DE10061297A1 - Organischer Feld-Effekt-Transistor, Verfahren zur Sturkturierung eines OFETs und integrierte Schaltung - Google Patents

Organischer Feld-Effekt-Transistor, Verfahren zur Sturkturierung 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 Imprinting Vertiefungen erzeugt wurden, erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Organischen Feld-Effekt-Transi­ stor, 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 Herstellungskosten 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, führt zu einer deutlichen Leistungssen­ kung der erhaltenen OFETs, darauf wird aber trotzdem aus Kos­ tengründen verzichtet. Die strukturierte Schicht kann mit an­ deren bekannten Verfahren (wie z. B. Drucken) nur so struktu­ riert werden, dass die Länge 1, die den Abstand zwischen Source und Drain Elektrode bezeichnet und damit ein Maß für die Leistungsdichte des OFETs darstellt zumindest 30 bis 50 µm beträgt. Angestrebt werden aber Längen 1 von unter 10 µm, so dass außer der aufwendigen Lithographie-Methode mo­ mentan keine Strukturierungsmethode sinnvoll erscheint.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein kostengünstiges und mas­ senfertigungstaugliches Verfahren zur Strukturierung von OFETs 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- Transistor (OFET), zumindest folgende Schichten auf einem Substrat umfassend:
  • - eine organische Halbleiterschicht zwischen und über zu­ mindest einer Source- und zumindest einer Drain-Elek­ trode, 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 Er­ findung ein Verfahren zur Strukturierung eines OFETs durch Rakeln von zumindest einem Funktionspolymer in eine Negativ- Form. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine inte­ grierte Schaltung, die zumindest einen OFET, der zumindest eine strukturierte Leiterschicht und eine weitere struktu­ rierte 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 Elektrode eines OFETs oder eine Halbleiter- oder eine Isola­ torschicht bildet, durch Rakeln eingefüllt wird.
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, aufge­ bracht. Diese Formschicht ist nicht das Funktionspolymer (also halbleitende, leitende oder isolierende Schicht), sondern ein anderes organisches Material, das als Form oder Klischee für die leitende organische Elektroden­ schicht dient. Dieses andere organische Material sollte isolierende Eigenschaften haben.
  • b) die Formschicht erhält durch Imprinting (Eindrücken eines Stempelabdrucks mit nachfolgender Aushärtung durch Belich­ ten) 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 die Imprintmethode, die eine auf dem Gebiet der elektroni­ schen und mikroelektronischen Bauteile ausgereifte Technik darstellt, auf dem Substrat oder einer unteren Schicht er­ zeugt werden. Das Material der Negativ-Form kann ein UV- härtender Lack sein, der nach Imprinting und Belichten Ver­ tiefungen besitzt.
Dafür geeigneten Lacke sind kommerziell erhältlich und die Methode sie durch Imprinting zu strukturieren, ist literatur­ bekannt. Allgemein wird bei dem Imprinting auf das ungehärte­ te Formpolymer, das als Schicht auf dem Substrat oder einer unteren Schicht aufgebracht ist, ein Stempel so eingedrückt, dass Vertiefungen in der Art, wie die Strukturierung erfolgen soll, entstehen. Die mit Vertiefungen versehene Schicht wird dann entweder thermisch oder durch Bestrahlung gehärtet, wo­ durch die feste Formschicht entsteht, in die das Funktionspo­ lymer eingerakelt werden kann.
Der Vorteil der Rakel-Methode besteht darin, dass die schwie­ rige Strukturierung von Funktionspolymeren durch die einge­ fahrene und bewährte Imprintmethode vorbereitet wird. Dadurch kann auf einen reichen technischen Hintergrund zurückgegrif­ fen werden und es können extrem feine Strukturen erzielt wer­ den. Die Rakel-Methode ist zudem nicht materialspezifisch. Mit der Rakelmethode kann vielmehr Polyanilin, aber auch je­ des andere leitfähige organisches Material, wie z. B. Polypyr­ rol, zur Herstellung von Elektroden eingesetzt werden. Ebenso kann damit jedes andere organische Material wie z. B. Polythi­ ophen als Halbleiter und/oder Polyvinylphenol als Isolator eingerakelt und somit strukturiert werden, also der gesamte OFET.
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 Negativ-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. Wenn Polyanilin beispielswei­ se gedruckt werden soll und nicht eingerakelt, so muss seine Viskosität auf einen der Druckmethode angepassten Wert einge­ stellt werden. Das bedeutet meistens Einbusse der Leitfähig­ keit. Für das Rakeln ist die Viskositätsspanne ungleich grö­ ßer als für das Drucken, so dass in aller Regel keine Visko­ sitätsänderungen 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 Polymerelektroden 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.
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 Leiter. 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. 1.1. zeigt das Substrat oder eine untere Schicht 1 auf die die Formschicht der Negativ-Form 2, beispielsweise aus einem Formpolymer wie einem UV-härtbaren Lack, z. B. vollflä­ chig aufgebracht ist. Die Formschicht 2 wird mit einem Präge­ stempel 4, wie in Fig. 1.2. gezeigt, mit Vertiefungen verse­ hen, also es werden in die Formschicht 2 Vertiefungen mit dem Stempel 4, der beispielsweise aus Siliziumdioxid(SiO2) sein kann, eingeprägt. Während der Stempel 4 die Vertiefungen 12 einprägt wird die Formschicht 2 mit UV-Licht bestrahlt, wo­ durch das Formpolymer 2 unter permantenter Ausbildung der Vertiefungen 12 aushärtet. Dadurch entstehen die Vertiefungen 12 in der Formschicht 2, wie sie in Fig. 1.3. gezeigt sind. Der Stempel 4 wird nach beendigter Prägung aus der Form­ schicht 2 herausgezogen. In die Vertiefungen 12 wird das Funktionspolymer 8 (z. B. Polyanilin) mit einem Rakel 9 hin­ eingerakelt (Fig. 1.4.). In Fig. 1.5. erkennt man, wie im fertigen OFET das Funktionspolymer 8 die Vertiefungen 12 der Formschicht 2 ausfüllt.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Verfahrens im kontinuierlichen Prozess oder kontinuierlichen Rollendruck. Zu sehen ist das Band aus Substrat oder unterer Schicht 1 mit dem Formpolymer 2, das ein UV-härtbarer, aber auch ein ther­ misch härtbarer Lack sein kann. Dieses Band wird nun von links nach rechts, wie durch den Pfeil 13 angedeutet, entlang mehrerer Andruckrollen 10 verschiedenen Arbeitsschritten un­ terworfen. Zunächst passiert es das Schattenblech 3, mit dem das noch nicht gehärtete Formpolymer 2 gegen Bestrahlung ge­ schützt wird. Danach werden in das Formpolymer 2 mit Hilfe der Stempelrolle 4 Vertiefungen eingeprägt, die mit der in der Stempelrolle 4 integrierten UV-Lampe 5 gleich angehärtet werden. Die von 5 ausgehende Pfeilrichtung zeigt die Richtung des Lichtkegels, der von 5 ausgestrahlt wird, an. Das mit Vertiefungen 12 in der Formschicht 2 versehene Band zieht dann unter einer UV-Lampe oder Heizung 6 zur Nachhärtung vor­ bei, so dass ein strukturierter Lack 7 entsteht. In den strukturierten Lack 7 mit den Vertiefungen 12 wird dann mit dem Rakel 9 das Funktionspolymer 8 eingerakelt, so dass die fertige Struktur 11 entsteht.

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-Elek­ trode, 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.
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 hin­ eingerakelt.
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 Imprinting erzeugt wer­ den.
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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