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WO2002065557A1 - Organischer feldeffekt-transistor mit fotostrukturiertem gate-dielektrikum, ein verfahren zu dessen erzeugung und die verwendung in der organischen elektronik - Google Patents

Organischer feldeffekt-transistor mit fotostrukturiertem gate-dielektrikum, ein verfahren zu dessen erzeugung und die verwendung in der organischen elektronik Download PDF

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WO2002065557A1
WO2002065557A1 PCT/DE2002/000312 DE0200312W WO02065557A1 WO 2002065557 A1 WO2002065557 A1 WO 2002065557A1 DE 0200312 W DE0200312 W DE 0200312W WO 02065557 A1 WO02065557 A1 WO 02065557A1
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WO
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effect transistor
field effect
organic field
transistor according
insulator
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French (fr)
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Adolf Bernds
Walter Fix
Henning Rost
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to JP2002564769A priority patent/JP2004518305A/ja
Priority to US10/467,636 priority patent/US7238961B2/en
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    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof

Definitions

  • Organic field effect transistor with photo-structured gate dielectric a method for its production and its use in organic electronics.
  • the present invention relates to organic field-effect transistors, so-called OFETs, with a photo-structured gate dielectric, and to a method for the production thereof and the use of these field-effect transistors in organic electronics.
  • the organic field effect transistors should be inexpensive and economical to manufacture in simple steps.
  • the present invention accordingly relates to an organic field effect transistor, which is characterized in that on a flexible substrate in a first layer
  • Source and drain electrodes and a semiconductor are arranged, on which an insulator is structured in a second layer and on which a gate electrode is applied in a third layer (top-gate structure).
  • the organic field-effect transistor according to the invention is light and extremely flexible, since it is only made up of organic layers which are mainly structured by means of photolithography, but without the use of photoresist.
  • the gate electrode of the organic field-effect transistor according to the invention can simultaneously be used as a conductor track to the source electrode of the next transistor.
  • wafer-thin glasses can be used as the substrate, but plastic foils are preferred for reasons of cost. Polyethylene terephthalate and polyimide films are particularly preferred.
  • the substrate should be as light and flexible as possible. Because the thickness of the substrate The actual thickness of the entire component is determined, all other layers together are only about 1000 nm thick, the substrate thickness should also be kept as small as possible. It is usually in the range of about 0.05-0.5 mm.
  • the source and drain electrodes can be made of a wide variety of materials. The type of material will be largely determined by the type of preferred manufacture. For example, electrodes made of indium tin oxide (ITO) can be produced by photolithography on substrates coated with ITO. The ITO is etched away on the areas not covered by the photoresist. Electrodes made of polyaniline (PANI) can also be produced either by photostructuring or by photolithography on substrates coated with PANI. Likewise, electrodes made of conductive polymers can be produced by printing the conductive polymer directly onto the substrate. Conductive polymers are, for example, doped polyethylene (PEDOT) or possibly PANI.
  • PEDOT doped polyethylene
  • the semiconductor layer consists, for example, of conjugated polymers, such as polythiophenes, polythienylenevinylenes or polyfluorene derivatives, which can be processed from solution by spin coating, knife coating or printing. So-called “small olecules” are also suitable for the construction of the semiconductor layer, i.e. Oligomers such as sexithiophene or pentacene, which are vacuum-deposited onto the substrate.
  • An essential aspect of the present subject matter of the invention is the way in which the insulator layer is built up. It is a networked isolator that is networked and structured using photolithography, i.e. under partial exposure. An insulator material is crosslinked in places with a crosslinker under acid catalysis.
  • Insulator materials suitable in the context of the present invention are, for example, poly-4-hydroxystyrene or hydro- Melamine-formaldehyde resins containing xyl groups.
  • the crosslinker is sensitive to acids and especially hexamethoxymethyl melamine (HMMM).
  • HMMM hexamethoxymethyl melamine
  • the acid catalysis is effected by means of a photoinitiator, for example diphenyliodonium tetrafluoroborate or triphenylsulfonium hexafluoroantimonate, which form an acid under the influence of light.
  • the present invention also relates to a method for producing an organic field effect transistor, in which a flexible substrate is provided in the usual way with a source and drain electrode and a semiconductor, and is characterized in that an insulator is provided on the semiconductor is applied by applying a solution of an isolator material, which contains an acid-sensitive crosslinker and a photo initiator, through a shadow mask, which covers the source and drain electrodes, and then anneals, causing crosslinking at the exposed areas and the gate electrode is applied to the networked and structured insulator.
  • an isolator material which contains an acid-sensitive crosslinker and a photo initiator
  • FIG. 1 shows the structure of a conventional OFET
  • 2 shows the structure of an OFET according to the invention
  • FIG. 3 chemical reactions on which the production of the cross-linked, structured insulator layer is based.
  • a conventional OFET consists of a substrate 1, source or drain electrodes 2 and 2 ', a semiconductor 3, an isolator 4 and the gate electrode 5.
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  • the gate dielectric is therefore produced by photolithography without the use of photoresist.
  • the result is an OFET whose gate electrode can simultaneously be used as a conductor track to the source electrode of the next transistor. Through-contacting between conductor tracks on different levels in organic integrated circuits is made possible.
  • the OFETs according to the invention are outstandingly suitable for applications in the field of organic electronics and in particular in the production of identification stickers (ident tags), electronic watermarks, electronic bar codes, electronic toys, electronic tickets, for use in product or plagiarism protection or the anti-theft protection.

