DE10043204A1 - Organischer Feld-Effekt-Transistor, Verfahren zur Strukturierung eines OFETs und integrierte Schaltung - Google Patents
Organischer Feld-Effekt-Transistor, Verfahren zur Strukturierung eines OFETs und integrierte SchaltungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen organischen Feld-Effekt-Transistor, ein Verfahren zur Strukturierung eines OFETs und eine integrierte Schaltung mit verbesserter Strukturierung der Funktionspolymerschichten. Die Strukturierung wird durch Einrakeln des Funktionspolymers in eine Formschicht, in der zunächst durch Belichten Vertiefungen erzeugt wurden, erzielt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Organischen Feld-Effekt-
Transistor, ein Verfahren zur Strukturierung eines OFETs und
eine integrierte Schaltung mit verbesserter Strukturierung
der Funktionspolymerschichten.
Organische integrierte Schaltkreise (integrated plastic cir
cuits) auf der Basis von OFETs werden für mikroelektronische
Massenanwendungen und Wegwerf-Produkte wie Identifikations-
und Produkt-"tags" gebraucht. Ein "tag" ist z. B. ein elektro
nischer Streifencode, wie er auf Waren angebracht wird oder
auf Koffern. OFETs haben ein weites Einsatzgebiet als RFID-
tags: radio frequency identification - tags, die nicht nur
auf der Oberfläche angeordnet sein müssen. Bei OFETs für die
se Anwendungen kann auf das excellente Betriebsverhalten der
Silizium-Technologie verzichtet werden, aber dafür sollten
niedrige Herstellungkosten und mechanische Flexibilität ge
währleistet sein. Die Bauteile wie z. B. elektronische Strich-
Kodierungen, sind typischerweise Einwegeprodukte und sind
wirtschaftlich nur interessant, wenn sie in preiswerten Pro
zessen hergestellt werden.
Bisher wird, wegen der Herstellungskosten, nur die Leiter
schicht des OFETs strukturiert. Die Strukturierung kann nur
über einen zweistufigen Prozess ("Lithographiemethode" vgl
dazu Applied Physics Letters 73(1), 1998, S. 108. 110 und
Mol. Cryst. Liq. Cryst. 189, 1990, S. 221-225) mit zunächst voll
flächiger Beschichtung und darauffolgender Strukturierung,
die zudem materialspezifisch ist, bewerkstelligt werden. Mit
"Materialspezifität" ist gemeint, dass der beschriebene Pro
zess mit den genannten photochemischen Komponenten einzig an
dem leitfähigen organischen Material Polyanilin funktioniert.
Ein anderes leitfähiges organisches Material, z. B. Polypyrrol,
läßt sich so nicht ohne weiteres auf diese Art struktu
rieren.
Die fehlende Strukturierung der anderen Schichten, wie zumin
dest die der halbleitenden und der isolierenden Schicht aus
Funktionspolymeren (die polymer oder oligomer vorliegen kön
nen), führt zu einer deutlichen Leistungssenkung der erhalte
nen OFETs, darauf wird aber trotzdem aus Kostengründen ver
zichtet. Die strukturierte Schicht kann mit anderen bekannten
Verfahren (wie z. B. Drucken) nur so strukturiert werden, dass
die Länge 1, die den Abstand zwischen Source und Drain Elekt
rode bezeichnet und damit ein Mass für die Leistungsdichte
des OFETs darstellt zumindest 30 bis 50 µm beträgt. Ange
strebt werden aber Längen 1 von unter 10 µm, so dass ausser
der aufwendigen Lithogrphie-methode momentan keine Struktu
rierungsmethode sinnvoll erscheint.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein kostengünstiges und mas
senfertigungstaugliches Verfahren zur Strukturierung von O
FETs mit hoher Auflösung zur Verfügung zu stellen. Weiterhin
ist Aufgabe der Erfindung, einen leistungsstärkeren, weil mit
mehr strukturierten Schichten ausgestatteten sowie einen kom
pakteren OFET zu schaffen, der mit einem geringeren Abstand 1
herstellbar ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Organischer Feld-Effekt-
Transistar (OFET), zumindest folgende Schichten auf einem
Substrat umfassend:
- - eine organische Halbleiterschicht zwischen und über zu mindest einer Source- und zumindest einer Drain- Elektrode, die aus einem leitenden organischen Material sind,
- - eine organische Isolationsschicht über der halbleitenden Schicht und
- - eine organische Leiterschicht,
wobei die Leiterschicht und zumindest eine der beiden anderen
Schichten strukturiert ist. Ausserdem ist Gegenstand der Erfindung
ein Verfahren zur Strukturierung eines OFETs durch
Rakeln von zumindest einem Funktionspolymer in eine Negativ-
Form. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine integ
rierte Schaltung, die zumindest einen OFET, der zumindest ei
ne strukturierte Leiterschicht und eine weitere strukturierte
Schicht hat, umfasst.
