DE102005017655A1 - Mehrschichtiger Verbundkörper mit elektronischer Funktion - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Verbundkörper mit elektronischer Funktion, insbesondere eine elektronische Baugruppe, die mehrere organische elektronische Bauelemente umfasst. Die Erfindung eröffnet erstmals eine Möglichkeit für einen Aufbau einer gesamten Baugruppe wie ein RFID-Tag, wobei der gesamte Tag mit allen Bauelementen in einem Herstellungsprozess realisierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Verbundkörper mit elektronischer Funktion, insbesondere eine elektronische Baugruppe, welche mehrere organische elektronische Bauelemente umfasst.
  • Bekannt sind elektronische Bauelemente, beispielsweise aus der WO 02/15264. In der Regel wird ein elektronisches Bauelement durch aufeinander folgendes Aufbringen der diversen funktionellen Schichten (leitende, halbleitende, isolierende und wiederum leitende Schicht) auf einem Substrat hergestellt. Mehrere elektronische Bauelemente können auf einer Platine kombiniert werden, wie beispielsweise in der DE 101 51 440 C1 beschrieben.
  • Nachteilig an den derzeit verwendeten Baugruppen ist, dass für eine komplexere Baugruppe eine Vielzahl einzelner Komponenten einzeln und nacheinander hergestellt, elektrisch leitend verbunden und angeordnet werden müssen. Dazu sind verschiedene kostspielige Arbeits- und Prozessschritte nötig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau für eine Baugruppe zur Verfügung zu stellen, der einfach, massenfertigungstauglich und kostengünstig realisierbar ist und in dem eine Vielzahl essentieller elektronischer Bauelemente, also aktive und passive Komponenten gleichermaßen, wie ein Transistor, Feld-Effekt-Transistor, elektrischer Durchkontakt, Widerstand, Leiterbahnwiderstand, Spule, Kondensator, Gleichrichter oder ähnliches beliebig und insbesondere mit einer Diode kombinierbar sind.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein mehrschichtiger Verbundkörper, zumindest zwei unterschiedliche elektronische Bauelemente umfassend, denen zumindest zwei, jeweils in einem Arbeitsgang aufgebrachte Schichten, die homogen oder strukturiert sein können, gemeinsam sind.
  • Beispielsweise ist eine der Schichten, die den Bauelementen des Verbundkörpers nach der Erfindung gemeinsam ist, eine homogene oder strukturierte halbleitende und/oder eine andere, beispielsweise auch eine, unter Umständen wegen ihrer hohen Viskosität bei der Aufbringung nicht strukturierte, Schicht.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden alle Bauelemente des Verbundkörpers, also verschiedene Bauelemente und eine beliebige Anzahl davon, gleichzeitig und auf dem gleichen Substrat, beispielsweise in einem kontinuierlich ablaufenden Prozess, hergestellt. Dadurch kommt es vor, dass einige Bauelemente Schichten umfassen, die in dem Bauelement keine Funktionalität besitzen.
  • Ebenfalls bevorzugt ist eine der zumindest zwei, aber grundsätzlich auch fünf oder mehr Schichten, die den Bauelementen des Verbundkörpers gemeinsam ist, die Trägerschicht, also das allen Bauelementen gemeinsame Substrat.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Bauelemente eines mehrschichtigen Verbundkörpers aus zusammenhängenden Schichten aufgebaut, wobei einige der Schichten strukturiert und wieder andere durchgehend homogene Schichten sind. Diese Schichten werden für alle, in dem Verbundkörper vorhandenen, Bauelemente gleichzeitig hergestellt und gegebenenfalls passend für das jeweilige Bauelement strukturiert.
  • Mit dem mehrschichtigen Verbundkörper werden bevorzugt Baugruppen realisiert, in denen zumindest eine Diode und ein weiteres unterschiedliches Bauelement enthaften sind.
  • Beispielsweise wird als mehrschichtiger Verbundkörper ein einfacher Gleichrichter realisiert, wobei zumindest zwei unterschiedliche Bauelemente, eine Diode und eine Kapazität im Verbundkörper vorhanden sind.
