DE10126860C2 - Organischer Feldeffekt-Transistor, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung zum Aufbau integrierter Schaltungen - Google Patents

Organischer Feldeffekt-Transistor, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung zum Aufbau integrierter Schaltungen

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Description

Die Erfindung betrifft einen organischen Feldeffekt-Tran­ sistor (OFET), ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung dieses OFETs zum Aufbau integrierter Schaltungen.
Feldeffekt-Transistoren (OFETs) spielen auf allen Gebieten der Elektronik eine zentrale Rolle. Bei ihrer Herstellung müssen mehrere organischen Schichten übereinander struktu­ riert werden. Das ist mit herkömmlicher Photolithographie, welche eigentlich zur Strukturierung von anorganischen Mate­ rialien dient, nur sehr eingeschränkt möglich. Die bei der Photolithographie üblichen Arbeitsschritte greifen bzw. lösen die organischen Schichten an und machen diese somit unbrauch­ bar. Das geschieht beispielsweise beim Aufschleudern, beim Entwickeln und beim Ablösen eines Photolackes.
Ein wesentlicher Faktor für die Güte eines OFETs und damit einer daraus aufgebauten integrierten Schaltung ist jedoch die Unversehrtheit und Stabilität der einzelnen Funktions­ schichten und für die Leistungsfähigkeit ist insbesondere ei­ ne hohe Auflösung bzw. Feinheit der Source- und Drain-Elek­ troden wesentlich.
Zur Ausbildung feinster strukturierter Funktionsschichten auf einem Substrat wurde bereits eine Prägetechnik vorgeschlagen, bei der in einer Schicht mit einem entsprechend oberflächen­ strukturierten Stempel Vertiefungen eingeprägt und konser­ viert werden. Diese Vertiefungen werden dann mit dem Material der nachfolgenden Funktionsschicht aufgefüllt. Ein solches Verfahren und damit erzeugte OFETs sind in der deutschen Offenlegungs­ schrift DE 100 61 297 A1 beschrieben. Hier werden die Vertiefungen jedoch in einer zusätzlichen Schicht erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen vereinfachten, kompakten Aufbau für ein OFET anzugeben, der dessen Herstellung im Mas­ senherstellungsmaßstab kostengünstig erlaubt. Dabei soll gleichzeitig die Leistungsfähigkeit und Stabilität des OFETs gewährleistet bleiben.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein organischer Feldeffekt-Transistor, welcher
  • - eine Gate-Elektrode
  • - eine Isolatorschicht
  • - eine Halbleiterschicht
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat umfasst, wobei in der Isolatorschicht die Source- und Drain-Elektroden sowie die Gate-Elektrode eingebettet sind.
Vorteil des erfindungsgemäß gestalteten OFETs ist, dass der Transistoraufbau wesentlich vereinfacht, die Qualität des Isolators verbessert und der Halbleiter als oberste Schicht ermöglicht wird. Letzteres ist insbesondere von Vorteil, da die Halbleitermaterialien bzw. -schichten die empfindlichsten Komponenten in einem solchen System sind. Mit anderen Worten, die Halbleiterschicht wird keinen weiteren Prozessschritten mehr ausgesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen OFETs entfällt desweiteren eine ganze Schicht, was letztendlich den OFET im Vergleich zum Stand der Technik dünner macht. Vor allem wird ein Prozessschritt zur Erzeugung der zusätzlichen Schicht eingespart.
Die Isolatorschicht wird vorzugsweise aus einem selbsthärten­ den oder einem UV- oder wärmehärtbaren Polymermaterial gebil­ det und mittels einer Prägetechnik für die Aufnahme der Sour­ ce- und Drain-Elektrode(n) strukturiert. Dazu ist die ge­ wünschte Strukturierung für die Anlage der Source- und Drain- Elektrode(n) als Positiv auf einem Prägestempel ausgebildet und wird damit in die ungehärtete Isolatorschicht übertragen. Die Struktur wird durch Aushärten konserviert. Durch die er­ findungsgemäß angewendete Prägetechnik in Verbindung mit der Aushärtung des Isolatormateriales lassen sich feinste, dis­ krete und permanente Spuren bzw. Vertiefungen für die Leiter­ bahnen bzw. Elektroden erzeugen.
Damit ist erfindungsgemäß auch gewährleistet, dass der Ab­ stand 1 zwischen Source- und Drain-Elektrode kleiner als 20 µm, insbesondere kleiner 10 µm und vorzugsweise zwischen 2 bis 5 µm beträgt, was einer Höchstauflösung und damit höchs­ ter Leistungskapazität eines OFETs entspricht.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines OFETs mit insbesondere Bottom-Gate-Struk­ tur, bei dem man auf einem Substrat eine Gate-Elektrode auf­ bringt, darüber eine Isolatorschicht aus einem härtenden Ma­ terial ausbildet, in der ungehärteten Isolatorschicht mittels eines Prägestempels die Struktur für die Source- und Drain- Elektrode(n) erzeugt und durch Aushärten des Isolatormateria­ les konserviert, die konservierte Struktur mit einem leitfä­ higen Material auffüllt und darüber die Halbleiterschicht ausbildet.
Wie gesagt, bestehen die Vorteile in einem vereinfachten Transistoraufbau. Es wird nur eine einzige Isolatorschicht verwendet, welche gleichzeitig Träger der Source- und Drain- Elektroden und Isolator ist. Demgegenüber sieht der normale Herstellungsprozess für jede der beiden Funktionen eine ge­ sonderte Schicht vor. Die Einsparung einer ganzen Schicht be­ deutet nicht nur Material-, sondern auch Kosteneinsparung.