Als Negativ-Form wird eine strukturierte Schicht oder ein
Teil einer strukturierten Schicht bezeichnet, die Vertiefun
gen enthält, in die das Funktionspolymer, das z. B. eine E
lektrode eines OFETs oder eine Halbleiter- oder eine Isola
torschicht bildet, durch Rakeln eingefüllt wird.
Die Länge 1 die den Abstand zwischen Source und Drain Elekt
rode beschreibt, kann dabei bis zur Grössenordnung von λ
(Wellenlänge) des eingestrahlten Lichts, wenn die Negativ-
Form durch Bestrahlung strukturiert wird verkleinert werden.
Bevorzugt ist ein OFET mit einer Länge 1 von kleiner 20 µm,
insbesondere von kleiner 10 µm und ganz bevorzugt von 2 bis 5 µm
oder kleiner.
Das Verfahren umfasst folgende Arbeitsschritte:
- a) auf einem Substrat oder einer unteren Schicht wird eine, ggf. vollflächige Formschicht, die nicht auf den Bereich, der strukturiert werden soll beschränkt sein muss, aufgebracht. Diese Formschicht ist nicht das Funktionspolymer(also halb leitende, leitende oder isolierende Schicht), sondern ein an deres organisches Material, das als Form oder Klischee für die leitende organische Elektrodenschicht dient. Dieses ande re organische Material sollte isolierende Eigenschaften ha ben.
- b) die Formschicht erhält durch Belichten über eine Maske Vertiefungen, die den Strukturen entsprechen.
- c) in diese Vertiefungen wird dann das Funktionspolymer flüs sig, als Lösung und/oder als Schmelze hineingerakelt.
Die Negativ-Form der Struktur auf der Formschicht kann durch
Belichten einer Photolackschicht auf dem Substrat oder einer
unteren Schicht erzeugt werden. Das Material der Negativ-Form
kann ein Photolack sein, der nach Belichten über eine Maske
wie z. B. Schattenmaske oder eine andere bereits bechriebene
Strukturierungsmethode und nachfolgendes Entwickeln Vertie
fungen besitzt.
Dafür geeignete Lacke sind allesamt kommerziell erhältlich
und die Methoden, sie z. B. durch Belichten zu strukturieren,
sind literaturbekannt.
Der Vorteil der Rakel-Methode besteht darin, dass die schwie
rige Strukturierung von Funktionspolymeren durch die einge
fahrene und bewährte Photolackmethode bewältigt wird. Dadurch
kann auf einen reichen technischen Hintergrund zurückgegriffen
werden und es können extrem feine Strukturen erzielt werden.
Die Rakel-Methode ist zudem nicht materialspezifisch. Mit der
Rakelmethode kann vielmehr Polyanilin, aber auch jedes andere
leitfähige organische Material, z. B. Polypyrrol, zur Herstel
lung von Elektroden eingesetzt werden. Ebenso kann damit je
des andere organsiche Material wie z. B. Polythiophen als
Halbleiter und/oder Polyvinylphenol als Isolator strukturiert
werden, also der gesamte OFET.
