DE69532794T2 - Verfahren zur Herstellung eines organischen Dünnfilmtransistors und nach diesem Verfahren hergestellter Artikel - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft Dünnfilmtransistoren (Thin Fim Transistors-TFTs), welche eine organische aktive Schicht umfassen, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Transistoren.
- Hintergrund der Erfindung
- Dünnfilmtransistoren (TFTs) sind bekannt und von beachtlicher kommerzieller Bedeutung. Zum Beispiel werden TFTs auf Basis amorphen Siliciums in einem großen Teil aktiver Matrix-Flüssigkristallanzeigen verwendet.
- TFTs mit einer organischen aktiven Schicht sind ebenfalls bekannt, siehe beispielsweise F. Garnier et al., Science, Band 265, S. 1684-1686; H. Koezuka et al., Applied Physics Letters, Band 62 (15), S. 1794-1796; H. Fuchigami et al., Applied Physics Letters, Band 63 (10), S. 1372-1374; G. Horowitz et al., J. Applied Physics, Band 70 (1), S. 469-475 und G. Horowitz et al., Synthetic Metals, Band 41-43, S. 1127-1130. Diese Bauelemente sind typischerweise Feldeffekt-Transistoren (FETs). Solche Bauelemente weisen potentiell erhebliche Vorteile gegenüber konventionellen TFTs auf, einschließlich eines potentiell einfacheren (und folglich billigeren) Herstellungsprozesses, die Möglichkeit von Niedertemperaturbearbeitung sowie der Kompatibilität mit Nichtglas-Substraten (z. B. Kunststoff). Bipolare Transistoren, welche organisches Material sowohl vom p-Typ als auch vom n-Typ nutzen, sind ebenfalls bekannt, siehe beispielsweise das US-Patent 5 315 129. S. Miyauchi et al., Synthetic Metals, 41-43 (1991), S. 1155-1158, offenbaren einen Sperrschicht-FET, der eine p-Typ- Polythiophen Schicht auf n-Typ-Silicium umfasst.
- Jedoch haben, trotz beachtlicher Anstrengung in Forschung und Entwicklung, die „organischen" TFTs die Kommerzialisierung noch nicht erreicht, zumindest teilweise aufgrund der relativ schlechten Bauelementeigenschaften der organischen TFTs nach Stand der Technik.
- Eine wichtige Bauelementeigenschaft eines Schalttransistors ist das An/Aus-Verhältnis des Source/Drain-Stroms. Organische TFTs nach Stand der Technik haben typischerweise relativ niedrige An/Aus-Verhältnisse. Zum Beispiel haben H. Fuchigami et al. (op. cit) kürzlich von einem Bauelement mit einer Trägermobilität, vergleichbar mit der amorphen Siliciums, berichtet, welches jedoch ein An/Aus-Verhältnis von nur etwa 20 aufwies. Dieser Artikel offenbart auch die Reinigung halbleitenden Materials (PTV) zur Verringerung der Trägerstreuung durch Unreinheiten. Das Material hatte eine Leitfähigkeit im Bereich von 10–5 – 10–6 S/cm.
- H. Koezuka et al. (op. cit.) berichten von der Erreichung eines An/Aus-Verhältnisses (Modulationsverhältnis) des Kanalstroms von etwa 105 in einem Bauelement, welches mit dotiertem Polypyrol (ein hochleitendes Polymer) beschichtete Source- und Drainkontakte aufweist. Gemäß dieser Autoren ist dies das höchste An/Aus-Verhältnis, welches in organischen FETs erzielt wurde.
- Nichtsdestotrotz ist das berichtete An/Aus-Verhältnis noch immer wesentlich kleiner als die An/Aus-Verhältnisse, die typischerweise in konventionellen FETs verfügbar sind, und für viele potentielle Anwendungen organischer TFTs gefordert werden. Weiterhin hatte der organische TFT eine sehr geringe Trägermobilität (2×10–4 cm2/V s) und wäre daher für Hochgeschwindigkeitsbetrieb nicht geeignet gewesen.
- In Anbetracht der potentiellen Bedeutung organischer TFTs wäre es wünschenswert, solche Bauelemente mit verbesserten Eigenschaften, einschließlich eines verbesserten An/Aus-Verhältnisses des Source/Drainstroms, zur Verfügung zu haben. Diese Anmeldung offenbart solche Bauelemente sowie ein Verfahren zur Herstellung der Bauelemente.