Die Qualität des Isolators ist verbessert. Ein Grund dafür ist, dass die Isolatoroberfläche durch das Prägeverfahren ge­ glättet wird und zwar dort, wo es für die Transistorfunktion am wichtigsten ist, nämlich an der Grenzfläche von Halbleiter und Isolator.
Auch ist der Isolator optimal für die Aufnahme des Halblei­ ters vorkonditioniert, da er aufgrund der Aushärtung nicht mehr vom Lösungsmittel des Halbleiters während dessen Auftrag angreifbar ist. Das bedeutet auch eine große Freiheit bei der Auswahl des Lösungsmittels, in dem der Halbleiter zum Auftra­ gen und Ausbilden der Schicht gelöst werden kann.
Das (selbst)härtende Material für die Isolationsschicht wird vorzugsweise aus Epoxiden und Acrylaten ausgewählt. Diese Ma­ terialien können so konditioniert werden bzw. sein, dass sie beispielsweise bereits unter der Einwirkung von Luftsauer­ stoff aushärten und/oder durch Einwirkung von UV-Licht und/oder Wärme. Diese Polymere lassen sich entweder aus der Lösung oder in Form flüssiger UV-Lacke auftragen, entweder durch Spin-Coaten oder Drucken, wodurch eine große Homogeni­ tät der Schicht gewährleistet werden kann.
Das leitfähige Material zur Ausbildung der Elektroden kann aus organischen leitfähigen Materialien und partikelgefüllten Polymeren ausgewählt werden. Leitfähige organische Materia­ lien sind beispielsweise dotiertes Polyethylen oder dotiertes Polyanilin. Partikelgefüllte Polymere sind solche, welche leitfähige, meist anorganische Partikel in dichter Packung enthalten. Das Polymer selbst kann dann leitfähig oder nicht- leitfähig sein. Die leitfähigen anorganischen Partikel sind bespielsweise Silber oder andere metallische Teilchen sowie Graphit oder Carbon Black.
Vorzugsweise wird man das leitfähige Material in die vorgege­ bene Strukturierung des Isolators einrakeln. Die Rakelmethode liefert den Vorteil, dass die Auswahl des leitfähigen Materi­ ales nahezu unbegrenzt ist, wobei eine gleichförmige Ausfül­ lung der Strukturierung gewährleistet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgestaltet wer­ den, dass es kontinuierlich geführt wird, was einen höheren Produktionsauswurf gewährleistet.
Da es sich bei den erfindungsgemäß ausgestalteten OFETs um solche hoher Qualität und Leistungsfähigkeit handelt, eignen sie sich insbesondere zum Aufbau integrierter Schaltungen, welche auch all-organisch sein können.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und der Auf­ bau des erfindungsgemäßen OFETs anhand von schematischen Fig. 1 bis 6 näher erläutert.
Zunächst wird gemäß Fig. 1 auf einem Substrat 1, das bei­ spielsweise eine dünne Glasfolie oder eine Polyethylen-, Po­ lyimid- oder Polyterephthalatfolie sein kann, eine Gate- Elektrode 2 strukturiert. Die Gate-Elektrode 2 kann aus me­ tallischem oder nicht-metallischem organischem Material be­ stehen. Unter den metallischen Leitern kann man an Kupfer, Aluminium, Gold oder Indium-Zinn-Oxid denken. Organische lei­ tende Materialien sind dotiertes Polyanilin oder Polyethylen oder partikelgefüllte Polymere. Je nach Auswahl des leitenden Materiales erfolgt die Strukturierung der Gate-Elektrode ent­ weder durch Aufdrucken oder lithographische Strukturierung.
Über der Gate-Elektrode 2 und auf dem Substrat 1 wird nun ge­ mäß Fig. 2 die Isolatorschicht 3 aufgetragen. Dies kann durch Spin-Coaten oder Bedrucken erfolgen. Die Isolatorschicht 3 wird vorzugsweise aus einem UV-härtenden oder wärmehärtenden Material, wie Epoxid oder Acrylat, erzeugt.
Gemäß Fig. 3 wird in der nicht ausgehärteten Isolatorschicht 3 mittels eines Prägestempels 4, der die Struktur der Source- und Drain-Elektrode(n) in Positivform trägt, diese gewünschte Struktur eingeprägt. Die Isolatorschicht 3 wird dann aushär­ ten gelassen oder mittels Einwirkung von UV-Licht oder Wärme ausgehärtet und der Stempel 4 dann entfernt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die für die Source- und Drain-Elektroden vorgesehene Struktur in der Isolatorschicht 3' permanent und konturenscharf konserviert.
In die erzeugten Vertiefungen bzw. Spuren wird gemäß Fig. 5 nun das leitfähige Material 5 eingefüllt. Das geschieht auf­ grund der oben angegebenen Vorteile vorzugsweise mit Hilfe einer Rakel. Dazu geeignete Materialien sind ebenfalls oben erwähnt.
Gemäß Fig. 6 wird nun noch die Halbleiterschicht, welche aus konjugierten Polymeren, wie Polythiophenen, Polythienylenen oder Polyfluorenderivaten aus einer Lösung verarbeitbar sind, aufgetragen. Das Auftragen kann hier durch Spin-Coaten, Ra­ keln oder Bedrucken erfolgen. Für den Aufbau der Halbleiter­ schicht eignen sich auch sogenannte "small molecules" d. h. Oligomere wie Sexithiophen oder Pentacen, die durch eine Va­ kuumtechnik auf das Substrat aufgedampft werden.
Aufgrund der Unempfindlichkeit der ausgehärten Isolator­ schicht können für das Auftragen der Halbleiterschicht die verschiedensten Lösungsmittel und damit die für das gesamte Herstellungsverfahren jeweils geeigneste Auftragstechnik aus­ gewählt werden.
Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren ist für die groß­ technische Anwendung geeignet. Es können gleichzeitig viele verschiedene OFETs in einem kontinuierlichen Verfahren bei durchlaufendem Band erzeugt werden.