  • Auch ein komplexer Gleichrichter kann in dem mehrschichtigen Verbundkörper realisiert sein, wenn mindestens drei unterschiedliche Bauelemente, zumindest zwei Dioden, eine Kapazität und Durchkontakt in der Baugruppe, die den Verbundkörper bildet, enthalten sind.
  • Zum Aufbau eines einfachen Gleichrichters mit Modulator hat der mehrschichtige Verbundkörper beispielsweise mindestens drei verschiedene Bauelemente, eine Diode, eine Kapazität und einen Transistor.
  • Schließlich kommen zum Aufbau eines Transponders bei dem mehrschichtigen Verbundkörper mindestens vier unterschiedliche Bauelemente vor, eine Diode, eine Kapazität, ein Transistor und ein oder mehrere Durchkontakte.
  • Der mehrschichtige Verbundkörper kann grundsätzlich alle möglichen Bauelemente wie Transistor, Feld-Effekt-Transistor, elektrischer Durchkontakt, Widerstand, Leiterbahnwiderstand, Spule, Kondensator, Gleichrichter oder ähnliches beliebig oft und insbesondere mit einer oder mehreren Diode(n) kombinierbar enthalten.
  • Bevorzugt hat der mehrschichtige Verbundkörper bei den beiden leitenden Schichten zwei – hinsichtlich ihrer Austrittsarbeit – verschiedene Materialien. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die leitende Schicht, die in Kontakt mit der halbleitenden Schicht ist, aus Silber ist und das Material der Gegenelektrode dann ein Material mit verschiedener Austrittsarbeit, insbesondere ein unedleres Material wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Chrom, Cobalt oder ähnliches ist.
  • Bei der Herstellung der Baugruppe ist es besonders bevorzugt, dass alle Bauelemente durch vier strukturierte Schichten und deren gut durchdachte Überlagerung in einem Herstellungsprozess herzustellen sind.
  • Der typische Aufbau, von unten nach oben gesehen, ist dabei die Abfolge Substrat, leitfähige Schicht, halbleitende Schicht, isolierende Schicht und obere, leitfähige Schicht. Eine „bottom-up" Schichtabfolge ist auch denkbar und vom Erfindungsgedanken mit umfasst.
  • Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die beiden leitfähigen Schichten des Verbundkörpers aus verschiedenen Materialien, die insbesondere unterschiedliche Austrittsarbeit oder unterschiedliches Fermi – Niveau haben, gemacht sind. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung metallischer Schichten aus zwei ungleichen Metallen und/oder Legierungen, realisiert. Insbesondere bevorzugt ist dabei die Verwendung von Silber als an die halbleitende Schicht angrenzende Elektrode, insbesondere als leitfähige Schicht in Kontakt mit der Halbleiterschicht und einem anderen Metall/einer anderen Legierung mit einer von Silber verschiedenen Austrittsarbeit als Gegenelektrode.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von 4 Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung schematisch wiedergeben, näher erläutert.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine voll integrierte druckbare Elektronik, wie sie z.B. für eine vollständige Transponderschaltung benötigt wird.
  • 2 zeigt noch einmal alle Bauelemente, die auch in 1 zu sehen sind, allerdings wird hier die halbleitende Schicht an der Stelle der Diode nicht bis auf das Niveau der oberen Elektrode der anderen Bauelemente gezogen, sondern die obere Elektrode der Diode ist hier tiefer gelegt.
  • 3 zeigt einen Aufbau zur Spannungsversorgung, hier werden die Bauelemente Diode, Kondensator und Durchkontakt gleichzeitig auf einem Substrat erzeugt.
  • 4 schließlich zeigt einen Verbundkörper, der einen elektrischen Durchkontakt, einen Transistor und einen Widerstand und/oder eine Spule vereint.
  • In 1 ist unten das Substrat 1 zu erkennen. Als Substrat können alle isolierenden Materialien mit einer glatten Oberfläche eingesetzt werden, es können flexible und starre Materialien gleichermaßen zum Einsatz kommen. Beispielsweise werden flexible Folien wie PET-Folie oder andere Polymer-Plastik-Folien, Glas, Quarz, Keramik oder anderes an der Stelle eingesetzt.
