DE10105914C1 - Organischer Feldeffekt-Transistor mit fotostrukturiertem Gate-Dielektrikum und ein Verfahren zu dessen Erzeugung - Google Patents

Organischer Feldeffekt-Transistor mit fotostrukturiertem Gate-Dielektrikum und ein Verfahren zu dessen Erzeugung

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen organischen Feldeffekt-Transistor, der sich insbesondere durch eine vernetzte und strukturierte Isolatorschicht (4) auszeichnet, auf welcher die Gate-Elektrode (5) angeordnet ist. Der Aufbau des OFETs garantiert, dass die Gate-Elektrode (5) eines OFETs gleichzeitig als Leiterbahn zur Source-Elektrode (2) eines nächsten Transistors und damit zum Aufbau größerer Schaltungen genutzt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft organische Feldeffekt- Transistoren, sogenannte OFETs, mit fotostrukturiertem Gate- Dielektrikum sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und die Verwendung dieser Feldeffekt-Transistoren in der organi­ schen Elektronik.
Feldeffekt-Transistoren spielen auf allen Gebieten der Elekt­ ronik eine zentrale Rolle. Um sie an besondere Anwendungszwe­ cke anzupassen, war es erforderlich sie leichter und flexib­ ler zu gestalten. Durch die Entwicklung von halbleitenden und leitenden Polymeren wurde die Erzeugung von sogenannten orga­ nischen Feldeffekt-Transistoren möglich, die in allen Teilen, einschließlich der Halbleiterschicht sowie der Source-, Drain- und Gate-Elektroden aus Polymermaterialien hergestellt sind.
Bei der Herstellung organischer Feldeffekt-Transistoren müs­ sen jedoch mehrere organische Schichten übereinander struktu­ riert werden, um beispielsweise ein OFET des allgemeinen Auf­ baus, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, zu erhalten. Das ist mit herkömmlicher Fotolithografie, welche eigentlich zur Strukturierung von anorganischen Materialien dient, nur sehr eingeschränkt möglich. Die bei der Fotolithografie üblichen Arbeitsschritte greifen bzw. lösen die organischen Schichten an und machen diese somit unbrauchbar. Dies geschieht bei­ spielsweise beim Aufschleudern, beim Entwickeln und beim Ab­ lösen eines Fotolackes.
Dieses Problem wurde mit einem organischen Feldeffekt- Transistor gelöst, wie er in Applied Physics Letters 1998, Seite 108 ff. beschrieben ist. Als Substrat wird hier ein Polyimidfilm verwendet, auf den Polyanilin aufgeschichtet wird. In dieser ersten Polyanilin-Schicht wird durch Bestrahlung durch eine erste Maske die Source- und Drain-Elektrode ausge­ bildet. In dieser ersten Schicht wird auch eine Halbleiter­ schicht aus Poly(thienylenvinylen) PTV gebildet. Darauf wird dann Polyvinylphenol mit Hexamethoxymethylmelamin HMMM ver­ netzt. Diese Schicht dient als Gate-Dielektrikum und als Iso­ lator für die nächste Schicht und die Kontaktverbindungen. Darauf wird schließlich eine weitere Polyanilinschicht ausge­ bildet, in welcher durch Strukturieren die zweite Lage von Kontaktverbindungen und die Gate-Elektrode definiert wird. Die Durchkontaktierungen werden mechanisch durch Einstechen von Nadeln erzeugt.
Bei diesem Verfahren wird vermieden, dass vorangehend auf­ getragende Schichten aufgelöst oder sonst wie beschädigt wer­ den. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere der letzte Arbeitsschritt zur Ausbildung der Durchkontaktierungen, die auch "vias" (vertical interconnects) genannt werden, die Her­ stellung komplexer Schaltungen nicht zulässt.
In Applied Physics Letters 2000, Seite 1487 wird zur Lösung dieses Problems beschrieben, niederohmige Durchkontaktierun­ gen mittels Fotostrukturierung von Fotoresistmaterial in die Feldeffekt-Transistorstruktur einzubringen. Hierzu wird ein anderer Aufbau des OFETs, nämlich eine sogenannte "bottom- gate"-Struktur für unabdingbar gehalten. Beim Erzeugen einer "top-gate"-Struktur gleicher Zusammensetzung würden sich nicht akzeptierbar hohe Kontaktwiderstände in der Größenord­ nung von MΩ ergeben.
