbauelementes, bei dem auf einer organischen Halbleiterschicht 30 aus organischem Material eine Injektionsschicht 31 aus einem molekularen Dotierungsmaterial angeordnet ist. Auf der Injektionsschicht 31 sind eine Elektrode 32 sowie eine Zusatzschicht 33 abgeschieden. Es entstehen so ein erster Grenzflächenbereich 34, welcher den ersten Grenzflächenbereichen 26 in Fig. 2 vergleichbar ist, sowie zweite Grenzflächenbereiche 35, die dem zweiten Grenzflächenbereich 27 in Fig. 2 vergleichbar sind. Das Zusammenwirken von Zusatzschicht 33 und Injektionsschicht 31 entspricht den oben in Fig. 2 gemachten Ausführungen.
Die Verwendung der Inverter, die in den Fig. 4 bis 6 beschrieben werden, und andere Gatter, die mit der Erfindung hergestellt werden können, ermöglicht die Herstellung von stromeffizienten organischen Schaltkreise. Fig. 4a zeigt eine schematische Darstellung einer Transistoranordnung mit zwei organischen Dünnschichttransistor (TFT - thin-ßlm transistor), die zusammen einen Inverter (NichtGatter) bilden. Ein Eingang 40 ist mit Gate-Elektroden 41, 42 der beiden Transistoren ver- bunden, die als p-Kanal Transistor (oberer Transistor in Fig. 4a) und n-Kanal Transistor (unterer Transistor in Fig. 4a) gebildet sind. Unterhalb der Gate-Elektroden 41, 42 und über der Elektroden 45, 46, 47, 48 ist eine jeweilige Zusatzschicht 43, 44 gebildet, die mit Drain- Elektroden 45, 46 sowie Source-Elektroden 47, 48 der beiden Transistoren überlappt. Die Source-Elektrode 47 des einen Transistors sowie die Drain-Elektrode 46 des anderen Transistors sind mit einem Ausgang 49 verbunden. Weiterhin ist eine Gate-Isolatorschicht 50 vorgesehen. Die Transistoranordnung ist auf einem Halbleiter 51 gebildet. Bevorzugt wird ein am- bipolares Halbleitermaterial verwendet, wobei die Ladungsträgerbeweglichkeiten μ_1ι und μ_ε um weniger als zwei Größenordnungen abweichen. Alternativ zu der Fig. 4a können die Gate-Elektrode 41 und die Gate-Isolatorschicht 50 unterhalb der Halbleiterschicht 50 gebildet sein. Das Substrat ist in den Figuren nicht gezeigt, es kann z.B. Glass oder Plastik sein. Die Gate-Isolatorschicht 50 kann auch als Substrat dienen.
Fig. 4b zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Transistoranordnung auf Fig. 4a ent- lang einer Linie AA\ Aus Fig. 4b ergibt sich insbesondere, dass unterhalb der Gate-Isolatorschicht 50 eine Injektionsschicht 52 gebildet ist, die randseitig mit der Source-Elektrode 48 sowie der Drain-Elektrode 46 überlappt.