- Definitionen und Glossar
- Hierin ist ein „organischer Halbleiter" ein Material, welches eine wesentliche Menge Kohlenstoff in Kombination mit anderen Elementen enthält, oder welches ein Allotrop elementaren Kohlenstoffs (mit Ausnahme von Diamant) umfaßt, und welches eine Ladungsträgermobilität von mindestens 10–3 cm2/Vs bei Raumtemperatur (20°C) zeigt. Organische Halbleiter von Interesse für TFTs haben typischerweise eine Leitfähigkeit von weniger als etwa 1 S/cm bei 20°C.
- Hierin ist ein organischer Halbleiter vom „p-Typ" („n-Typ") ein organischer Halbleiter, in welchem die Fermi-Energie näher (entfernter von) an der Energie des höchsten besetzten Orbitals der in dem Material vorhandenen Moleküle oder Aggregate liegt, als zu (von) der Energie des niedrigsten, unbesetzten Orbitals. Der Begriff soll hierin auch einen organischen Halbleiter bezeichnen, der positive Ladungsträger effizienter (weniger effizient) transportiert als negative Träger. Positive (negative) Ladungsträger werden allgemein als „Löcher" („Elektronen") bezeichnet.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Gegenstand gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 bereitgestellt.
- In einem breiten Aspekt wird die Erfindung in einem Gegenstand verkörpert, welcher einen neuen organischen TFT umfaßt, welcher wesentlich verbesserte Eigenschaften haben kann (z. B. An/Aus-Verhältnis), verglichen mit TFTs nach Stand der Technik. Ein Verfahren zur Herstellung des Gegenstands wird ebenfalls offenbart.
- Genau gesagt umfaßt der organische TFT eine Schicht aus organischem Material, räumlich voneinander getrennt erste und zweite Kontaktmittel (z. B. Goldelektroden) in Kontakt mit der Schicht, und dritte Kontaktmittel, welche von jedem, dem ersten und zweiten Kontaktmittel räumlich getrennt sind, und welche angepasst sind, mittels einer an die dritten Kontaktmittel angelegten Spannung einen Strom zwischen den ersten und zweiten Kontaktmitteln durch die Schicht zu regulieren. Im wesentlichen wird das organische Material der Schicht ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus α-Quaterthienylen (α-4T), α-Hexathienylen (α-6T), α-Octathienylen (α-8T), α-Pentathienylen (α-5T), α-Heptathienylen (α-7T) und α-Nonathienylen (α-9T), jedes mit oder ohne Substituenten am 4- oder 5-Kohlenstoff auf den endständigen Ringen (diese Verbindungen werden zusammengefaßt als „ α- nT" bezeichnet werden, wobei n eine ganze Zahl von 4 bis 9 ist), wobei diese Schicht aus organischem Material eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens 5×10–8 S/cm (vorzugsweise weniger als 1×10–8 S/cm) bei 20°C hat, entweder im Zustand wie beschichtet oder folgend auf schnelles thermales Tempern. In derzeit bevorzugten Ausführungsformen ist die Schicht aus organischem Material ein α-6T oder α-8T, wobei α-6T am meisten bevorzugt wird.
- Wir haben die überraschende Beobachtung gemacht, dass beispielsweise α-6T, hergestellt und in einer Weise abgeschieden werden kann, die zu einer Schicht extrem geringer Leitfähigkeit fährt, und das ein TFT, der eine solche aktive Schicht geringer Leitfähigkeit umfaßt, erheblich verbesserte Eigenschaften haben kann, einschließlich eines wesentlich verbesserten Source/Drain-Strom An/Aus-Verhältnisses.
- Tatsächlich können TFTs, die das neue aktive Schichtmaterial besitzen, ein An/Aus-Verhältnis haben, vergleichbar mit jenem der neuen (2-Schicht) TFTs, beschrieben in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung der gleichen Erfinder mit dem Titel „Article Comprising an Organic Thin Film Transistor". Somit werden TFTs gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise, aber nicht notwendigeweise eine einzelne organische Schicht, die aktive Schicht, umfassen (jedoch nicht ausschließend das Vorhandensein einer beispielsweise schützenden Schicht über der aktiven Schicht).
