DE102008036063B4

DE102008036063B4 - Organischer Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE102008036063B4
Application number: DE102008036063.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Denker; Dr. Canzler Tobias; Qiang Huang
Original assignee: NovaLED GmbH
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: DE102008036063A1; US20100051923A1; US8212241B2

Abstract

Organischer Feldeffekt-Transistor, insbesondere organischer Dünnschicht-Feldeffekt-Transistor, mit:
– einer Gate-Elektrode (1), einer Drain-Elektrode (5) und einer Source-Elektrode (4),
– einer aktiven Schicht (3) aus organischem Material, die im Betrieb einen elektrischen Leitungskanal bildend ausgeführt ist,
– einer dielektrischen Schicht (2), welche die aktive Schicht von der Gate-Elektrode (1) elektrisch isoliert,
– einer Dotierungsmaterial-Schicht (7), die aus einem molekularen Dotierungsmaterial besteht, dessen Moleküle aus zwei oder mehr Atomen bestehen und welches für das organische Material der aktiven Schicht (3) ein elektrischer Dotand für eine auf einem teilweisen Ladungstransfer zwischen dem molekularen Dotierungsmaterial und dem organischen Material der aktiven Schicht (3) beruhende elektrische Dotierung ist, und
wobei die Dotierungsmaterial-Schicht (7) in einem Grenzflächenbereich (6) zwischen der aktiven Schicht (3) und der dielektrischen Schicht (2) oder benachbart zu dem Grenzflächenbereich (6) gebildet ist, und wobei die Dotierungsmaterial-Schicht (7) von der Drain-Elektrode (5) und der Source-Elektrode (4) beabstandet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen organischen Feldeffekt-Transistor, insbesondere einen organischen Dünnschicht-Feldeffekt-Transistor.
Hintergrund der Erfindung
Organische Halbleiter haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten aufgrund ihrer geringen Kosten, der Möglichkeit sie auf großen Flächen und flexiblen Substraten abzuscheiden und der riesigen Auswahl entsprechender Moleküle. Organische Halbleiter können in schaltbaren Bauelementen wie Transistoren als auch in optoelektronischen Bauelementen wie organischen Leuchtdioden (OLEDs) und photovoltaischen Zellen eingesetzt werden.
Organische Transistoren, insbesondere organische Feldeffekt-Transistoren (OTFT) werden schon seit vielen Jahren untersucht und entwickelt. Es wird erwartet, dass OTFTs im großen Maße zum Beispiel in preiswerten integrierten Schaltungen für berührungslose Erkennungsmarken (RFID), aber auch für die Bildschirmansteuerung (Backplane) Anwendung finden kann. Um preiswerte Anwendungen zu ermöglichen, werden im Allgemeinen zur Herstellung der Transistoren Dünnschichtprozesse benötigt. In den letzten Jahren sind Leistungsmerkmale soweit verbessert worden, dass die Kommerzialisierung von organischen Transistoren absehbar ist. Es wurden zum Beispiel in OTFTs hohe Feldeffektmobilitäten von bis zu 6 cm²/Vs für Elektronen auf Basis von Fulleren-C60 und bis zu 5,5 cm²/Vs für Löcher auf Basis von Pentacene (Lee et al., Appl. Lett. 88, 162109 (2006)) berichtet.
Ladungsträgertransport in dünnen organischen Schichten wird im Allgemeinen durch temperaturaktivierendes Ladungsträger-Hopping beschrieben, was zu relativ niedrigen Mobilitäten und einem starken Einfluss von Unordnung führt. Deshalb hängt die Feldeffekt-Mobilität in OTFTs im Allgemeinen von der Ladungsträgerdichte ab (Vissenberg et al., Phys. Rev. B 57, 12964 (1998)), Horowitz et al., Phys. Rev. B 66, 195336 (2002)). Es ist gewöhnlich eine relativ hohe Gate-Spannung notwendig, um lokalisierte Zustände zu füllen, die nicht zum elektrischen Transport beitragen, und eine hohe Ladungsträgermobilität in der organischen Schicht zu erreichen.
Eine Möglichkeit die Ladungsträgerdichte und hierdurch auch die Ladungsträgermobilität in organischen Halbleitern zu erhöhen, ist die elektrische Dotierung mittels Donatoren oder Akzeptoren. Hierbei werden mittels Erzeugen von Ladungsträgern in einem Matrixmaterial eine Veränderung im Fermi-Niveau des Halbleiters sowie, je nach Art des verwendeten Donaten, eine Erhöhung der zunächst recht niedrigen Leitfähigkeit erreicht. In dem Dokument US 5 093 698 A sind generelle Anforderungen an Kombinationen organischer Materialien für elektrische Dotierung.
In den letzten Jahren sind die elektrische Dotierung organischer Halbleiter mittels molekularer Dotanden im Detail untersucht worden. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die Mobilität von Mischschichten in Abhängigkeit von der Dotierkonzentration ansteigt. Dieses Phänomen wird dadurch erklärt, dass zusätzliche Ladungsträger graduell Zustände des Matrixmaterials vom unteren Ende der Zustandsdichteverteilung, also Zustände mit niedriger Mobilität, auffüllen (Maenning et al., Phys. Rev. B 64, 195208 (2001)). Hierbei wird gleichermaßen das Fermi-Niveau des Halbleiters je nach Art des verwendeten Dotanden graduell verändert. Es wird erhöht bei einer n-Dotierung. Für eine p-Dotierung wird es verringert. Hierdurch wird auch eine Erhöhung der zunächst recht niedrigen Leitfähigkeit erreicht.