Fig. 5a zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Transistoranordnung mit zwei or- ganischen Dünnschichttransistoren, die als n- und p-Kanaltransistor ausgeführt sind. Ein Eingang 60 ist mit der jeweiligen Gate-Elektrode 61, 62 der beiden Transistoren verbunden. Eine Gate-Isolatorschicht 63 überlappt mit den beiden Gate-Elektroden 61, 62. Die beiden Transistoren, von denen der Transistor auf der linken Seite in Fig. 5a als p-Kanaltransistor und der Transistor auf der rechten Seite in Fig. 5a als n-Kanaltransistor ausgeführt ist, verfügen wei- terhin jeweils über eine Drain-Elektrode 64, 65 sowie eine Source-Elektrode 66, 67. Bevorzugt wird ein ambipolares Halbleitermaterial verwendet, wobei μ_1ι und μ_ε um weniger als zwei Größenordnungen abweichen. Alternativ zu der Fig. 5a können die Gate-Elektroden 61, 62 und die Gate-Isolatorschicht 63 unterhalb der Halbleiterschicht 70 gebildet sein. Gemäß Fig. 5a sind weiterhin zwei Injektionsschichten 68, 69 gebildet. Die Transistoranordnung ist auf einem Halbleiter 70 angeordnet, auf dem ein Ausgang 71 gebildet ist, welcher mit der Source-Elektrode 66 sowie der Drain-Elektrode 65 verbunden ist. Fig. 5b zeigt eine schematische Schnittdarstellung der weiteren Transistoranordnung aus Fig. 5a entlang einer Linie AA\ Aus Fig. 5b ergeben sich ergänzend zwei Zusatzschichten 72, 73. Fig. 6a zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Transistoranordnung mit zwei Transistoren, die als organische Dünnschichttransistoren in n- und p-Kanal- Ausführung gebildet sind. Die andere Transistoranordnung ist auf einem Halbleitersubstrat 80 angeordnet. Es sind ein Eingang 81 sowie ein Ausgang 82 vorgesehen. Der Eingang 81 ist mit Gate- Elektroden 83, 84 der beiden Transistoren verbunden. Vergleichbar den oben beschriebenen Transistoranordnungen sind Injektionsschichten 85, 86 sowie Zusatzschichten 87, 88 vorgesehen. Gebildet sind weiterhin eine Drain-Elektrode 89 des oberen Transistors in Fig. 6a sowie eine Source-Elektrode 90 des unteren Transistors in Fig. 6a. Bevorzugt wird ein ambipo- lares Halbleitermaterial verwendet, wobei μ_1ι und μ_ε um weniger als zwei Größenordnungen voneinander abweichen. Alternativ zu der Fig. 6a können die Gate-Elektroden 83, 84 und die Gate-Isolatorschicht 91 unterhalb der Halbleiterschicht 80 gebildet sein.
Fig. 6b zeigt eine schematische Schnittdarstellung der anderen Transistoranordnung aus Fig. 6a. Aus Fig. 6b ergeben sich dann noch eine Gate-Isolatorschicht 91 sowie eine Gate- Elektrode 92, die mit dem Eingang 81 verbunden ist.
Unabhängig von den beschriebenen Ausführungsformen für Transistoranordnungen können in den einzelnen Ausgestaltungen eines oder mehrere der folgenden Merkmale implementiert sein. Die Gate-Elektroden können oben oder unten an der Anordnung hergestellt sein. Die Gate-Elektrode kann mit dem Kanal des jeweiligen Transistors und den Drain- / Source- Elektroden überlappen. Der Abstand zwischen den Drain- / Source-Elektroden beträgt vorzugsweise weniger als 10 μιη, weiter bevorzugt weniger als 5 μιη. Typischerweise ist der E- lektrodenabstand kleiner als der Abstand zwischen benachbarten Bauelementen in der Anordnung. Die Injektionsschicht 21 sollte aus ein Dotierungsmaterial sein, welches ein Dotand für die Halbleiterschicht ist. Ansonsten ist die Injektion nicht vollständig wirkungsvoll. Zwischen der Halbleiterschicht und der Elektrode gib es nur die Injektionsschicht und keine weitere Schicht. Hierbei ist die Elektrode eine leitfähige Schicht, zum Beispiel ein entartetes System wie Metall, Metalllegierung, ITO oder dergleichen. Der Dotand ist ein elektrischer Dotand, welcher die freie Ladungsträgerdichte und die Lage des Fermi-Niveau verändert. Vorzugsweise reagiert er nicht chemisch mit der Matrix der Halbleiterschicht.