- In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese in einem Verfahren zur Herstellung eines TFT, der eine aktive α-mT (m=4, 6 oder 8) Schicht umfaßt, verkörpert. Das Verfahren umfäßt die Bereitstellung einer Quantität α-mT, und die Ablagerung einer Schicht des α-mT auf einem Substrat. Das α-mT wird mittels eines Verfahrens hergestellt, das die Bereitstellung von α-(m/2) Thienyl, deprotoniert in der 5-Position, in einem organischen Lösungsmittel umfaßt. Wesentlich ist, dass das Verfahren der Herstellung des α-mT weiterhin das Kontaktieren des α-(m/2)-Thienyl im organischen Lösungsmittel mit einem nicht halogenierenden Oxidationsmittel umfaßt, so daß eine α-mT enthaltende Mischung gebildet wird, und Isolation des α-mT aus der Mischung. Wie später im Detail beschrieben wird, umfaßt der „Isolationsschritt" eine Vielzahl von Unterschritten.
- Obwohl sich die nachfolgende Diskussion hauptsächlich auf α-6T bezieht, glauben wir derzeit, das viele; wenn nicht sogar alle Mitglieder der vorangehend definierten α-nT-Gruppe ebenfalls so synthetisiert/behandelt werden können, dass sie das spezifizierte Leitfähigkeitserfordernis erfüllen. Ein Verfahren nach Stand der Technik zur Herstellung von Verbindungen wie α-6T ist in Chemical Abstracts, Band 114, S. 22, item 186387g (1991) offenbart.
- Wie nachfolgend ausführlich besprochen wird, unterscheidet sich das α-6T gemäß der Erfindung von α-6T nach Stand der Technik nicht nur in Betracht der Ladungsträgerkonzentration, sondern typischerweise auch in Betracht solcher charakterisierender Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Beugungsbild der Röntgenstrahldiffraktion und Elementaranalyse. Ähnliche Unterschiede werden erwartet bei α-4T sowie α-8T und tatsächlich bei allen α-nT. Diese Unterschiede unterstützen die Schlußfolgerung, dass die Materialien der aktiven Schicht gemäß der Erfindung im wesentlichen neue Materialien sind, die sich qualitativ von analogen Materialien nach Stand der Technik unterscheiden. Jedoch werden wir uns auf die Materialien gemäß der Erfindung mit den chemischen Namen beziehen, die normalerweise verwendet worden sind, um die analogen Materialien nach Stand der Technik zu bezeichnen.
- Exemplarisch hat eine TFT gemäß der Erfindung mit einer α-6T aktiven Schicht im Zustand nach Abscheidung ein An/Aus-Verhältnis von mehr als 106 bei 20°C gezeigt, wesentlich höher (z. B. um einen Faktor 102) als die Verhältnisse, die typischerweise von organischen TFTs nach Stand der Technik gezeigt werden. Die aktive Schicht des exemplarischen TFTs gemäß der Erfindung war nur leicht vom p-Typ bei 20°C.
- Kurze Beschreibung der Figuren
- Die
1 zeigt schematisch einen exemplarischen TFT nach Stand der Technik; - Die
2 und3 bilden schematisch exemplarische TFTs gemäß der Erfindung ab; - Die
4 und5 zeigen Daten von Drainstrom gegen Drainspannung für 2 TFTs gemäß der Erfindung, von etwas unterschiedlicher Leitfähigkeit - Die
6 und7 zeigen jeweils Röntgenstrahlbeugungsbilder von α-6T gemäß der Erfindung und von einem exemplarischen α-6T nach Stand der Technik; - Die
6 zeigt exemplarisch Differentialscanningkalorimeterdaten eines α-6T gemäß der Erfindung und - Die
9 zeigt einen exemplarischen Steuerungsschaltkreis in einer aktiven Matrix- Flüssigkristallanzeige, welche TFTs gemäß der Erfindung umfaßt. - Ausführliche Beschreibung
- Die
1 zeigt schematisch einen organischen TFT10 nach Stand der Technik vom Typ Metallisolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MIS-FET), worin sich die Ziffern11 –16 jeweils auf Substrat, erste Elektrode (z. B. Sourceelektrode), zweite Elektrode (z. B. Drainelektrode), dritte Elektrode (Steuerelektrode), isolierende Schicht und aktive Schicht beziehen. - Die
2 zeigt schematisch ein Bauelement vom Typ MIS-FET gemäß der Erfindung. Der Transistor20 umfaßt auch ein Substrat11 (z. B. einen Glas-, Silicium- oder Kunststoffkörper), erste und zweite Kontakte12 und13 , dritten Kontakt14 , Steuerdielektrikum15 und aktive Schicht16 . Es ist zu erkennen, das topologisch Transistor20 dem Transistor10 nach Stand der Technik gleicht. Jedoch besitzt der zuerst genannte eine Schicht aktiven Materials, das sich wesentlich von Materialien nach Stand der Technik unterscheidet, was zu wesentlich verbesserter Leistung führt (z. B. wesentlich höheres An/Aus-Verhältnis des Source/Drainstroms), verglichen mit organischen TFTs nach Stand der Technik. - Die