Der Aufbau und die Arbeitsschritte zur Strukturierung dieses OFETs mit "bottom-gate"-Struktur sind jedoch komplex, was eine wirtschaftliche Herstellung insbesondere komplexer Schaltungen nicht möglich macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher einen organi­ schen Feldeffekt-Transistor bzw. ein Verfahren zu dessen Her­ stellung anzugeben, das den Einsatz der Fotolithografie ohne das Angreifen bzw. Anlösen der organischen Schichten in allen Arbeitsschritten zulässt sowie einen Strukturaufbau ermög­ licht, der die Durchkontaktierung zwischen Leiterbahnen auf verschiedenen Ebenen in organischen integrierten Schaltungen in einfacher Weise ermöglicht. Die organischen Feldeffekt- Transistoren sollten dabei gleichzeitig kostengünstig und wirtschaftlich in einfachen Arbeitsschritten herstellbar sein.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein organi­ scher Feldeffekt-Transistor, der sich dadurch auszeichnet, dass auf einem flexiblen Substrat in einer ersten Schicht Source- und Drain-Elektroden sowie ein Halbleiter angeordnet sind, auf dem in einer zweiten Schicht ein Isolator struktu­ riert ausgebildet und auf den in einer dritten Schicht eine Gate-Elektrode aufgebracht ist (top-gate-Struktur).
Der erfindungsgemäße organische Feldeffekt-Transistor ist leicht und äußerst flexibel, da er nur aus organischen Schichten aufgebaut ist, die überwiegend mittels Fotolitho­ grafie, jedoch ohne Verwendung von Fotolack, strukturiert sind. Durch das Strukturieren insbesondere der Isolator­ schicht kann die Gate-Elektrode des erfindungsgemäßen organi­ schen Feldeffekt-Transistors gleichzeitig als Leiterbahn zur Source-Elektorde des nächsten Transistors genutzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes erge­ ben sich aus den Unteransprüchen 1 bis 10.
So können als Substrat hauchdünne Gläser, aus Kostengründen jedoch bevorzugt Kunststofffolien, eingesetzt werden. Poly­ ethylenterephthalat- und Polyimidfolien werden insbesondere bevorzugt. Das Substrat sollte in jedem Fall so leicht und flexibel wie möglich sein. Da die Dicke des Substrates die eigentliche Dicke des gesamten Bauelementes bestimmt, alle anderen Schichten sind zusammen nur etwa 1000 nm dick, sollte auch die Substratdicke so gering wie möglich gehalten werden. Sie liegt überlicherweise im Bereich von etwa 0,05-0,5 mm.
Die Source- und Drain-Elektroden können aus den verschiedens­ ten Materialien bestehen. Die Art des Materials wird wesent­ lich durch die Art der bevorzugten Herstellung bestimmt wer­ den. So können beispielsweise Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) durch Fotolithografie auf mit ITO beschichteten Sub­ straten erzeugt werden. Das ITO wird dabei auf den nicht vom Fotolack bedeckten Stellen weggeätzt. Auch können Elektroden aus Polyanilin (PANI) entweder durch Fotostrukturierung oder durch Fotolithografie auf mit PANI beschichteten Substraten erzeugt werden. Gleichermaßen können Elektroden aus leitfähi­ gen Polymeren durch aufdrucken des leitfähigen Polymeres di­ rekt auf das Substrat erzeugt werden. Leitfähige Polymere sind beispielsweise dotiertes Polyethylen (PEDOT) oder gege­ benenfalls PANI.
Die Halbleiterschicht besteht beispielsweise aus konjungier­ ten Polymeren, wie Polythiophenen, Polythienylenvinylenen oder Polyfluorenderivaten, die aus Lösung durch spin-coating, Rakeln oder Bedrucken verarbeitbar sind. Für den Aufbau der Halbleiterschicht eignen sich auch sogenannte "small molecu­ les", d. h. Oligomere wie Sexithiophen oder Pentacen, die durch eine Vakuumtechnik auf das Substrat aufgedampft werden.