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)

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

Beschreibung
Organischer Feldeffekt-Transistor mit fotostrukturiertem Gate-Dielektrikum, ein Verfahren zu dessen Erzeugung und die Verwendung in der organischen Elektronik.
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 organischen Elektronik.
Feldeffekt-Transistoren spielen auf allen Gebieten der Elektronik eine zentrale Rolle. Um sie an besondere Anwendungszwe- cke anzupassen, war es erforderlich sie leichter und flexibler zu gestalten. Durch die Entwicklung von halbleitenden und leitenden Polymeren wurde die Erzeugung von sogenannten organischen 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 müssen jedoch mehrere organische Schichten übereinander struktu- riert werden, um beispielsweise ein OFET des allgemeinen Aufbaus, 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 beispielsweise beim Aufschleudern, beim Entwickeln und beim Ablösen 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 Po-
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher einen organischen Feldeffekt-Transistor bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, das den Einsatz der Fotolithografie ohne das Angreifen bzw. Anlösen der organischen Schichten in allen Arbeitsschritten zulässt sowie einen Strukturaufbau ermöglicht, 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 organischer 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 strukturiert 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 Fotolithografie, jedoch ohne Verwendung von Fotolack, strukturiert sind. Durch das Strukturieren insbesondere der Isolatorschicht kann die Gate-Elektrode des erfindungsgemäßen organischen Feldeffekt-Transistors gleichzeitig als Leiterbahn zur Source-Elektorde des nächsten Transistors genutzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben 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 verschiedensten Materialien bestehen. Die Art des Materials wird wesentlich durch die Art der bevorzugten Herstellung bestimmt werden. So können beispielsweise Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) durch Fotolithografie auf mit ITO beschichteten Substraten 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 leitfähigen Polymeren durch aufdrucken des leitfähigen Polymeres direkt auf das Substrat erzeugt werden. Leitfähige Polymere sind beispielsweise dotiertes Polyethylen (PEDOT) oder gegebenenfalls 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 olecu- 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 Isolatorschicht. 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 Hydro- xylgruppen enthaltende Melamin-Formaldehyd-Harze. Der Vernetzer ist säureempfindlich und insbesondere Hexamethoxymethyl- melamin (HMMM) . Die saure Katalyse wird mittels eines Fotoinitiators, 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 anschließend tempert, wobei an den belichteten Stellen eine Vernetzung bewirkt wird und auf den so vernetzten und strukturierten Isolator die Gate-Elektrode aufgebracht wird.
Einzelheiten und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen 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 vernetzten, strukturierten Isolatorschicht zugrundeliegen.
Ein herkömmlicher OFET besteht aus einem Substrat 1, Source- bzw. Drain-Elektroden 2 und 2', einem Halbleiter 3, einem I- solator 4 und der Gate-Elektrode 5. Bei dem herkömmlichen 0- ω ω I\3 N3 P>
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Bei dem vorliegenden Verfahren wird also das Gate- Dielektrikum durch Fotolithografie ohne Verwendung von Fotolack 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
5ml 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 Anwendungen im Bereich der organischen Elektronik und insbesondere 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

Patentansprüche
1. Organischer Feldeffekt-Transistor, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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, dadurch gekennzeichnet, das das Substrat dünnstes Glas (Glasfolie) oder eine Kunststofffolie ist.
3. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) Polyethylen- terephthalat oder insbesondere Polyimidfolie ist.
4. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprü- ehe 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 Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter , (3) aus konjugierten Polymeren oder Oligomeren gebildet ist.
6. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (4) aus einem mit einem Vernetzer in Gegenwart eines Fotoinitiators vernetzten Isolatormaterial gebildet ist.
7. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial aus Poly- 4-hydroxystyrol oder aus Hydroxylgruppen enthaltenden Mela in-Formaldehydharzen ausgewählt ist.
8. Organischer Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vernetzer säureempfindlich, insbesondere Hexamethoxy ethylmelamin (HMM) ist.
9. Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotoinita- tor aus Diphenyliodoniumtetrafluoroborat und Triphenyl- sulfoniumhexafluoroantimonat ausgewählt ist.
10.Organischer Feldeffekt-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate- Elektrode aus Polyanilin, anderen leitfähigen Polymeren oder Carbon Black gebildet ist.
11.Verfahren zur Herstellung eines organischen Feldeffekt- Transistors bei dem man in üblicher Weise ein flexibles Substrat (1) mit einer Source- und Drain-Elektrode (2,
2') sowie einem Halbleiter (3) versieht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass man auf dem Halbleiter (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 gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, dass die das Isolatormaterial, den Vernetzer und den Fotoinitiator enthaltende Lösung durch spin- coating oder Rakeln aufgetragen wird.
16.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, 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.
19.Verwendung des organischen Feldeffekttransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der organischen Elektronik.
20.Verwendung des organischen Feldeffekttransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Identifizierungssti- cker (Ident-Tags) , elektronische Wasserzeichen, elektronische Bar-Codes, elektronisches Spielzeug, elektronische Tickets, im Produkt- bzw. Plagiatschutz oder der Anti- Diebstahlsicherung.
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