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 Schaltung

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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.
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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