3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, das heißt, ein organischer TFT vom Metall-Halbleiter- (MES)-FET-Typ. Die Ziffern31 –35 bezeichnen jeweils das Substrat, die aktive Schicht, erste, zweite und dritte Kontakte. - Beispielhaft wurden TFTs vom MIS-FET-Typ gemäß der Erfindung mit 12 μm Kanallänge und 250 μm Steuerlänge auf thermisch oxidierten leitenden Si-Substraten hergestellt. Das Oxid, welches als Steuer-Dieelektrikum dient, war 300 nm dick. Die Steuer-Region wurde mittels eines ohmschen Goldkontakts zum Si verbunden, und es wurden Gold-Source- und Drain-Kontakte lithographisch auf dem Siliciumoxid definiert. Die organische aktive Schicht wurde dann durch Verdampfung auf dem gesamten Aufbau bei Raumtemperatur und einem Druck von 10–6 Torr gebildet. Die aktive Schicht hatte eine Dicke von 50 nm und wurde nicht hitzebehandelt. Messungen wurden in situ unter Vakuum durchgeführt.
- Die
4 zeigt Verläufe des Drainstroms gegen die Drainspannung, erhalten von einem exemplarischen TFT wie vorangehend beschrieben, wobei die aktive Materialschicht (α-6T) wie nachfolgend ausführlich beschrieben hergestellt worden ist. - Der Aus-Strom (Steuerspannung 0 oder positiv, Drainspannung –100 V) betrug etwa 10–11 A, und das An/Aus-Verhältnis war größer 106. Das wie abgeschiedene α-6T hatte bei 20°C eine Leitfähigkeit unter 10–8 S/cm (ungefähr 10–9 S/cm) und war kaum vom p-Typ (d. h. im wesentlichen intrinsisch), wie der Fachmann anhand der deutlichen Überschneidung der Kurven der 0–60 V Steuerspannung erkennen wird.
- Die
5 zeigt analoge Resultate für einen TFT wie oben beschrieben, jedoch mit α-6T von etwas höherer Leitfähigkeit (ungefähr 1,4 × 10–8 S/cm) aufgrund von zufälligem Störstellendotierung. Die Trägermobilität lag bei etwa 1–2 × 10–2 cm2/Vs, und das An/Aus-Verhältnis war größer als 106 bei Basisspannungen zwischen 20 V und –80 V. - Wie aus den vorangehenden vergleichenden Ergebnissen gesehen werden kann, ist die Materialherstellung ein wesentlicher Aspekt der TFTs gemäß der Erfindung. Wir werden in Folge ein neues Verfahren zur Herstellung eines α-6T beschreiben, welches ein Material sehr geringer Leitfähigkeit liefern kann, beispielhaft von < 5 × 10–8 S/cm bei 20°C. Die Verwendung eines solchen Materials in einem TFT kann sehr geringen Aus-Strom bewirken, eine Eigenschaft, die unter anderem in hohem An/Aus-Verhältnis und guter dynamischer Antwort des TFT resultieren kann. Die nah verwandten Verbindungen α-8T und α-4T können mittels der im wesentlich gleichen Methode gefertigt werden.
- Materialherstellung
- α-Terthienyl zur Analyse wurde im etwa dreifachen seines Gewichts in Toluol gelöst, und in eine Säule, gepackt mit dem etwa zehnfachen seines Gewichts Silicagel, aufgetragen, welches mit Hexan in einer Chromatographiesäule gepackt war. Das α-Terthienyl wurde von der Säule mit Hexan eluiert, und das Eluat wurde unter Vakuum konzentriert. Dieses gereinigte α-Terthienyl (4,5g) wurde in einen Rundkolben, versehen mit einem Magnetröhrer, gebracht, und 400 ml Tetrahydrofuran (THF), frisch destilliert aus Natriumbenzophenonketyl, wurden zugegeben. Der Kolben wurde mit einem Gummistopfen verschlossen. Die Lösung wurde dann mit Stickstoff gespült und unter Stickstoff gekühlt (unter Magnetrühren) auf <–70°C. Eine Spritze, enthaltend 7,3 ml an 2,5 M n-Butyllithium in Hexan, wurde in die Flasche mittels einer Nadel durch den Stopfen während 10 min entleert, gefolgt von Rühren während weiterer 20 min bei unter –70°C, was zur Bildung einer wesentlichen Menge α-Terthienyl, deprotoniert in der 5-Position, das heißt 5-Lithio-α-terthienyl, führte. Ein Niederschlag bildete sich. Die resultierende Suspension wurde mittels einer Kanüle in einen zweiten gerührten Kolben überführt, welcher ein nichthalogenierendes Oxidationsmittel enthielt, beispielsweise 6,4 gr Eisen(III)-acetylacetonat zur Analyse sowie 150 ml des THF, gekühlt auf <–70°C unter Stickstoff. Die niedrige Temperatur wurde während einer Stunde nach der Zugabe gehalten; dann ließ man die Mischung auf Umgebungstemperatur während 5–20 Stunden zur Erwärmung stehen. Der verbleibende Teil des Verfahrens zielt auf die Isolierung des α-6T.
