WO2003081671A2 - Logische bauteile aus organischen feldeffekttransistoren - Google Patents

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    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]

Definitions

  • the invention relates to logic components made of organic field effect transistors, in which the switching speed is increased by replacing the resistors.
  • Logical gates such as N ⁇ ND, NOR or inverters are the elementary components of an integrated digital electronic circuit.
  • the switching speed of the integrated circuit depends on the speed of the logic gates and not on the speed of the individual transistors.
  • these gates are implemented by using both n- and p-type transistors and are therefore very fast. This cannot be achieved with organic circuits because there are no sufficiently stable n-semiconductors. For organic circuits, this means that a conventional resistor is used instead of the n-type transistor.
  • the object of the invention is therefore to create a logic gate with organic field-effect transistors, in which the missing * classic "n-type transistors are replaced by other than classic resistors.
  • the invention relates to a logic gate comprising at least a first and a second organic field effect transistor (OFET), the first OFET being a p-type OFET and the second OFET in the logic gate can be used as a resistor.
  • OFET organic field effect transistor
  • the first OFET has an extremely thin semiconductor layer or a negative threshold voltage.
  • the logic gate includes a first and a second OFET with an extremely thin semiconductor layer or a negative threshold voltage.
  • the second OFET without gate voltage has off currents which are only approximately one order of magnitude below the on currents, so that the second OFET can be switched off further by applying a positive gate voltage.
  • the logic gate comprises at least 4 OFETs (cf. FIG. 6).
  • the logic gate has 2 data lines (input and output), these data lines being at different potentials.
  • the * OFET which can be used as a resistor in the gate *, is either an OFET with an extremely thin organic semiconductor layer (approx. 5 to 30 nm) or an OFET with the conductivity of the organic semiconductor layer through targeted treatment (for example hydrazine treatment and / or targeted oxidation) has been reduced to such an extent that the off-currents are only approximately one order of magnitude below the on-currents.
  • the “OFF current is the current that flows when there is no potential at the gate electrode against the source electrode and the “ON current * (for p OFETS) is the current that flows when a negative potential is applied to the source electrode.
  • a component with a linear current-voltage characteristic is referred to here as a "classic resistor”.
  • the on-characteristic 1 and the off-characteristic 2 are shown in a current-voltage diagram. These characteristics correspond to the switched on and the switched off state.
  • the intersections 3 and 4 of the curves with the resistance line 5 correspond to the switching points of the inverter.
  • the output voltage swing 6 of the inverter is very large, which means that the inverter can be switched on and off easily.
  • the charge-reversal currents 7 and 8 are different. This means that the inverter can be switched to * High "quickly, but slowly to * Low".
  • FIG. 2 also shows the prior art, the second case, in which the charge-reversal currents 9 and 10 are of the same size, but the voltage swing 11 is too small. The corresponding inverter cannot be switched off completely.
  • Figure 3 finally shows a current-voltage curve of a logic gate according to the invention:
  • the current-voltage diagram of a logic gate as shown in FIG. 3 comprises at least one OFET with an extremely thin semiconductor layer as a replacement for a conventional resistor.
  • OFETs with extremely thin semiconductor layers have from 5 to 30 nm, preferably from 7 to 25 nm and particularly preferably from 10 to 20 nm a special output characteristic field, which is shown schematically in Figure 3.
  • the voltage swing 12 is large enough so that the inverter can also be switched off completely and the recharge currents 13 and 14 are of the same size, as a result of which the inverter can switch over quickly.
  • Another advantage is the amount of charge reversal current, which is very high with this type of transistor. Due to the thin semiconductor layers, the transistors pass from the rising edge 15 very steeply into the saturation region 16. This behavior of the output characteristic can be used in conventional p-Mos technology to build logic circuits that have high charging voltages. As a result, the switching speed of the components is high.
  • the content of the invention is to use this effect for the production of fast logic gates. These gates are fast and can also be switched off easily, despite conventional p-Mos technology.