  • Die auf das Substrat 1 folgende Schicht 2 ist die erste leitfähige Schicht oder die untere Elektrode 2, die strukturiert aufgebracht wird. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung werden hier die Source und Drain Elektroden produziert, die durch die folgende Halbleiterschicht abgedeckt werden. Für die leitfähige Schicht 2 können nur leitfähige Materialien eingesetzt werden, wobei unwesentlich ist, ob es sich dabei um organische oder anorganische oder um ein Verbundmaterial handelt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird als Material für die leitende Schicht, die in Kontakt mit der halbleitenden Schicht ist, ein Metall oder eine Legierung mit einer Austrittsarbeit, die im Bereich von 4.6-5.2 eV, bevorzugt bei 4.9 eV liegt. Besonders bevorzugt wird an der Stelle Silber mit einer Austrittsarbeit von 4,9 eV eingesetzt. Bei der Wahl des Materials wird bevorzugt darauf geachtet, dass die Austrittsarbeit an das Fermi-Niveau des Halbleiters so angeglichen ist, dass der Unterschied zum Fermi – Niveau des Halbleiters bevorzugt 0,3 eV oder weniger beträgt. Dann ist gewährleistet, dass die Ladungsträger problemlos vom halbleitenden Material in das leitende übergehen.
  • Auf die erste und untere Elektrodenschicht folgt die halbleitende Schicht 3, die wegen ihrer Viskosität unter Umständen unstrukturiert aufgebracht wird. Als Materialien für die halbleitende Schicht werden bevorzugt organische Materialien wie P3AT,P3DHTT, regioregulare – Polyalkylthiophenere, Polyfluoren – Derivate, PPVs, allgemein und/oder andere Polymere, beispielsweise mit konjugierter Hauptkette oder einem frei beweglichen Elektronenpaar in der Hauptkette, eingesetzt. Die halbleitende Schicht 3 kann auch beispielsweise durch Drucken strukturiert aufgebracht werden.
  • Darauf folgt bei den meisten elektronischen Bauelementen eine isolierende Schicht 4, die nur insoweit strukturiert aufgebracht werden muss, als an der/den Stellen auf dem Substrat, an denen Dioden oder Durchkontakte hergestellt werden, eine dielektrische oder isolierende Schicht ausgespart bleiben sollte, weil sie störend wirken würde. Die isolierende Schicht 4 ist beispielsweise aus löslichem druckbarem Material. Als Materialien für die isolierende Schicht werden bevorzugt organische, lösliche Materialien wie z.B. Polystyrol-Derivate, PMMA oder allgemein isolierende Polymere eingesetzt.
  • Als Abschluss der essentiellen Teile der elektronischen Bauelemente folgt auf die strukturierte isolierende Schicht 4 eine obere leitende Schicht 5, die wiederum bevorzugt strukturiert ist. Dabei werden leitende organische und anorganische Materialien und/oder Verbundmaterialien eingesetzt. Insbesondere bevorzugt werden Metalle eingesetzt, deren Austrittsarbeit von der des Materials der unteren leitenden Schicht (Gegenelektrode) verschieden ist. Nach einer Ausführungsform werden dabei Materialien eingesetzt, deren Austrittsarbeit im Bereich von 3 bis 5 eV, insbesondere von 3.0 eV bis 4,6 eV oder darüber liegen, beispielsweise kommt hier Kupfer, Nickel, Chrom, Cobalt, Mangan etc. erfolgreich zum Einsatz.
  • Auf dem Substrat 1 der 1 sind nun, von links nach rechts gehend, folgende Bauelemente realisiert: ein elektrischer Durchkontakt oder Vias a, im Anschluss daran und z.B. verbunden damit über die obere leitende Schicht 5 befindet sich ein Transistor b mit den Source/Drain Elektroden in der unteren leitenden Schicht 2. Neben dem Transistor b ist eine Diode c angeordnet, bei der die halbleitende Schicht 3 bis auf das Niveau der Gegenelektrode 5 hochgezogen ist, damit keine Strom/Spannungsverluste entstehen. Rechts von der Diode c ist ein Kondensator d zu erkennen und wiederum rechts davon, also ganz rechts außen, befindet sich ein Widerstand oder eine Spule e.