Ein wesentlicher Aspekt des vorliegenden Erfindungsgegenstan­ des ist jedoch die Art und Weise des Aufbaus der Isolator­ schicht. Es handelt sich um einen vernetzten Isolator, der mittels Fotolithografie, also unter partieller Belichtung vernetzt und strukturiert wird. Ein Isolatormaterial wird mit einem Vernetzer unter saurer Katalyse stellenweise vernetzt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignete Isolatormate­ rialen sind beispielsweise Poly-4-hydroxystyrol oder Hydroxylgruppen enthaltende Melamin-Formaldehyd-Harze. Der Vernet­ zer ist säureempfindlich und insbesondere Hexamethoxymethyl­ melamin (HMMM). Die saure Katalyse wird mittels eines Foto­ initiators, beispielsweise Diphenyliodoniumtetrafluoroborat oder Triphenylsulfoniumhexafluoroantimonat bewirkt, die unter dem Einfluss von Licht eine Säure bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors, bei dem man in üblicher Weise ein flexibles Substrat mit einer Sour­ ce- und Drain-Elektrode sowie einem Halbleiter versieht und sich dadurch auszeichnet, dass man auf dem Halbleiter einen Isolator aufbringt, indem eine Lösung eines Isololatormateri­ als, die einen säureempfindlichen Vernetzer sowie einen Foto­ initiator enthält, aufträgt, durch eine Schattenmaske, welche Source- und Drain-Elektroden abdeckt, belichtet und anschlie­ ßend tempert, wobei an den belichteten Stellen eine Vernet­ zung bewirkt wird und auf den so vernetzten und strukturier­ ten Isolator die Gate-Elektrode aufgebracht wird.
Einzelheiten und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 12 bis 18. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 sowie eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines herkömmlichen OFETs;
Fig. 2 den Aufbau eines erfindungsgemäßen OFETs; und
Fig. 3 chemische Reaktionen, die der Herstellung der ver­ netzten, strukturierten Isolatorschicht zugrunde­ liegen.
Ein herkömmlicher OFET besteht aus einem Substrat 1, Source- bzw. Dran-Elektroden 2 und 2', einem Halbleiter 3, einem I­ solator 4 und der Gate-Elektrode 5. Bei dem herkömmlichen OFET sind Kontaktfahnen 6 für die Zusammenstellung einzelner OFETs zu größeren Schaltungen erforderlich.
Gemäß Fig. 2 wird für die Erzeugung eines erfindungsgemäßen OFETs von einer ähnlichen Grundstruktur wie bei einem her­ kömmlichen OFET ausgegangen. Mit anderen Worten, auf einem Substrat 1 sind Source- und Drain-Elektroden 2 und 2' sowie eine Halbleiterschicht 3 ausgebildet. Source- und Drain- Elektroden 2 und 2' sowie der Halbleiter 3 liegen in einer Schicht. Auf dieser Schicht wird durch spin-coating, Rakeln oder ähnliche Arbeitsweisen flächig eine dünne Schicht eines Isolatormateriales, beispielsweise Poly-4-Hydroxystyrol (PVP) oder Hydroxylgruppen enthaltende Melamin-Formaldehyd-Harze, aufgebracht. In der zum Aufbringen benötigten Lösung sind ne­ ben dem Isolatormaterial ein säureempfindlicher Vernetzer, wie beispielsweise Hexamethoxymethylmelamin (HMMM) sowie ein Fotoinitiator, zum Beispiel Diphenyliodoniumtetrafluoroborat oder Triphenylsulfoniumhexafluoroantimonat, enthalten. Diese Schicht 4a wird dann durch eine Schattenmaske 7, vorzugsweise mit UV-Licht, belichtet. Durch die Belichtung erzeugt der Fo­ toinitiator gemäß Reaktionsschema (a) in Fig. 3 eine Säure, welche die Vernetzung zwischen dem Isolatormaterial und dem Vernetzer unter Einwirkung von Temperatur, also in einem nachfolgenden Temperschritt, vernetzt (Reaktionsschema (b) in Fig. 3). Das Tempern wird bei relativ niedrigen Temperaturen, etwa zwischen 100°C und 140°C, vorzugsweise bei 120°C, vorge­ nommen. Dadurch wird sichergestellt, dass die unbelichteten Stellen unvernetzt bleiben, da ohne Katalysator wesentlich höhere Temperaturen zum Vernetzen benötigt werden. In einem abschließenden Entwicklungsschritt wird der unvernetzte Iso­ lator mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise n- Butanol oder Dioxan, durch Abspülen entfernt. Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, wird dadurch direkt über der Halbleiter­ schicht 3 eine vernetzte und strukturierte Isolatorschicht 4b erzeugt, auf welcher schlussendlich die Gate-Elektrode wie oben beschrieben aufgebracht wird.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird also das Gate- Dielektrikum durch Fotolithografie ohne Verwendung von Foto­ lack erzeugt. Im Resultat ergibt sich ein OFET dessen Gate- Elektrode gleichzeitig als Leiterbahn zur Source-Elektrode des nächsten Transistors genutzt werden kann. Eine Durchkon­ taktierung zwischen Leiterbahnen auf verschiedenen Ebenen in organischen integrierten Schaltungen wird ermöglicht.