  • the replacement of the classic resistor can alternatively also be carried out by special treatment of the semiconductor layer of an OFET and a special circuit layout for the logic components.
  • Typical OFETs have very low off currents without gate voltage. By treating the organic semiconductor in a targeted manner, it can be achieved that the off-currents are reduced only by approximately are an order of magnitude below the on-currents (for example by hydrazine treatment or by targeted oxidation). These special OFETs can then be switched off further by applying a positive gate voltage. This gives you an OFET, which can be switched on by a negative gate voltage and switched off by a positive gate voltage (like an n-type transistor). This effect is also used according to the invention (in addition to the above-mentioned effect of the extremely thin semiconductor layers) in order to produce fast logic components.
  • the basic element of these logic components is a series connection of at least two OFETs with different dimensions of the current channel, in such a way that without a gate voltage, the current channel of one OFET is significantly more conductive than that of the other. The consequence of this is that the supply voltage across the two current channels only drops at the less conductive current channel.
  • the switching process takes place by applying a negative gate voltage to the OFET with the poorly conductive current channel and at the same time applying a positive gate voltage to the OFET with the more conductive current channel.
  • Figure 5 shows the current-voltage diagram of such a logic gate. Both characteristics are shifted by the special circuit layout or by the special circuit layout in combination with a treatment of the semiconductor layer, which results in a high voltage swing and at the same time high charge-reversal currents.
  • An inverter consists of two of these basic elements, i.e. at least four transistors. When the inverter is switched, two transistors are switched on and the other two are switched off at the same time.
  • FIG. 6 The circuit of an inverter is shown in FIG. 6 and the circuit of a ring oscillator is shown in FIG.
  • 2 x 2 transistors are required, because a positive voltage is required to switch off one transistor and at the same time a negative voltage to switch on the other.
  • 2 of the above-mentioned basic elements are now combined, one providing a positive voltage at the output and the other a negative one.
  • An inverter with this new circuit technology thus has 2 inputs and outputs, with 0V or +/- V applied to each of these outputs.
  • FIG. 6 shows the inverter embodiment: the interconnection is an important point here.
  • point 1 is the supply voltage, which is +/- V here.
  • Point 4. is the earth.
  • the points marked with 3 symbolize the inputs and the points marked with 2 represent the outputs of the inverter.
  • the logical "low” is reached when there is no voltage at outputs 2.
  • Logically V ⁇ high “means that +/- V is present at output 2 of the inverter, that is to say that the data line comprises 2 lines which are at different potentials.
  • CMOS inverter In contrast to the inverter described above, which comprises at least 4 OFETs, a conventional CMOS inverter, for example, consists of 2 transistors. At 0V on the input, transistor 1 is conductive and the other 2 is non-conductive (thus the supply voltage at 2 drops). If the voltage is negative, 1 becomes non-conductive and the other 2 becomes conductive (thus the supply voltage is at 1).
  • Figure 7 shows a ring oscillator. For this circuit, an odd number of inverters are interconnected by placing the output on the input of the next inverter. The last inverter is then also connected to the first inverter, creating a ring. The purpose of a ring oscillator is to circulate the signal in the ring by constantly switching the following inverter.
  • FIG. 4 shows some exemplary embodiments of the logic components that comprise OFETs with the extremely thin semiconductor layers:
  • the circuit symbol 21 symbolizes a p-conducting OFET.
  • An inverter 22 can be an interconnection of a transistor with a resistor.
  • a signal applied to the input (* High “or 'Low") is reversed (inverted) and is then applied to the output (as * Low “or ⁇ High”).
  • An embodiment of the logic gate is e.g. a flip-flop, which could also be constructed from these OFETs.
  • the logic gates are advantageously produced by spraying, coating, knife coating, printing or other manufacturing processes which can be operated as a continuous process.