Im Fall, dass die Injektionsschicht aus ein n-Dotand besteht und die Zusatzschicht ein p- Dotand enthält (oder bevorzugt daraus entsteht), wird bevorzugt dass das LUMO des p- Dotanden niedriger (mehr negativ) als das LUMO der Halbleiterschicht ist, bevorzugt mehr als leV niedriger. Im Fall das die Injektionsschicht aus ein p-Dotand besteht, und die Zusatz- schicht ein n-Dotand enthält (oder bevorzugt daraus entsteht), wird bevorzugt dass das HOMO des n-Dotanden größer (mehr positiv) als das HOMO der Halbleiterschicht ist, bevorzugt mehr als leV größer. In beide Fälle wird bevorzugt dass die Energiedifferenz zwischen HO- MO n-dotand und LUMO_p-dotand großer als das Gap von der Halbleiterschicht ist, bevorzugt größer als 2 eV.
Dotierungsmaterialien können zum Beispiel die folgenden Verbindungen sein: p-Dotanden in DE 103 57 044 (entsprechend US 2005/121667), US 2008/265216, EP 2 180 029 AI ; n- Dotanden in DE 103 47 856 (entsprechend WO 05/036667), DE 10 2004 010 954 (entsprechend WO 05/086251) oder Vorläuferverbindung wie zum Beispiel in DE 103 07 125 (ent- sprechend US 2005/040390) oder DE10338406 (entsprechend US 2005/061232) beschrieben. Der jeweilige Gegenstand aus den vorgenannten Dokumenten wird mittels Bezugnahme aufgenommen.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn für eine p-Dotierung (n-Dotierung) das LUMO eines p-Dotanden (HOMO des n-Dotanden) maximal 0.5 eV größer (maximal 0.5 eV kleiner) ist als das HOMO (LUMO) einer p-Typ- (n-Typ-) Matrix. Gleichfalls ist es vorteilhaft, wenn für eine n-Dotierung das HOMO eines n-Dotanden maximal 0.5 eV kleiner ist als das LUMO einer n-Typ- Matrix. Hierbei werden der Konvention entsprechend die Größen HOMO bzw. LUMO als betragsmäßig gleich den Ionisationspotentials bzw. Elektronenaffinität angesehen, jedoch die Elektronenaffinität mit entgegen gesetztem Vorzeichen. Zusatzmaterialien können elektronenreiche Tolane sein, welche in einer [2+2] Cyclo addition und anschließender Retro-Elektrocyclisierung mit p-Dotanden reagieren (zum Beispiel zu Te- tracyanobutadienen). Die verwendeten Tolane können unsubstituiert oder substituiert sein, wobei Arl bzw. Ar2 verschiedene Triarylamine sein können.
Beispiel - Reaktionsmechanismus
Figure imgf000015_0001
Beispiele der Zusatzmaterialien sind die folgenden Verbindungen:
Figure imgf000015_0002
Es wurde festgestellt, dass Zusatzmaterialien mit einer Alkin-Einheit oder mehr (C=C) mit p- Dotierungsmaterialien im Festkörperzustand miteinander chemisch reagieren und dass das Produkt der Reaktion kein starker Dotand ist. Für die Verwendung solcher Materialien wird es bevorzugt, dass die entsprechenden Tolane auch gering volatil sind und im Vakuum pro- zessierbar, d.h. die Materialien sollten eine Verdampfungstemperatur im Vakuum aufweisen, die mindesten 85 °C, bevorzugt > 100 °C ist.
Es wird bevorzugt, dass Zusatzmaterialien ein Carbocyclus enthält, weiter bevorzugt, dass das mindestens ein Carbozyklus Teils eines konjugiertes System ist; somit wird sichergestellt dass das Produkt der Reaktion keinen starken Dotanden darstellt (Produkt ist schwächer als Ausgangsdotierungsmaterial der Injektionsschicht).
Bevorzugt ist, wenn das Material der Injektionsschicht vollständig neutralisiert wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass mehr Molekülen pro Fläche in der Zusatzschicht vorhanden sind. Die Anzahl der Molekülen (N) in einem Volumen (V) kann mit der bekannten Dichte (p) und der molekulare Masse (mw) bestimmt werden (wobei NA die Avogadro-Konstante darstellt).