- Die suspendierten Feststoffe wurden mittels Vakuumfiltration aufgenommen und der Reihe nach mit 100 ml Ethylether, 300 ml 1 % HCl in Wasser, 300 ml (DI) Wasser, 100 ml Ethanol und 100 ml Ether gewaschen, was eine Ausbeute von 3,5 gr rohen festen Produkts ergab. Der Feststoff wurde weiter gewaschen mit jeweils 100 ml 0,1 % Na2CO3 in Wasser, Wasser, nochmals Wasser, Ethanol, Methylethylketon sowie Toluol, wobei alle bis knapp unter den Siedepunkt erhitzt wurden und unter heftigem Schütteln zur Vermeidung von Sieden. Die ungelösten Feststoffe wurden mit einem inerten Lösungsmittel mit einem Siedepunkt > 120°C extrahiert, z. B. 800 ml siedendes Mesitylen unter Stickstoff während einer Stunde. Der Extrakt wurde am Siedepunkt durch einen Trichter filtriert, welcher mit den Dämpfen des selben Lösungsmittels (z. B. Mesitylen) erhitzt wurde, welches im empfangenden Kolben siedete. Man ließ das Filtrat auf Umgebungstemperatur abkühlen und erhielt Kristalle. Der Überstand wurde von den Kristallen durch Saugfiltration getrennt und zur weiteren Extraktion der ungelösten Feststoffe verwendet. Eine Gesamtmenge von 1,5 g Kristalle wurde erhalten. Portionen von 200–300 mg der so hergestellten Kristalle wurden auf den Boden eines Glassublimators, welcher 5 cm im Durchmesser und 6–12 cm in der Höhe maß, platziert. Das Material wurde über > 1 cm entlang der Glasröhre sublimiert durch Erhitzung auf etwa 300°C und bei 10–4 Torr. Nach Kühlung unter Vakuum auf Umgebungstemperatur wurde das sublimierte Material von der Glasröhre gekratzt.
- Das vorangehend beschriebene exemplarische neue Verfahren zur Herstellung von α-6T umfaßt Merkmale, die die Produktqualität wesentlich beeinflussen können. Unter diesen ist die Verwendung eines nicht-halogenierenden Oxidationsmittels, beispielhaft Eisen(III)-acetylacetonat. Wir haben die überraschende Beobachtung gemacht, dass α-6T nach Stand der Technik (z. B. α-6T hergestellt mit Kupfer(II)-chlorid) wesentliche Mengen (typischerweise 0,1-1 Gew.-%) Chlor enthält. Unseres Wissens nach war die Anwesenheit dieses unerwünschten Bestandteils bis jetzt nicht bekannt, und seine wesentliche Abwesenheit (weniger als 0,1 Gew.-% Chlor oder anderer Halogene, vorzugsweise weniger als 0,05 Gew.-%) von α-6T gemäß der Erfindung ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, welcher als wichtig erachtet wird für die Erzielung der erwünschten niedrigen Leitfähgikeit und der hohen Mobilität. Das α-6T, hergestellt gemäß des vorangehend beschriebenen Verfahrens, unterscheidet sich somit typischerweise erheblich von α-6T nach Stand der Technik in Betracht der Elementaranalyse.
- Bevorzugte Verfahren zur Herstellung von α-6T umfassen auch die Feststoffextraktion mit einem inerten Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von mehr als 120°C, beispielhaft Mesitylen, sowie die Isolierung des α-6T durch Kristallisation des Extrakts. Die bevorzugten Verfahren umfassen weiterhin eine mehrstufige Waschfolge, welche am (vorgewaschenen) rohen festen Produkt angewandt wird, sowie Sublimation des gewaschenen Feststoffs entlang einer signifikanten Distanz, typischerweise > 1 cm.