Claims (10)

1. Organischer Feldeffekt-Transistor, welcher
eine Gate-Elektrode (2)
eine Isolatorschicht (3')
eine Halbleiterschicht (6)
in dieser Reihenfolge auf einem Substrat (1) umfasst, wo­ bei in der Isolatorschicht (3') die Source- und Drain- Elektrode(n) eingebettet sind.
2. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (3') aus einem UV- oder wärmehärtbaren Material gebildet ist.
3. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (3') für die Aufnahme der Source- und Drain-Elektrode(n) struktu­ riert ist.
4. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand 1 zwischen Source- und Drain-Elektrode kleiner 20 µm, ins­ besondere kleiner 10 µm und vorzugsweise zwischen 2 bis 5 µm beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines OFETs mit Bottom-Gate- Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem man auf einem Substrat (1) eine Gate-Elektrode (2) aufbringt, darüber eine Isolatorschicht (3) aus einem härtenden Ma­ terial ausbildet, in der ungehärteten Isolatorschicht (3) mittels eines Prägestempels (4) die Struktur für die Source- und Drain-Elektrode(n) erzeugt und durch Aushär­ ten des Isolatormaterials konserviert, die konservierte Struktur mit einem leitfähigen Material auffüllt und dar­ über die Halbleiterschicht (6) ausbildet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man das härtende Material für die Isolatorschicht (3') aus Epoxiden und/oder Acrylaten auswählt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das leitfähige Material zur Ausbildung der E­ lektroden aus organischen leitfähigen Materialien und partikelgefüllten Polymeren auswählt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass man das leitfähige Material in die vorgegebene Strukturierung für den Isolator (3') einra­ kelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das als kon­ tinuierliches Verfahren durchgeführt wird.
10. Verwendung eines OFETs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder eines nach den Ansprüchen 5 bis 9 hergestellten OFETs beim Aufbau integrierter Schaltungen.
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