Weil die Oberfläche in dem Reaktionsbereich dieselbe ist, ist die Gleichung nur von der Schichtdicke abhängig. Somit kann die Anzahl der Moleküle für beide Schichten aus den folgenden Gleichungen berechnet werden:
Ά mWAL NA
Ni = £j ij wobei IL der Index für die Injektionsschicht und AL der Index für die Zusatzschicht ist.
NAL > NIL
Hierbei ist die untere Grenze bei etwa 0.5:
NÄL > 0.5 NIL
Bevorzugt ist ein leichter, aber begrenzter Überschuss von AL:
NÄL < 1.5 NIL
Um die Reaktion zu vervollständigen, muss die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien groß sein, was nur durch sehr dünne Schichtdicken erreicht werden kann. Bevorzugt ist, dass die nominelle Schichtdicke der Injektionsschicht höchstens 5 nm, weiter bevorzugt höchstens 1,5 nm beträgt.
Die Schichtdicke ist eine nominelle Schichtdicke. Diese wird berechnet aus der Masse, die auf eine bekannte Flächengröße abgeschieden wird. Dazu wird die Dichte des Materials benutzt. Zum Beispiel mittels VTE Herstellung ist die Schichtdicke, die die am Schichtdickenmonitor angezeigt wird. Falls die Schichtdicke direkt gemessen wird, z.B. mit einem Profilo- meter, kann es vorkommen, dass die Schichtdicke schwer zu messen ist. Falls die Schichten sehr rau sind, ist ggf. ein Mittelwert zu verwenden. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für Transistoren beschrieben.
Beispiel 1 - Transistor ohne Injektionsschicht (Stand der Technik) Ein Transistor wurde wie folgt hergestellt: ein Substrat mit einer ITO Gate-Elektrode wurde mit einer 800 nm Dicke PMMA Schicht beschichtet. Die PMMA Schicht wurde durch Spin- coating aus einer THF Lösung hergestellt. Hier könnten auch andere gewöhnliche Gate- Elektroden und Gate-Isolators eingesetzt werden. Auf der PMMA Schicht wurde eine 50 nm Dicke Pentacene Halbleiterschicht hergestellt. Auf der Halbleiterschicht wurden die Au Elekt- roden hergestellt, so dass der Kanal eine Breite von 100 μιη und eine Länge von 1 cm hatte.
Bei dem Transistor wurden ein Sperrstrom von 3,8E-1 1 und ein An/ Aus- Verhältnis bei 60V von 1.66E4 gemessen. Die berechnete Beweglichkeit ergibt sich zu 0,003 cm2/Vs. Beispiel 2 - Transistor mit Injektionsschicht
Ein Transistor wurde nach Beispiel 1 hergestellt wobei eine 0,5 nm Dicke Injektionsschicht aus dicyano-2,3,5,6,7,8-hexaluoro-l,4-naphthoquinonediimine auf der Halbleiterschicht und unter den Elektroden verwendet wurde. Bei dem Transistor wurden ein erhöhter Sperrstrom von 2,2E-10 und ein erhöhtes An/ Aus- Verhältnis bei 60V von 6.63E4 gemessen. Die berech- nete Beweglichkeit ergab sich zu 0,07 cm2/Vs. Sehr Ähnliche Ergebnisse wurden mit einer Injektionsschicht aus 2,2'-(perfluoronaphthalene-2,6-diylidene)dimalononitrile erhalten.
Beispiel 3 - Transistor mit Injektionsschicht und Zusatzschicht
Ein Transistor wurde nach Beispiel 2 hergestellt, wobei eine 0,5 nm dicke Zusatzschicht aus Tetrakis(l,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[l,2-a]pyrimidiato)ditungsten auf der Halbleiterschicht und auf den Elektroden verwendet wurde. Bei dem Transistor wurden ein geminderter Sperrstrom von 1E-10 und ein erhöhtes An/ Aus- Verhältnis bei 60V von 1.3E5 gemessen. Die berechnete Beweglichkeit war 0,06 cm2/Vs. Beispiel 4
Beispiel 3 wurde mit einer 1 nm dicke Injektionsschicht wiederholt. Bei dem Transistor wurden ein Sperrstrom von 2.5E-10 und ein An/ Aus Verhältnis bei 60V von 7.2E4 gemessen. Die berechnete Beweglichkeit ergab sich zu 0,07 cm2/Vs.