- Wir haben auch die überraschende Beobachtung gemacht, dass α-6T, hergestellt gemäß der vorangehend beschriebenen Methode, einen Schmelzpunkt aufweist, welcher sich wesentlich von berichteten Schmelzpunkten von α-6T nach Stand der Technik unterscheidet, welche im Bereich von 280–307°C liegen Spezifisch wurde unter Verwendung von Differentialscanningkalorimetrie unter Stickstoff ein Schmelzpunkt des neuen α-6T von etwa 313°C gefunden, wie in der
8 dargestellt. - Weiterhin haben wir erhebliche Unterschiede zwischen den Röntgenbeugungsmustern des α-6T, hergestellt gemäß dem neuen Verfahren, und den veröffentlichten Beugungsmustern von α-6T nach Stand der Technik gefunden, wie in den
6 und7 gezeigt. Die zuerst genannte gehört zu α-6T gemäß der Erfindung und die danach genannte ist das veröffentlichte Beugungsmuster eines α-6T nach Stand der Technik, siehe: B. Servet et al., Advanced Materials, Band 5(6), S. 461 (1993). - Allgemein ausgedrückt hat das Material gemäß der Erfindung zahlreichere und schärfere Röntgenpeaks. Genau gesagt sind bei α-6T gemäß der Erfindung die Peaks nach Stand der Technik (siehe oben genannten Artikel von B. Servet et al.) bei etwa 20° und 22,5° jeweils zu mindestens zwei Peaks aufgetrennt.
- Die vorangehend besprochenen Beobachtungen bedeuten, dass das α-6T gemäß der Erfindung ein Material ist, welches aufdampfbare Filme bewirkt, die in einer stabileren, dichteren und besser geordneten Kristallstrukturform bestehen können als α-6T nach Stand der Technik. Tatsächlich hat die Elektronenmikroskopie bestätigt, dass die wie abgeschiedenen Filme des α-6T gemäß der Erfindung (abgeschieden auf einem Substrat bei Raumtemperatur) aus großen anisotropen Plättchen mit Längen von 100–200 nm bestehen können, die klar miteinander verbunden sind. Dies ist zu unterscheiden von ähnlich abgeschiedenen Schichten von α-6T nach Stand der Technik, von denen berichtet wird, das sie Korngrößen von 50 nm aufweisen, wobei die isotropen Körner mehr oder weniger voneinander getrennt sind (B. Servet et al., Chemistry of Materials, Band 6 (1994), S. 1809). Diese strukturellen Unterschiede sind in Unterschieden der Trägermobilität wiedergegeben. Die α-6T-Schichten gemäß der Erfindung können eine Mobilität von etwa 10–2 cm2/Vs haben, wogegen von dem vorangehend beschriebenen Material nach Stand der Technik eine Mobilität von nur 2×10–3 cm2/Vs berichtet wurde.
- Wir glauben derzeit, dass die vorangehend diskutierten verbesserten Eigenschaften wichtig für die Erzielung der verbesserten Bauelementenleistung sind, z. B. zur Erzielung eines hohen An/Aus-Verhältnisses des Source/Drain-Stroms. Insbesondere glauben wir, dass ein Halogengehalt unter 0,1 Gew.-% (vorzugsweise unter 0,05 Gew.-%) ein wichtiger Aspekt eines Materials für die aktive Schicht gemäß der Erfindung ist, da Material für die aktive Schicht mit höherem Halogengehalt eine wahrscheinlich relativ geringe Trägermobilität aufweist.