Man kann im Mehrschichtaufbau eines OFETs eine oder mehrere
Schichten mit der Rakel-Methode herstellen. Bei mehreren
Schichten wird die Photolacktechnik zur Bildung der Negativ-
Form bevorzugt, weil z. B. das Imprintverfahren die Form
schicht nicht über die ganze Schichtdicke durchstrukturiert,
sondern in den Vertiefungen einen bestimmten Boden stecken
lässt, der den elektrischen Kontakt zu der darunter liegenden
Schicht verhindert. Für die erste Schicht, z. B. Source-Drain-
Elektroden, spielt das keine Rolle, aber für alle weiteren
Schichten.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Negativ-
Form nach erfolgter Aushärtung des Funktionspolymers ent
fernt, so dass ein eventuell durch Verdunstung des Lösungs
mittels oder Schrumpfung entstandener Höhenunterschied zwi
schen Funktionspolymer und Negativ-Form vermindert wird.
Ein anderer Ansatz, einen gegebenenfalls entstandenen Höhen
unterschied zwischen Negativ-Form und Funktionspolymer zu
vermeiden, liegt in der Wiederholung des Einrakelvorgangs,
wodurch das Volumen der Negaitv-Form einfach weiter aufge
füllt wird.
In der Regel kann man die Funktionspolymere weitgehend in ih
rer optimalen Konsistenz belassen. So besitzt z. B. Polyanilin
als leitfähiges organisches Material bei optimaler Leitfähig
keit eine bestimmte Viskosität. Soll Polyanilin gedruckt wer
den, so muss seine Viskosität auf einen der Druckmethode an
gepassten Wert eingestellt werden. Das bedeutet meistens Ein
busse der Leitfähigkeit. Für das Rakeln ist die Viskositäts
spanne ungleich grösser als für das Drucken, so dass in aller
Regel keine Viskositätsänderungen am organischen Material
vorgenommen werden müssen.
Schließlich ist ein Vorteil der Rakelmethode die Fähigkeit zu
dicken Schichten. So ist z. b. die Leitfähigkeit von 1 µm di
cken Polmerelektroden effektiv höher als bei üblicherweise
0.2 µm Schichtdicke. Ein OFET mit einer Schichtdicke im Be
reich von bis zu 1 µm, insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,7 µm
ist deshalb vorteilhaft.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird es
kontinuierlich betrieben, das heisst ein Band mit der Form
schicht wird nacheinander an verschiedenen Stationen vorbei
geführt wo zuerst über z. B. Belichtung mit einer Maske Ver
tiefungen in der Formschicht gebildet werden, die dann im
weiteren Verlauf zumindest einmal mit Funktionspolymer über
eine Rakelstation gefüllt werden.
Als "Funktionspolymer" wird hier jedes organische, metallor
ganische und/oder anorganische Material bezeichnet, das funk
tionell am Aufbau eines OFET und/oder einer integrierten
Schaltung aus mehreren OFETs beteiligt ist. Dazu zählen bei
spielhaft die leitende Komponente (z. B. Polyanilin), das eine
Elektrode bildet, die halbleitende Komponente, die die
Schicht zwischen den Elektroden bildet und die isolierende
Komponente. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die
Bezeichnung "Funktionspolymer" demnach auch nicht polymere
Komponenten, wie z. B. oligomere Verbindungen, umfasst.
Als "organisch" wird hier kurz alles, was "auf organischem
Material basiert" bezeichnet, wobei der Begriff "organisches
Material" alle Arten von organischen, metallorganischen
und/oder anorganischen Kunststoffen, die im Englischen z. B.
mit "plastics" bezeichnet werden, umfasst. Es handelt sich um
alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der klassischen Halblei
ter (Germanium, Silizium) und der typischen metallischen Lei
ter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches
Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach
nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz
von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner
Beschränkung auf polymere oder oligomere Materialien unter
liegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small
molecules" denkbar.