Hierfür wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel angegeben, das die Reaktionsbedingungen im Einzelnen angibt.
Ausführungsbeispiel für das Erzeugen eines Gate-Dielektrikums
5 ml einer 10%igen Lösung von Poly-4-Hydroxystyrol in Dioxan werden mit 20 mg Hexamethoxymethylmelamin und einer katalyti­ schen Spur Diphenyliodoniumtetrafluoroborat versetzt und durch spin-coating auf ein Substrat, auf dem sich bereits E­ lektroden und Halbleiter befinden, flächig aufgebracht. Das Substrat wird durch eine Schattenmaske belichtet und an­ schließend 30 Minuten bei 120°C getempert. Nach dem Abkühlen wird der Isolator an den nichtbelichteten und damit nichtver­ netzten Stellen durch intensives Spülen bzw. Einlegen mit bzw. in n-Butanol entfernt. Die Gate-Elektrode wird darauf ausgebildet.
Die erfindungsgemäßen OFETs eignen sich hervorragend für An­ wendungen im Bereich der organischen Elektronik und insbeson­ dere bei der Herstellung von Identifizierungsstickern (Ident- Tags), elektronischen Wasserzeichen, elektronischen Bar- Codes, elektronischem Spielzeug, elektronischen Tickets, für die Anwendung im Produkt- bzw. Plagiatschutz oder der Anti- Diebstahlssicherung.

Claims (18)

1. Organischer Feldeffekt-Transistor, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem flexiblen Substrat (1) in einer ersten Schicht Source- und Drain- Elektroden (2, 2') sowie ein Halbleiter (3) angeordnet sind, auf dem in einer zweiten Schicht ein Isolator (4) strukturiert ausgebildet und auf dem in einer dritten Schicht eine Gate-Elektrode (5) aufgebracht ist.
2. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, das das Substrat dünnstes Glas (Glasfolie) oder eine Kunststofffolie ist.
3. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) Polyethylen­ terephthalat oder insbesondere Polyimidfolie ist.
4. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drain-Elektroden (2, 2') aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), Po­ lyanilin (PANI) und/oder leitfähigen Polymeren gebildet ist.
5. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter (3) aus konjugierten Polymeren oder Oligomeren gebildet ist.
6. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (4) aus einem mit einem Vernetzer in Gegenwart eines Fo­ toinitiators vernetzten Isolatormaterial gebildet ist.
7. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial aus Poly- 4-hydroxystyrol oder aus Hydroxylgruppen enthaltenden Melamin-Formaldehydharzen ausgewählt ist.
8. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernetzer säureempfind­ lich, insbesondere Hexamethoxymethylmelamin (HMMM) ist.
9. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü­ che 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoinita­ tor aus Diphenyliodoniumtetrafluoroborat und Triphenyl­ sulfoniumhexafluoroantimonat ausgewählt ist.
10. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate- Elektrode aus Polyanilin oder anderen leitfähigen Polymeren gebildet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines organischen Feldeffekt- Transistors bei dem man ein flexibles Substrat (1) mit einer Source- und Drain-Elektrode (2, 2') sowie einem Halbleiter (3) versieht, dadurch gekennzeichnet, dass man auf dem Halblei­ ter (3) einen Isolator (4) aufbringt, indem eine Lösung eines Isolatormaterials, die einen säureempfindlichen Vernetzer sowie einen Fotoinitiator enthält aufträgt, durch eine Schattenmaske, welche Source- und Drain- Elektroden (2, 2') abdeckt, belichtet und anschließend tempert, wobei an den belichteten Stellen eine Vernetzung bewirkt wird und auf den so vernetzten und strukturierten Isolator (4) die Gate-Elektrode (5) aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial aus Poly-4-hydroxystyrol oder aus Hydroxylgruppen enthaltenden Melamin-Formaldehydharzen ausgewählt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, dass der Vernetzer säureempfindlich, insbesondere Hexamethoxymethylmelamin (HMMM) ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoinitiator unter Einwirkung von Licht eine Säure bildet und insbesondere aus Diphenyliodoniumtetrafluoro­ borat und Triphenylsulfoniumhexaantimonat ausgewählt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die das Isolatormaterial, den Vernet­ zer und den Fotoinitiator enthaltende Lösung durch spin­ coating oder Rakeln aufgetragen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mit UV-Licht belichtet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei einer Temperatur zwischen 100°C und 140°C getempert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur von 120°C getempert wird.
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