Beispiel 5
Beispiel 4 wurde mit einer 1 nm dicken Zusatzschicht wiederholt. Bei den Transistor wurden ein geringerer Sperrstrom von 5.6E-11 und ein An/ Aus- Verhältnis bei 60V von 2.3E5 gemessen. Die berechnete Beweglichkeit ergab sich zu 0,05 cm2/Vs.
Beispiel 6
Beispiel 4 wurde mit einer 1 nm dicke Inj ektionsschicht aus bis(2, 2 ' : 6 ' ,2"- terpyridin)ruthenium und einer 1 nm dicken Zusatzschicht aus F4TCNQ wiederholt. Bei dem Transistor wurden ein geringerer Sperrstrom von 4E-1 1 und ein An/ Aus- Verhältnis bei 60V von 3E5 gemessen. Die berechnete Beweglichkeit ergab sich zu 0,05 cm2/Vs.
Beispiel 7
Beispiel 4 wurde mit einer 1 nm dicken Zusatzschicht aus 4,4'-(ethyne-l,2-diyl)bis(N,N- diphenylaniline) wiederholt. Bei dem Transistor wurden ein geringerer Sperrstrom von 3E-11 gemessen und ein An/ Aus- Verhältnis von 3E5 bei 60V.
Die Beispiele wurden auch mit anderen Elektroden wiederholt. Bei AI wurde eine Verbesserung von An/ Aus- Verhältnis von bis zu zwei Größenordnungen gemessen. Bei Transistoren mit einer Kanalbreite von unter 10 μιη wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. Das An/ Aus- Verhältnis hat sich gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Ver- wirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
Halbleiterbauelement, aufweisend eine Schichtanordnung mit:
- einer Elektrode (20a; 20b; 32) aus einem Elektrodenmaterial,
- einer organischen Halbleiterschicht (22; 30) aus organischem Material,
- einer Injektionsschicht (21; 31), welche
- zwischen der Elektrode (20a; 20b; 32) und der organischen Halbleiterschicht (22;
30) angeordnet ist und
- aus einem molekularen Dotierungsmaterial besteht, das ein elektrischer Dotand für das organische Material der organischen Halbleiterschicht (22; 30) ist, und
- einer Zusatzschicht (25; 33), welche
- auf der der Elektrode (20a; 20b; 32) zugewandten Seite der Injektionsschicht (21;
31) an der Injektionsschicht (21; 31) angeordnet ist und
- aus einem Zusatzmaterial besteht, welches bei Kontakt mit dem molekularen Dotierungsmaterial dessen Dotierungsaffinität bezüglich des organischen Materials der organischen Halbleiterschicht (22; 30) verändert,
wobei in der Injektionsschicht (21; 31) ein Schichtbereich (28; 36) mit einer ersten Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials und ein weiterer Schichtbereich (29; 37) mit einer zweiten, im Vergleich zur ersten Dotierungsaffinität kleineren Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials gebildet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Injektionsschicht (21; 31) in Kontakt mit der Elektrode (20a; 20b; 32) und der organischen Halbleiterschicht (22; 30) gebildet ist, so dass zwischen der Elektrode (20a; 20b; 32) und der Injektionsschicht (21; 31) ein erster Grenzfiächenbereich (26; 34) gebildet ist,
- die Zusatzschicht (25; 33) auf der der Elektrode (20a; 20b; 32) zugewandten Seite der Injektionsschicht (21; 31) an der Injektionsschicht (21; 31) angeordnet ist, so dass zwischen der Zusatzschicht (25; 33) und der Injektionsschicht (21; 31) ein zweiter Grenzflächenbereich (27; 35) gebildet ist, und - in der Injektionsschicht (21; 31) der Schichtbereich (28; 36) gegenüber dem ersten Grenzflächenbereich (26; 34) und der weitere Schichtbereich (29; 37) gegenüber dem zweiten Grenzflächenbereich (27; 35) gebildet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das molekulare Dotierungsmaterial ein Molekulargewicht von wenigstens 300g/mol aufweist.