Als "untere Schicht" wird hier jede Schicht eines OFETs be
zeichnet, auf die eine zu strukturierende Schicht aufgebracht
wird. Die Formschicht aus dem Formpolymer schliesst an die
"untere Schicht" oder das Substrat an. Das Formpolymer wird
hier durch die Bezeichnung "polymer" auch nicht auf einen po
lymeren Aggregatszustand festgelegt, vielmehr kann es sich
bei dieser Substanz auch um alle praktisch einsetzbaren
Kunststoffe zur Ausbildung einer Negativ-Form handeln.
Im folgenden wird eine Ausführungsform des Verfahrens noch
anhand von schematischen Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt das Substrat oder eine untere Schicht 2 auf die
die Formschicht der Negativ-Form 1, beispielsweise aus einem
Formpolymer wie einem Photolack, vollflächig aufgebracht ist.
Die Formschicht 1 wird, wie in Fig. 2 gezeigt, über eine
Schattenmaske 4 mit, beispielsweise UV-Strahlung 3, belich
tet. Dadurch entstehen Vertiefungen 8 in der Formschicht 1,
wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. In diese Vertiefungen wird
dann das Funktionspolymer 7 mit einem Rakel 6 hineingerakelt
(Fig. 4 und 5). In Fig. 6 erkennt man, wie im fertigen
OFET das Funktionspolymer 7 die Vertiefungen 8 der Form
schicht 1 ausfüllt.
Claims (10)
1. Organischer Feld-Effekt-Transistor (OFET), zumindest fol
gende Schichten auf einem Substrat umfassend:
eine organische Halbleiterschicht zwischen und über zu mindest einer Source- und zumindest einer Drain- Elektrode, die aus einem leitenden Funktionspolymer sind,
eine organische Isolationsschicht über der halbleitenden Schicht und
eine organische Leiterschicht,
wobei die Leiterschicht und zumindest eine der beiden anderen Schichten strukturiert ist.
eine organische Halbleiterschicht zwischen und über zu mindest einer Source- und zumindest einer Drain- Elektrode, die aus einem leitenden Funktionspolymer sind,
eine organische Isolationsschicht über der halbleitenden Schicht und
eine organische Leiterschicht,
wobei die Leiterschicht und zumindest eine der beiden anderen Schichten strukturiert ist.
2. OFET nach Anspruch 1 mit einem Abstand 1 zwischen Source
und Drain Elektrode von kleiner 20 µm, insbesondere von klei
ner 10 µm und ganz bevorzugt von 2 bis 5 µm.
3. OFET nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der eine Elektrode
mit einer Schichtdicke von 1 µm umfasst.
4. Integrierte Schaltung, die zumindest einen OFET, der zu
mindest eine strukturierte Leiterschicht und eine weitere
strukturierte Schicht hat, umfasst.
5. Verfahren zur Strukturierung eines OFETs durch Rakeln von
zumindest einem Funktionspolymer in eine Negativ-Form.
6. Verfahren nach Anspruch 5, folgende Arbeitsschritte umfas
send:
- a) auf einem Substrat oder einer unteren Schicht wird eine Formschicht für eine Negativform aufgebracht,
- b) diese Formschicht erhält Vertiefungen, die den Negativen der späteren Strukturen entsprechen und
- c) in diese Vertiefungen wird dann das Funktionspolymer hi neingerakelt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die
Formschicht nach der Strukturierung entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem zumin
dest zweimal das Funktionspolymer in die Vertiefungen der
Formschicht eingerakelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die
Vertiefungen in der Formschicht durch Bestrahlung mit einer
Maske erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, das als kon
tiniuerliches Verfahren mit einem durchlaufenden Band durch
geführt wird.
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