Abstract

Mit Hilfe der Erfindung lassen sich schnelle logische Gatter, die auf organischen Feldeffekt-Transistoren aufbauen, trotz konventioneller p-Mos-Technik herstellen. Dies ist zum einen auf den Frühsättigungseffekt von OFETs mit sehr dünnen Halbleiterschichten zurückzuführen, zum anderen auf OFETs mit speziellen Eigenschaften für organische Logikbauelemente und in einem neuen schaltungstechnischen Layout dieser Logikbauelemente.

Description

Beschreibung
Logische Bauteile aus organischen Feldeffekttransistoren
Die Erfindung betrifft logische Bauteile aus organischen Feldeffekttransistoren, bei denen die Schaltgeschwindigkeit durch Ersatz der Widerstände erhöht wird.
Logische Gatter wie beispielsweise NÄND, NOR oder Inverter sind die elementaren Bestandteile einer integrierten digitalen elektronischen Schaltung. Die Schaltgeschwindigkeit der integrierten Schaltung hängt dabei von der Geschwindigkeit der logischen Gatter und nicht von der Geschwindigkeit der einzelnen Transistoren ab. In der herkömmlichen Silizium- Halbleitertechnologie werden diese Gatter durch Verwendung von sowohl n- als auch p-leitenden Transistoren realisiert und sind dadurch sehr schnell. Bei organischen Schaltungen ist das nicht realisierbar, weil es keine ausreichend stabilen n-Halbleiter gibt. Für organische Schaltungen bedeutet das, dass ein herkömmlicher Widerstand anstelle des n-lei- tenden Transistors eingesetzt wird.
Nachteilig an diesen logischen Gattern mit organischen Feldeffekt-Transistoren ist, dass sie entweder langsam umschalten (wenn die Umladeströme, also die Integrale unter der Strom- Spannungskurve sehr verschieden sind) oder sich nicht ausschalten lassen (wenn der Spannungshub im Strom-Spannungs- Diagramm) zu gering ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein logisches Gatter mit organischen Feldeffekt-Transistoren zu schaffen, bei dem die fehlenden * klassischen" n-leitenden Transistoren durch anderes als klassische Widerstände ersetzt sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein logisches Gatter, zumindest einen ersten und einen zweiten organischen Feldeffekt-Transistor (OFET) umfassend, wobei der erste OFET ein p-leitender OFET ist und der zweite OFET im logischen Gatter als Widerstand eingesetzt werden kann.
Nach einer Ausführungsform hat der erste OFET eine extrem dünne Halbleiterschicht oder eine negative Schwellspannung hat.
Nach einer anderen Ausführungsform u fasst das logische Gatter einen ersten und einen zweiten OFET mit einer extrem dün- nen Halbleiterschicht oder einer negative Schwellspannung.
Nach einer weiteren Ausführungsform hat im logischen Gatter der zweite OFET ohne Gate-Spannung Off-Ströme, die nur um etwa eine Größenordnung unter den On-Strömen liegen, so dass sich der zweite OFET durch Anlegen einer positiven Gate- Spannung weiter ausschalten lässt.
Nach einer Ausführungsform umfasst das logische Gatter mindestens 4 OFETs (vgl. Figur 6) .
Nach einer Ausführungsform hat das logische Gatter 2 Datenleitungen (Eingang und Ausgang) , wobei dieses Datenleitungen auf unterschiedlichen Potentialen liegen.
Als *OFET, der im Gatter als Widerstand eingesetzt werden kann*, wird hier entweder ein OFET bezeichnet, der eine extrem dünne organische Halbleiterschicht (ca. 5 bis 30 nm) hat oder ein OFET, bei dem die Leitfähigkeit der organischen Halbleiterschicht durch gezielte Behandlung (beispielsweise Hydrazin-Behandlung und/oder gezielte Oxidation) soweit erniedrigt wurde, dass die Off-Ströme nur um etwa eine Größenordnung unter den On-Strömen liegen.