Halbleiterbauelement Dotierungsmaterial nach Anspruch 2 oder nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzflächenbereich (26; 34) und der zweite Grenzflächenbereich benachbart (27; 35) zueinander gebildet sind.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das organische Material der organischen Halbleiterschicht (22; 30) das molekulare Dotierungsmaterial der Injektionsschicht (21; 31) ein elektrischer p-Dotand und das Zusatzmaterial der Zusatzschicht (25; 33) ein elektrischer n-Dotand sind, oder umgekehrt.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial ein die Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials mittels einer chemischen Reaktion zwischen dem Zusatzmaterial und dem molekularen Dotierungsmaterial minderndes Material enthält.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial ein die Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials mittels einer Salzbildung zwischen dem Zusatzmaterial und dem molekularen Dotierungsmaterial minderndes Material enthält.
Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzschicht (33) die Elektrode (32) auf einer von der Injektionsschicht (31) abgewandten Seite der Elektrode (32) wenigstens teilweise bedeckt.
. Halbleiterbauelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zusatzschicht (25) zwischen der Elektrode (20a) und zumindest einer weiteren Elektrode (20b) gebildet ist.
0. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Herstellen einer Elektrode (20a; 20b; 32) aus einem Elektrodenmaterial,
- Herstellen einer organischen Halbleiterschicht (22; 30) aus organischem Material,
- Herstellen einer Injektionsschicht (21; 31), welche
- zwischen der Elektrode (20a; 20b; 32) und der organischen Halbleiterschicht (22;
30) gebildet wird und
- aus einem molekularen Dotierungsmaterial bestehend hergestellt wird, das ein elektrischer Dotand für das organische Material der organischen Halbleiterschicht (22; 30) ist, und
- Herstellen einer Zusatzschicht (25; 33), welche
- auf der der Elektrode (20a; 20b; 32) zugewandten Seite der Injektionsschicht (21; 31) an der Injektionsschicht (21; 31) gebildet wird und
- aus einem Zusatzmaterial bestehend hergestellt wird, welches bei Kontakt und / oder nachfolgende Aktivierung mit dem molekularen Dotierungsmaterial dessen Dotierungsaffinität bezüglich des organischen Materials der organischen Halbleiterschicht (22; 30) verändert,
wobei in der Injektionsschicht (21; 31) ein Schichtbereich (28; 36) mit einer ersten Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials und ein weiterer Schichtbereich (29; 37) mit einer zweiten, im Vergleich zur ersten Dotierungsaffinität kleineren Dotierungsaffinität des molekularen Dotierungsmaterials bezüglich des organischen Materials gebildet werden.
1. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Herstellen der Injektionsschicht (21; 31), derart, dass die Injektionsschicht in Kontakt mit der Elektrode (20a; 20b; 32) und der organischen Halbleiterschicht (232 30) gebildet wird, so dass zwischen der Elektrode (20a; 20b; 32) und der Injektionsschicht (21; 31) ein erster Grenzflächenbereich (26; 34) gebildet wird,
- Herstellen der Zusatzschicht (25; 33), derart, dass zwischen der Zusatzschicht (25; 33) und der Injektionsschicht (21; 31) ein zweiter Grenzflächenbereich (27; 35) gebildet wird, und
- Ausbilden des Schichtbereiches (28; 36) gegenüber dem ersten Grenzflächenbereich (26; 34) und des weiteren Schichtbereiches (29; 37) gegenüber dem zweiten Grenzflächenbereich (27; 35).
12. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 in organischen Transistor oder einem Passivmatrix-Display.
13. Inverter, mit zwei Halbleiterbauelementen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
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