  • In 2 sind noch einmal alle Bauelemente und alle Schichten, die auch in 1 zu sehen sind, gezeigt, allerdings wird hier die halbleitende Schicht 3 an der Stelle der Diode c nicht bis auf das Niveau der oberen Elektrode 5 der anderen Bauelemente elektrischer Durchkontakt a, Transistor b, Kondensator d und Widerstand e gezogen, sondern die obere Elektrode 5 der Diode c ist hier tiefer, auf das Niveau der isolierenden Schicht 4, gelegt.
  • In 3 sind alle essentiellen Bauelemente, die zur Spannungsversorgung für einen Gleichrichter erforderlich sind, zusammen auf einem Substrat und, falls alle Schichten in allen Bauelementen gemeinsam sind, gleichzeitig herstellbar, realisiert. Die Schichtabfolge entspricht der aus 1, wobei auch die gleichen oder andere entsprechende Materialien eingesetzt werden können. So ist die Schicht 1 das Substrat, die Schicht 2, strukturiert eine leitfähige Schicht und 3 die Halbleiterschicht, 4 die isolierende Schicht und 5 die Gegenelektrode, die wiederum strukturiert ist.
  • Die Abfolge der Bauelemente ist dabei wie folgt vorgesehen: Ganz links außen ist der Durchkontakt 1, daneben die Diode c und im Anschluss an die Diode c der Kondensator d. Durch den hier gezeigten Verbundkörper kann beispielsweise die von einer Antenne stammende Wechselspannung gleichgerichtet werden. Der Halbleiter ist im Diodenbereich c etwas dicker aufgetragen, das kann beispielsweise über einen bei einer gleichzeitigen Herstellung der Bauelemente durch einen Dekordruck erreicht werden.
  • 4 zeigt einen mehrschichtigen Verbundkörper, der einen elektrischen Durchkontakt, einen Transistor und einen Widerstand oder eine Spule vereint. Mit diesem Schichtaufbau und dieser Anordnung der Bauelemente elektrischer Durchkontakt a, Transistor b, und Widerstand oder Spule e können zumindest PFETs (Polymer-Field-Effect-Transistor), Inverter, Ringoszillatoren, Flip-Flops, Frequenzteiler und/oder Zähler aufgebaut werden.
  • Der Schichtaufbau entspricht wieder dem aus den anderen Figuren bekannten. Obwohl hier keine Diode realisiert ist, kann das leitfähige Material der oberen Elektrode 5 und der unteren Elektrode 2 durchaus verschieden, insbesondere hinsichtlich seiner Austrittsarbeit, sein.
  • Als oberste Schicht oder Abschluss empfiehlt sich wegen der Empfindlichkeit des Device und/oder der Materialien immer noch eine Verkapselung und/oder Versiegelung der Bauelemente, die die verschiedensten Materialien und/oder Laminate umfassen kann. Die Verkapselung/Versiegelung kann aus einem starren oder flexiblen Material sein.
  • Über diesen Aufbau können nebeneinander und/oder hintereinander auf einem Substrat durch durchgehend flächig aufgetragene und/oder strukturierte Schichten die essentiellen Bestandteile elektronischer Geräte hergestellt werden, wie Transistor, Feld-Effekt-Transistor, elektrischer Durchkontakt, Widerstand, Leiterbahnwiderstand, Induktivität, Diode, Kondensator und Gleichrichter realisiert sind.
  • Durch die kostengünstige und massenfertigungstaugliche Herstellung bevorzugt sämtlicher Bauelemente der Baugruppe gleichzeitig und in einem kontinuierlichen Verfahren können in einzelnen Bauelementen Schichten enthalten sein, die dort speziell keine Funktion haben, beispielsweise kann in einem Feld-Effekt Transistor und/oder in einem Kondensator die Gate Elektrode eine von der Source/Drain-Elektrode unterschiedlichen Austrittsarbeit haben, wobei der Unterschied der Austrittsarbeit hier keine Funktionalität hat.
  • In dem Kondensator und den Leiterbahnwiderständen, ebenfalls im Durchkontakt ist beispielsweise ein Halbleiter vorhanden, der an der Stelle überflüssig und nicht funktional ist.