Der „OFF Strom ist der Strom, der fließt, wenn an der Gate- Elektrode kein Potential gegen die Source Elektrode anliegt und der „ON Strom* (für p OFETS) der Strom, der fließt, wenn ein negatives Potential gegen die Source Elektrode anliegt.
Als * klassischer Widerstand" wird hier ein Bauelement mit ei- ner linearen Strom-Spannungs-Kennlinie bezeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert:
Beim Einsatz des klassischen Widerstands (vgl. Figuren 1 und 2, Stand der Technik) schalten die logischen Gatter entweder zu langsam um (Figur 1) oder lassen sich nicht ausschalten (Figur 2) .
In Figur 1 sind in einem Strom-Spannungs-Diagramm die EinKennlinie 1 und die Aus-Kennlinie 2 eingezeichnet. Diese Kennlinien entsprechen dem eingeschalteten und dem ausgeschaltetem Zustand. Die Schnittpunkte 3 und 4 der Kurven mit der Widerstandslinie 5 entsprechen den Schaltpunkten des In- verters. Der Ausgangs-Spannungshub 6 des Inverters ist sehr groß, was bedeutet, dass sich der Inverter gut ein- und ausschalten lässt. Allerdings sind die Umladeströme 7 und 8 (die schraffierten Flächen unter den Kurven entsprechen den Umla- deströmen) unterschiedlich. Das bedeutet, dass sich der In- verter schnell auf *High" schalten lässt, aber langsam auf *Low" .
Die Figur 2 zeigt auch den Stand der Technik, den zweiten Fall, bei dem die Umladeströme 9 und 10 zwar in der Größen- Ordnung gleich groß sind aber der Spannungshub 11 zu gering ist. So lässt sich der entsprechende Inverter nicht ganz ausschalten.
Figur 3 schließlich zeigt eine Strom-Spannungskurve eines lo- gischen Gatters nach der Erfindung: Das Strom-Spannungsdiagramm eines logischen Gatters wie in Figur 3 gezeigt, umfasst zumindest einen OFET mit einer extrem dünnen Halbleiterschicht als Ersatz für einen klassischen Widerstand.
Durch einen beobachteten, aber noch nicht vollständig erklärbaren Effekt (sehr verfrühte Sättigung aufgrund einer sehr dünnen HL-Schicht oder einer negativen SchwellSpannung) haben OFETs mit extrem dünnen Halbleiterschichten von 5 bis 30 nm, bevorzugt von 7 bis 25 nm und insbesondere bevorzugt von 10 bis 20 nm ein spezielles Ausgangskennlinienfeld, das in Figur 3 schematisch gezeigt ist.
Der Spannungshub 12 ist groß genug, damit der Inverter auch ganz ausgeschaltet werden kann und die Umladeströme 13 und 14 sind gleich groß, wodurch der Inverter schnell umschalten kann. Ein weiterer Vorteil ist der Betrag des Umladestroms, der bei dieser Art Transistor sehr hoch ist. Durch die dünnen Halbleiterschichten gehen die Transistoren von der Anstiegs- flanke 15 sehr steil in den Sättigungsbereich 16 über. Durch dieses Verhalten der Ausgangskennlinie lassen sich in konventioneller p-Mos-Technik logische Schaltungen aufbauen, die große Aufladespannungen haben. Dadurch wird die Schaltgeschwindigkeit der Bauteile hoch. Inhalt der Erfindung ist es, diesen Effekt für die Herstellung von schnellen logischen Gattern zu verwenden. Diese Gatter sind schnell und lassen sich gleichzeitig gut ausschalten, trotz konventioneller p- Mos-Technik.
Der Ersatz des klassischen Widerstands kann alternativ auch durch eine spezielle Behandlung der Halbleiterschicht eines OFETs und ein spezielles Schaltungslayout für die Logikbauelemente vollzogen werden.
