DE10160732A1 - Organischer Feld-Effekt-Transistor mit verschobener Schwellwertspannung und Verwendung dazu - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen organischen Feld-Effekt-Transistor mit verschobener Schwellwertspannung. Der OFET hat eine Zwischenschicht, die eine Raumladungszone zwischen Isolator und Halbleiter ausbildet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen organischen Feld-Effekt-Transistor mit verschobener Schwellwertspannung.
• Ein Schlüsselparameter bei organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs) ist die Lage der Schwellwertspannung. Diese Spannung gibt an, bei welcher Gate-Spannung der Stromkanal des Transistors entsteht oder leitfähig wird. Liegt diese nahe bei 0 V, so treten beim Aufbau von integrierten Schaltungen aus diesen OFETs zwei Problemen auf: es werden zwei statt nur einer Spannungsversorgung benötigt und man braucht etwa die doppelte Anzahl von Transistoren, da die Ausgangsspannungen der Logikelemente verschoben werden müssen, bevor damit weitere Logikelemente angesteuert werden können. Folge dieser Probleme ist u. a. ein stark erhöhter Leistungsverbrauch, der gerade bei Anwendungen wie RF-ID-Tags (Radio-Frequency- Identification) einen Einsatz von Polymerelektronik, also Elektronik auf Basis organischer Materialien erschwert.
• Bei den für zukünftige Anwendungen aussichtsreichsten OFETs, den auf Polyalkylthiophen basierenden, wie sie z. B. aus der Veröffentlichung von H. Sirringhaus (H. Sirringhaus, N. Tessler, et al. (1999). Elsevier Synthetic Metals 102: 857-860) bekannt sind, liegt die Schwellwertspannung nahe bei 0 V. Bei OFETs mit Pentacene als Halbeleiter liegt die Schwellwertspannung sogar bei positiven Spannungen (C. D. Sheraw, J. A. Nichols et al. (2000), IEDM 2000, p. 619-22). Es treten daher die oben beschriebenen Probleme auf. Da OFETs auf dem Prinzip der Ladungsträgerakkumulation basieren, lässt sich die Lage der Schwellwertspannung nicht, wie z. B. bei Si-MOS-FETs (Silizium-Metall-Oxid Feldeffekt-Transistoren) üblich, durch die Kanaldicke einstellen. Auch eine dickere Isolatorschicht verschiebt die Schwellwertspannung nur unwesentlich. Dadurch würde gleichzeitig das on/off-Verhältnis des OFETs deutlich verschlechtert. Die naheliegende Möglichkeit zur Verschiebung der Schwellwertspannung, nämlich eine Gate-Elektrode zu verwenden, welche eine niedrigere Austrittsarbeit hat, ist keine brauchbare Lösung, da sich solche aus leitfähigem organischen Material praktisch nicht realisieren lassen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zur Verschiebung der Schwellwertspannung bei OFETs, insbesondere bei solchen, deren Schwellwertspannung nahe 0 V oder im positiven Bereich liegt, zur Verfügung zu stellen. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, Verwendungen von OFETs mit verschobener Schwellwertspannung zu offenbaren.
• Gegenstand der Erfindung ist ein OFET zumindest ein Substrat, strukturierte Source/Drain Elektroden, die eingebettet in eine organische Halbleiterschicht sind, daran angrenzend eine Isolatorschicht und eine Gate-Elektrode umfassend, wobei sich zwischen der Halbleiterschicht und der Isolatorschicht eine Zwischenschicht befindet, die dort eine Raumladungszone erzeugt.
• Als "Raumladungszone" wird ein Bereich bezeichnet, in dem sich keine freien Ladungsträger befinden.
• Die Zwischenschicht erzeugt eine Raumladungszone, die die Ausbildung eines leitfähigen Stromkanals bei kleinen Gate- Spannungen verhindert. Erst für größere Gate-Spannungen findet die normale Erzeugung eines Stromkanals statt. Damit wird die Schwellwertspannung verschoben, ohne dass die Nachteile wie Verringerung des ON/OFF-Verhältnisses etc. oder niedrigere Ausgangsströme in Kauf genommen werden müssen. Ob die Verschiebung der Schwellwertspannung 2 V, 5 V oder über 10 V beträgt, hängt von der Dicke und der Donatorkonzentration der Zwischenschicht ab und kann durch geeignete Wahl je nach Bedarf eingestellt werden. Dies stellt einen wichtigen Vorteil der Erfindungsmeldung dar.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass OFETs mit dieser Zwischenschicht deutlich unempfindlicher gegenüber einer unabsichtlichen Hintergrunddotierung des Halbleiters sind, da diese aktiv durch die Zwischenschicht kompensiert wird. Das erleichtert die Herstellung von OFETs, da dann z. B. auf eine Herstellung unter Sauerstoffausschluss verzichtet werden kann.
• Nach einer Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus kleinen, polarisierbaren Molekülen mit internen Dipolmoment (z. B. Di-Sulfid-Dipolmoleküle) oder aus Silanen, Fullerenen oder Perylenen.
• Nach einer Ausführungsform ist die Zwischenschicht einige wenige bis einige 10 Nanometer dick.
• Bei der Herstellung organischer Transistoren oder organischer integrierter Schaltungen kann die Zwischenschicht entweder auf die Halbleiterschicht (bei Top-Gate OFETs) oder auf die Isolatorschicht (bei Bottom-Gate OFETs) aufgebracht werden. Dieses Aufbringen kann durch Aufschleudern, Aufgießen, Drucken, Bedampfen, Eintauchen in eine Lösung oder durch eine andere Aufbringungsmethode geschehen.
• Die Erfindung lässt sich sowohl bei p- als auch bei nleitenden OFETs anwenden. Da aber die n-leitenden OFETs momentan im Blickpunkt des Interesses stehen, beschränkt sich die nachfolgende Erläuterung anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, auf p-leitende OFETs.
• Fig. 1a bis 1c zeigen den Stand der Technik zum Vergleich;
• Fig. 2a bis 2c zeigen dieselben Ansichten bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Fig. 1a zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlichen OFET mit einem Substrat 8 (z. B. einer Plastikfolie), den strukturierten Source/Drain-Elektroden 7, der organischen Halbleiterschicht 6, der Isolatorschicht 2 und der Gate- Elektrode 1. Fig. 1b zeigt die dazugehörige Lage der LUMO- bzw. HOMO- Energien für die Schichtabfolge Gate-Elektrode/Isolator/Halbleiter: LUMO-Energie 3 (entspricht der energetischen Lage des Leitungsbandes), HOMO-Energie 5 (entspricht der energetischen Lage des Valenzbandes) und das Fermi-Niveau 4. Eine Erhöhung der Gate-Spannung um ΔU₁ führt zu einer Akkumulation der Ladungsträger an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter (9 in Fig. 1c). Dies führt zu einer Anhebung der Energieniveaus in der organischen Halbleiterschicht 6 nahe der Grenzfläche. Die Erhöhung der Gate- Spannung führt also direkt zur Ausbildung eines Stromkanals 9 im OFET.
• Fig. 2a zeigt den Aufbau eines OFETs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Zwischen der Isolatorschicht 2 und der halbleitenden Schicht 6 befindet sich die raumladungserzeugende Schicht 10. Haupteigenschaften dieser Schicht sind eine geringe Austrittsarbeit, ein Ferminiveau, welches nahe am LUMO 3 liegt sowie eine hohe Zahl von Donatoren. Aufgrund dieser Eigenschaften werden die Ladungsträger der angrenzenden Halbleiterschicht an diese Donatoren gebunden. Dadurch entsteht eine Raumladungszone. d. h. ein Bereich, indem sich keine freien Ladungsträger befinden. In der Fig. 2b erkennt man diese Raumladungszone durch die nach unten verbogenen LU- MO- und HOMO-Niveaus 3 und 4 nahe der Grenzfläche Halbleite /Isolator. Erhöht man an diesen OFET die Gate-Spannung, so kann bei kleinen Spannungen noch kein Stromkanal erzeugt werden, da zuerst alle Donatoren mit Löchern gefüllt werden müssen. Erst bei einer höheren Spannung ΔU₂, wenn die Donatoren kompensiert sind, kann ein Stromkanal 9 im OFET erzeugt werden (siehe Fig. 2c). Die Differenz zischen der Spannung ΔU₁ (in Fig. 1c) und ΔU₂ (in Fig. 2c) entspricht der Verschiebung der Schwellwertspannung.
• Inhalt der Erfindung ist die Einführung einer sehr dünnen, nichtleitenden Schicht zwischen halbleitendem Material und Isolator im OFET. Durch die Erfindung wird es erstmals möglich, die Schwellwertspannung eines OFETs zu verschieben und gleichzeitig die Herstellung des OFETs zu vereinfachen, da auf Sauerstoffaussschluß während der Herstellung verzichtet werden kann.