  • Über den in den Figuren gezeigten Aufbau können nebeneinander und/oder hintereinander auf einem Substrat durch durchgehend flächig aufgetragene und/oder strukturierte Schichten die essentiellen Bestandteile komplexer elektronischer Geräte hergestellt werden, wie Feld-Effekt-Transistor, elektrischer Durchkontakt, Widerstand, Leiterbahnwiderstand, Spule, Diode, Kondensator und Gleichrichter.
  • Die Erfindung eröffnet erstmals eine Möglichkeit für einen Aufbau einer gesamten Baugruppe wie ein RFID-Tag, wobei der gesamte Tag mit allen Bauelementen in einem Herstellungsprozess realisierbar ist. Dadurch wird erstmals eine kostengünstige und massenfertigungstaugliche Herstellungsmethode beschrieben.

Claims (18)

  1. Mehrschichtiger Verbundkörper, zumindest zwei unterschiedliche elektronische organische Bauelemente umfassend, denen zumindest zwei, jeweils in einem Arbeitsgang aufgebrachte Schichten, die homogen oder strukturiert sein können, gemeinsam sind.
  2. Mehrschichtiger Verbundkörper nach Anspruch 1, bei dem die zumindest zwei gemeinsamen Schichten zwei Elektrodenschichten aus zwei – hinsichtlich ihrer Austrittsarbeit – verschiedenen Materialien umfassen.
  3. Mehrschichtiger Verbundkörper nach Anspruch 2, wobei die edlere Elektrodenschicht im Wesentlichen aus Silber ist.
  4. Mehrschichtiger Verbundkörper nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die unedlere Elektrodenschicht im Wesentlichen aus Kupfer ist.
  5. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die zwei Elektrodenschichten eine Elektrode und eine Gegenelektrode bilden.
  6. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der zumindest zwei gemeinsamen Schichten in zumindest einem der zumindest zwei unterschiedlichen elektronischen organischen Bauelemente in dem Bauelement selbst keine Funktionalität besitzt.
  7. Mehrschichtiger Verbundkörper nach Anspruch 6, bei dem eine durchgehende, den unterschiedlichen Bauelementen gemeinsame Schicht enthalten ist, die in einigen Bauelementen essentiell ist und in anderen keine Funktionalität hat.
  8. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eines der zumindest zwei unterschiedlichen Bauelemente eine Diode ist.
  9. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 8, wobei eines der zumindest zwei unterschiedlichen Bauelemente ein Kondensator ist.
  10. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der Ansprüche 8 oder 9, in dem zumindest zwei Dioden und ein Kondensator realisiert sind.
  11. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem zumindest drei unterschiedliche Bauelemente realisiert sind, eine Diode, ein Kondensator und ein Transistor.
  12. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem zumindest vier unterschiedliche Bauelemente wie eine Diode, ein Kondensator, ein Transistor und ein Durchkontakt realisiert sind.
  13. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem zumindest eines der elektronischen Bauelemente, ausgewählt aus der Gruppe folgende Bauelemente umfassend: Transistor, Feld-Effekt-Transistor, elektrischer Durchkontakt, Widerstand, Leiterbahnwiderstand, Spule, Kondensator und/oder Gleichrichter zusammen mit einer Diode realisiert sind.
  14. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der, zumindest zwei Bauelementen gemeinsamen, Schichten in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren herstellbar ist.
  15. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der, zumindest zwei Bauelementen gemeinsamen, Schichten drucktechnisch herstellbar ist.
  16. Mehrschichtiger Verbundkörper, bei dem auf einem Substrat mehrere Bauelemente realisiert sind, wobei zumindest ein Bauelement enthalten ist, das zumindest eine Schicht hat, die in dem Bauelement selbst keine Funktionalität besitzt.
  17. Mehrschichtiger Verbundkörper nach Anspruch 16, bei dem eine durchgehende, den unterschiedlichen Bauelementen gemeinsame Schicht enthalten ist, die in einigen Bauelementen essentiell ist und in anderen keine Funktionalität hat.
  18. Mehrschichtiger Verbundkörper nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei eine Halbleiterschicht mehreren Bauelementen gemeinsam ist und dabei auch in einem Kondensator enthalten ist, in dem sie keine Funktionalität hat.
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