- Fachleute werden anerkennen, dass das vorangehend beschriebene Verfahren zur Herstellung von α-6T exemplarisch ist, und das Modifikationen des Verfahrens möglich sind. Zum Beispiel können alternative inerte Lösungsmittel (z. B. Xylen) von einer Polarität ähnlich der des Mesitylens verwendet werden, andere Metall-Alkyl-Reagenzien (z. B. sec-Butyllithium) können anstelle von n-Butyllithium eingesetzt werden, und es können andere nicht-halogenierende Oxidationsmittel (z. B. Eisen(III)-trifluor-acetylacetonat, Mangan(III)-acetylacetonat) verwendet werden. Des weiteren ist das Verfahren nicht begrenzt auf die Synthese von α-6T, sondern auch anzuwenden, mit offensichtlichen Modifikationen (z. B. Ausgangsstoffe, Mengen und Temperaturen der Lösungsmittel, Sublimationstemperatur und Druck) auf die Zubereitung von α-4T sowie α-8T und die Zubereitung nah verwandter Verbindungen, wie die endständig substituierten Derivate von α-6T, α-4T und α-6T. Desweiteren wird erwartet, dass zumindest die Reinigungsaspekte des neuen Verfahrens mit offensichtlichen Modifikationen (z. B. Verwendung von Lösungsmitteln mit geeigneter Polarität und Siedepunkt, Sublimationstemperatur und Druck) anwendbar sind auf andere verwandte Verbindungen, wie α-5T, α-7T sowie α-9T und ihre an Stelle 4 oder 5 substituierten Derivate.
- Eine geeignete Menge (z. B. 50 mg) des wie vorangehend beschrieben hergestellten α-6T wurde in einem herkömmlichen Wolframschiffchen in einem konventionellen Verdampfersystem plaziert. Der Basisdruck in der Verdampferkammer betrug etwa 10–7 Torr. Das Schiffchen wurde auf etwa 300°C erhitzt und ein α-6T-Film von etwa 50 nm Dicke wurde einheitlich über ein geeignetes Substrat bei Raumtemperatur abgeschieden. Das wie abgeschiedene Material war typischerweise polykristallin mit einer durchschnittlichen Korngröße von einer Größenordnung von 100 nm.
- Wir haben herausgefunden, dass eine geeignete Hitzebehandlung des wie abgeschiedenen α-nT die Morphologie der Schicht ändern kann und potentiell die Eigenschaften des Bauelements weiter verbessern kann. Genauer gesagt haben wir festgestellt, das schnelles thermisches Tempern (RTA-rapid thermal annealing) von den so abgeschiedenen Filmen aus z. B. α-6T die Korngröße des Materials wesentlich erhöhen kann in einem Ausmaß, daß die durchschnittliche Korngröße vergleichbar oder sogar größer als die Kanallänge wird (typischerweise 4-12 μm) des geplanten TFT. Wenn dies der Fall ist, kann die aktive Schicht sich im wesentlichen wie eine Einkristallschicht verhalten.
- Tempern eines wie abgeschiedenen α-6T-Films während einer kurzen Zeit (typischerweise weniger als 10 Sekunden, z. B. 1 Sekunde) bei einer Temperatur nahe am (optional sogar knapp über dem) Schmelzpunkt (z. B. 295–315°C) hat exemplarisch zu einer Steigerung der durchschnittlichen Korngröße auf über 2 μm geführt, z. B. im Bereich von 5–100 μm. Tempern wird wünschenswerterweise unter inerter Atmosphäre, z. B. N2, durchgeführt. Jede geeignete Hitzequelle (z. B. eine Halogenlampenreihe, welche auf einen Empfänger bzw. Sekundärzylinder fokussiert wird oder ein Graphitheizband) kann verwendet werden. Es wird erwartet, das die Morphologie der anderen α-nTs ebenfalls mittels geeigneter RTA verbessert werden kann.
- Weiterhin haben wir herausgefunden, dass die RTA bei wie abgeschiedenen Schichten von p-Typ α-6T zu einer wesentlichen Verringerung der Leitfähigkeit führen kann, mit daraus folgender Steigerung des An/Aus-Verhältnisses. Z. B. zeigt eine wie abgeschiedene α-6T-Schicht eine Leitfähigkeit von etwa 10–6 S/cm. Nach einer RTA (296°C während 1 Sekun de) unter N2 zeigte die Schicht eine Leitfähigkeit von 0,7×10–8 S/cm. Es ist zu erwarten, das andere Mitglieder der Gruppe α-nT vergleichbare Leitfähigkeitsverringerungen zeigen.
- TFTs gemäß der Erfindung können im wesentlichen in der gleichen Weise hergestellt werden wie analoge TFTs nach Stand der Technik, vorausgesetzt dass ein α-nT der erforderlichen geringen Leitfähigkeit eingesetzt wird. Beispielhafte Substrate sind Glas, Kunststoffe wie MYLAR® oder KAPTON® oder Si (beschichtet mit SiO2 oder einem anderen Isolator). Der Einsatz einer Einbettung, die das Material der aktiven Schicht schützt, wird empfohlen.