Claims (8)

1. OFET, bei dem sich angrenzende an die aktive halbleitende Schicht eine Zwischenschicht befindet, die die Schwellwertpannung des OFETs durch Ausbilden einer Raumladungszone in der aktiven Schicht verschiebt.

2. OFET nach Anspruch 1, bei dem sich die Zwischenschicht zwischen Substrat und aktiver Schicht befindet.

3. OFET nach Anspruch 1, bei dem sich die Zwischenschicht zwischen aktiver Schicht und Gate-Isolatorschicht befindet.

4. OFET nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Zwischenschicht aus kleinen, polarisierbaren Molekülen mit internen Dipolmoment (z. B. Di-Sulfid-Dipolmoleküle) oder aus Silanen, Fullerenen oder Perylenen besteht.

5. OFET nach einem der vorstehenden Ansprüche, der eine Schwellwertspannung im Bereich von -1 V bis -10 V hat.

6. OFET nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen halbleitendes Material Polyalkylthiophen ist.

7. OFET nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Zwischenschicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 50 nm hat.

8. Verwendung des OFETs nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem RFID-Tag, einem Sensorarray, einer Photovoltaikzelle, als "wearable electronic", als aktives Display, als elektronischer Strichkode für Konsumgüter, als elektronisches Wasserzeichen, als elektronische Briefmarke, als Kofferanhänger und/oder als elektronisches Ticket.