Typische OFETs haben ohne Gate-Spannung sehr niedrige Off- Ströme. Durch eine gezielte Behandlung des organischen Halbleiters kann erreicht werden, dass die Off-Ströme nur um etwa eine Größenordnung unter den On-Strömen liegen (z.B. durch Hydrazin-Behandlung oder durch gezielte Oxidation) . Diese speziellen OFETs lassen sich dann durch Anlegen einer positiven Gate-Spannung weiter ausschalten. Damit hat man einen OFET, der durch eine negative Gate-Spannung ein- und durch eine positive Gate-Spannung ausgeschaltet werden kann (wie ein n-leitender Transistor) . Dieser Effekt wird auch (neben dem oben erwähnten Effekt der extrem dünnen Halbleiterschichten) erfindungsgemäß genutzt, um schnelle logische Bauele en- te herzustellen. Basiselement dieser logischen Bauelemente ist eine Reihenschaltung aus zumindest zwei OFETs mit unterschiedlichen Abmessungen des Stromkanals und zwar in der Weise, dass ohne Gate-Spannung der Stromkanal eines OFETs deutlich leitfähiger ist als der des anderen. Das hat zur Folge, dass die Versorgungsspannung über den beiden Stromkanälen nur an dem schlechter leitenden Stromkanal abfällt.
Der Umschaltevorgang geschieht durch Anlegen einer negativen Gate-Spannung an den OFET mit dem schlechter leitfähigen Stromkanal und gleichzeitigem Anlegen einer positiven Gate- Spannung an den OFET mit dem besser leitfähigen Stromkanal.
Figur 5 zeigt das Strom-Spannungs-Diagramm eines solchen logischen Gatters. Durch das spezielle Schaltungs-Layout oder durch das spezielle Schaltungs-Layout in Kombination mit einer Behandlung der Halbleiterschicht werden beide Kennlinien verschoben, was einen hohen Spannungshub und gleichzeitig hohe Umladeströme zur Folge hat. Ein Inverter besteht aus zwei dieser Basiselemente, also aus zumindest vier Transistoren. Beim Umschaltvorgang des Inverters werden jeweils zwei Transistoren ein- und gleichzeitig die beiden anderen ausgeschaltet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungs- beispiele erläutert: Zunächst zwei Ausführungsbeispiele zu dem Strom-Spannungs- Diagramm aus Figur 5:
In Figur 6 wird die Schaltung eines Inverters und in der Fi- gur 7 die Schaltung eines Ringoszillators gezeigt. Um logikfähige Bauteile zu erhalten, benötigt man 2 mal 2 Transistoren, denn es wird eine positive Spannung benötigt, um einen Transistor auszuschalten und gleichzeitig eine negative Spannung um den anderen einzuschalten. Um diese unterschiedlichen Spannungen zu erhalten werden nun 2 der oben genannten Basiselemente zusammengeschlossen, wobei eines eine positive Spannung am Ausgang bereit stellt und das andere eine negative. Ein Inverter mit dieser neuen Schaltungstechnik hat somit 2 Ein- und Ausgänge, wobei an diesen Ausgängen jeweils 0V oder +/-V anliegen.
Figur 6 zeigt die Ausführungsform Inverter: Die Verschaltung ist hierbei ein wichtiger Punkt. An dem Punkt 1. liegt die Versorgungsspannung, die hier +/-V ist. Punkt 4. ist die Er- d ng die mit 3 gekennzeichneten Punkte symbolisieren die Eingänge und die mit 2 gekennzeichneten Punkte die Ausgänge des Inverters. Die logische "low" ist erreicht, wenn auf den Ausgängen 2 keine Spannung anliegt. Logisch Vλhigh" bedeutet, dass auf dem Ausgang 2 des Inverters +/-V anliegen, das heißt, dass die Datenleitung 2 Leitungen, die auf unterschiedlichen Potentialen liegen, umfasst.