- Die Transistoren der Erfindung können als diskrete Bauelemente verwendet werden, werden aber typischerweise mehr in integrierten Schaltungen verwendet, welche eine Vielzahl von Transistoren gemäß der Erfindung umfassen, möglicherweise in Verbindung mit konventionellen Halbleiterbauteilen, mit Leitern, die die Bauteile miteinander verbinden und die Möglichkeiten der Energiebereitstellung bieten, die Eingangssignale für die Schaltung bereitstellen und optional Ausgangssignale davon empfangen.
- Als Beispiel werden die Transistoren gemäß der Erfindung als Stromschalter in Flüssigkristallanzeigen in gleicher funktioneller Weise eingesetzt, wie derzeit verwendete Halbleiter-TFTs nach Stand der Technik. Dies wird in der
9 schematisch dargestellt, welche auf einer Darstellung auf S. 102 von „Amorphous and Microcrystalline Devices", J. Kanicki, Herausgeber, Artech House, Boston (1991) basiert. Die9 stellt relevante Aspekte eines exemplarischen Schaltungsdiagramms einer aktiven Matrix-Flüssigkeitkristallanzeige dar, worin die Transistoren101 TFTs gemäß der Erfindung sind, und der Rest der Schaltung konventionell ist. Die Ziffern102 beziehen sich auf Flüssigkristall und die Ziffern103 –105 beziehen sich auf Signalleitungen, Steuerleitungen und die gemeinsame Elektrode. Videosignale und Steuerpulse werden ebenfalls schematisch gezeigt.
Claims (9)
- Gegenstand, umfassend einen Dünnfilmtransistor (
20 ), wobei der Transistor umfasst a) eine Schicht (16 ) aus organischem Material; b) räumlich voneinander getrennt erste und zweite Kontaktmittel (12 ,13 ) in Kontakt mit der Schicht; und c) dritte Kontaktmittel (14 ) , welche von den ersten und zweiten Kontaktmitteln räumlich getrennt sind und welche angepasst sind, mittels einer an die dritten Kontaktmittel angelegten Spannung einen Strom zwischen den ersten und zweiten Kontaktmitteln durch die Schicht zu regulieren; dadurch gekennzeichnet, dass d) das organische Material ein α-Thienylenoligomer ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus α-nT, wobei n eine ganze Zahl von 4 bis 9 ist, sämtliche mit oder ohne Substituenten am 4- oder 5-Kohlenstoff auf den endständigen Ringen, und e) eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens 5 × 10–8 S/cm bei 20°C und weiterhin eine Ladungsträgermobilität von mindestens 10–3 cm2/V.s bei 20°C besitzt. - Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das organische Material gewählt ist aus α-6T und α-8T, beide mit oder ohne genanntem Substituenten.
- Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das organische Material weniger als 0,1 Gew.-% Halogen enthält.
- Gegenstand nach Anspruch 3, wobei das organische Material α-6T ist und einen Schmelzpunkt von etwa 313°C besitzt.
- Gegenstand nach Anspruch 4, wobei die Schicht aus organischem Material eine polykristalline Schicht mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von mindestens 2 um ist.
- Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Dünnfilmtransistor ein An/Aus-Verhältnis eines Source/Drain-Stroms von größer als 105 besitzt.
- Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmtransistors nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die aktive Schicht ein α-nT ist, worin n = 4, 6 oder 8, mit oder ohne Substituenten am 4- oder 5-Kohlenstoff auf den endständigen Ringen, wobei die α-nT-Schicht durch ein Verfahren gebildet wird, umfassend a) Vorsehen einer Menge an α-nT, wobei das α-nT durch ein Verfahren hergestellt wird, das das Vorsehen von α-(n/2)-Thienyl, deprotoniert in der 5-Position, in einem organischen Lösungsmittel umfasst; und b) Abscheiden einer Schicht aus dem α-nT auf einem Substrat; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Erzeugens der Menge an α-nT weiterhin umfasst c) Kontaktieren des deprotonierten α-(n/2)-Thienyls in dem organischen Lösungsmittel mit einem nicht halogenierenden Oxidationsmittel, so dass eine α-nT enthaltende Mischung gebildet wird; und d) Isolieren des α-nT aus der Mischung.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei das deprotonierte α-(n/2)-Thienyl 5-Lithio-α-terthienyl ist und das α-nT α-6T ist.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei Schritt d) das Waschen des α-nT mit Lösungsmitteln umfasst und wahlweise eines oder beides aus i) Rekristallisation des α-nT unter interten Bedingungen; und ii) Sublimation des α-nT unter Vakuum umfasst.
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