Zwar verwenden C-MOS einen Eingang, der aufgespaltet wird, allerdings ist die Spannung nach dem Aufspalten gleich.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Inverter, der zumindest 4 OFETs umfasst, besteht beispielsweise ein herkömmlicher CMOS Inverter aus 2 Transistoren. Bei 0V auf den Eingang, ist Transistor 1 leitfähig und der andere 2 nichtleit- fähig (Somit fällt die Versorgungsspannung an 2 ab) . Bei negativer Spannung wird nun 1 nichtleitfähig und der andere 2 leitfähig (Somit liegt die VersorgungsSpannung an 1) . Figur 7 zeigt einen Ringoszillator. Für diese Schaltung werden eine ungerade Zahl von Invertern zusammengeschaltet, indem man den Ausgang auf den Eingang des nächsten Inverters legt. Der letzte Inverter wird dann ebenso mit dem ersten Inverter verbunden und so entsteht ein Ring. Der Zweck eines Ringoszillators ist es durch ständiges Umschalten des folgenden Inverters das Signal im Ring umlaufen zu lassen.
In Figur 4 sind einige Ausführungsbeispiele zu den logische Bauteile, die OFETs mit den extrem dünnen Halbleiterschichten umfassen, gezeigt:
Inverter 22, Nicht-Oder 23 Nicht-Und 24 Ringoszillator 25. Das Schaltzeichen 21 symbolisiert einen p-leitenden OFET.
Ein Inverter 22 kann eine Zusammenschaltung eines Transistors mit einem Widerstand sein. Ein an den Eingang angelegtes Signal (*High" oder 'Low") wird dabei umgedreht (invertiert) und liegt danach am Ausgang an (als *Low" oder λλHigh") . Um ein logische Nicht-Oder zu erhalten können zwei Transistoren parallel geschaltet werden. Die Zust nde werden durch Anlegen einer Eingangsspannung gemäß der Tabelle (λLow" = λλ0"; *High" = λl") zum Ausgang weitergeleitet. Analog funktioniert ein Nicht-Und, welches durch in Reihe geschaltete Transistoren realisiert werden kann.
Eine nicht gezeigte Ausführungsform des logischen Gatters ist z.B. ein Flip-Flop, der auch aus diesen OFETs aufgebaut sein könnte .
Vorteilhafterweise werden die logischen Gatter durch Besprühen, Beschichten, Rakeln, Bedrucken oder sonstige Herstellungsverfahren, die als kontinuierlicher Prozess gefahren werden können, herstellen.
Mit Hilfe der Erfindung lassen sich erstmals schnelle logische Gatter, die auf organischen Feldeffekt-Transistoren auf- bauen, trotz konventioneller p-Mos-Technik herstellen. Dies ist zum einen auf den Frühsättigungseffekt von OFET.S mit sehr dünnen Halbleiterschichten zurückzuführen, zum anderen auf OFETs mit speziellen Eigenschaften für organische Logikbauelemente und in einem neuen schaltungstechnischen Layout dieser Logikbauelemente.

Claims

Patentansprüche
1. Logisches Gatter, zumindest einen ersten und einen zweiten organischen Feldeffekt-Transistor (OFET) umfassend, wobei der erste OFET ein p-leitender OFET ist und der zweite OFET im logischen Gatter als Widerstand eingesetzt werden kann.
2. Logisches Gatter nach Anspruch 1, bei dem der erste OFET eine extrem dünne Halbleiterschicht oder eine negative SchwellSpannung hat.
3. Logisches Gatter nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite OFET eine extrem dünne Halbleiterschicht oder eine negative Schwellspannung hat.
4. Logisches Gatter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 3, bei dem der zweite OFET ohne Gate-Spannung Off-Ströme hat, die nur um etwa eine Größenordnung unter den On-Strömen liegen, so dass sich der zweite OFET durch Anlegen einer po- sitiven Gate-Spannung weiter ausschalten lässt.
5. Logisches Gatter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, das mindestens 4 OFETs umfasst.
6. Logisches Gatter nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 3 bis 5, mit 2 Datenleitungen (Eingang und Ausgang) , wobei dieses Datenleitungen auf unterschiedlichen Potentialen liegen.
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