In OTFTs mit elektrische dotierter aktiver Schicht wird mit der erhöhten Mobilität auch die Einsatzspannung verringert und damit auch ganz allgemein die Betriebsspannung. Für die meisten Einsatzgebiete von OTFTs ist es wünschenswert, sehr niedrige Aus-Ströme zu erreichen. Eine hohe Dotierkonzentration führt hierbei zu einer hohen Hintergrund-Ladungsdichte, was wiederum zu einem unerwünschten Ohmschen Ladungsträgertransport führt, der durch den Feldeffekt nicht effektiv gesteuert werden kann.
Unter dem Aus-Zustand eines Transistors wird hier eine angelegte Gate-Spannung kleiner der Einsatz-Spannung des Bauelementes für n-Leitertyp und größer der Einsatz-Spannung für p-Leitertyp verstanden. Bei dem im Allgemeinen diskutierten OTFT im Anreicherungstyp liegt bei der Gate-Spannung V_g = 0 V für p- und n-Typ der Aus-Zustand vor.
Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in Halbleiterschichten mit exzellenter Ladungsträger Mobilität die Beimischung von Dotanden zu erhöhter Störstellenstreuung führt und damit auch maximale Mobilität in OTFT einschränkt. (Harada et al., Appl. Phys. Lett. 91 092118 (2007)). Deshalb ist eine alternative Anordnung wünschenswert, bei der die Hintergrund-Ladungsträgerkonzentration erhöht wird, ohne dass Dotanden in die Halbleiterschicht eingemischt werden. Eine solche Anordnung ermöglicht es prinzipiell, die Ladungsträgermobilität über das gewohnte Maß hinaus zu erhöhen.
Die Eigenschaften der verschiedenen an einem elektrischen Dotierprozess beteiligten Materialien können auch durch die Energielagen des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals (HOMO, Synonym: Isolationspotential) und des höheren besetzten Molekülorbitals (LUMO, Synonym: Elektronenaffinität) beschrieben werden.
Eine Methode zur Bestimmung der Isolationspotentiale (IP) ist Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS). In der Regel werden Isolationspotentiale für den Festkörper bestimmt, jedoch ist es auch möglich, die Isolationspotentiale in der Gasphase zu messen. Beide Größen unterscheiden sich durch Festkörpereffekte, wie zum Beispiel die Polarisationsenergie der Löcher, die im Photoionisationsprozess entstehen. Ein typischer Wert für die Polarisationsenergie ist etwa leV, aber es können auch größere Abweichungen davon auftreten. Das Ionisationspotential bezieht sich dabei auf den Beginn des Photoemissionsspektrums im Bereich der hohen kinetischen Energien der Photoelektronen, das heißt die Energie der am schwächsten gebundenen Photoelektronen. Eine hiermit verbundene Methode, die invertierte Photoelektronenspektroskopie (IPES) kann zur Bestimmung von Elektronenaffinitäten (E_A) herangezogen werden. Diese Methode ist jedoch wenig verbreitet. Alternativ können Festkörperenergieniveaus durch elektrochemische Messung von Oxidationspotentialen E_ox bzw. Reduktionspotentialen E_red in Lösung bestimmet werden. Eine geeignete Methode ist beispielsweise Zyklovoltammetrie.
Für die Umrechnung von Reduktionspotentialen in Elektronenaffinitäten sind keine empirischen Formeln bekannt. Diese liegt in der Schwierigkeit der Bestimmung von Elektronenaffinitäten. Deshalb wird häufig eine einfache Regel angewandt: IP = 4,8 eV + e·E_ox (s. Ferrocen/Ferrocenium) beziehungsweise E_A = 4,8 eV + e·F_red (vs. Ferrocen/Ferrocenium) (vgl. Andrade, Org. Electron. 6, 11 (2005)). Für den Fall, dass andere Referenzelektroden oder Redixpaare zur Referenzierung der elektrochemischen Potentiale benutzt werden, sind Verfahren zur Umrechnung bekannt.
Es ist üblich, die Begriffe „Energie des HOMOs” E(HOMO) beziehungsweise „Energie des LUMOs) E(LUMO) synonym mit den Begriffen Isolationsenergie beziehungsweise Elektronenaffinität zu gebrauchen (Koopmans Theorem). Dabei ist zu beachten, dass die Isolationspotentiale und Elektronenaffinitäten so gegeben sind, dass ein höherer Wert eine stärkere Bindung eines heraus gelösten beziehungsweise angelagerten Elektrons bedeutet. Deshalb gilt in globaler Näherung: IP = –E(HOMO) und FA = –D(LUMO).
Es wurden OTFTs mit Anordnungen von zusätzlichen Schichten auf der aktiven Halbleiterschicht, die auch als Kapselungs- oder Deckschichten bezeichnet werden, beschrieben. Zum Beispiel wurden Doppelschichten aus Pentacene und Fulleren C60 verwendet, um ambipolare Bauelement-Funktionalität zu erreichen (Wang et al., Org. Electron. 7, 457 (2006)). In diesem speziellen Fall kann aus den Energieniveaus abgeleitet werden, dass es nicht zu einer technisch relevanten Veränderung der Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht kommt. Auch im Dokument US 2007/034860 A1 wird eine solche Struktur beschrieben und sogar eine höhere Mobilität für die aktive Schicht im Vergleich zur Kapselschicht gefordert.
Aus dem Dokument DE 102 19 121 A1 ist ein organischer Feldeffekt-Transistor bekannt, bei dem in einer Halbleiterstrecke zwischen der Source- und der Drain-Elektrode Halbleiterpartikel und/oder Halbleitercluster eingelagert sind, mit denen ein zusätzliches elektrisches Feld gebildet wird, dass den Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktmaterialien und dem Halbleitermaterial vermindert.
Aus dem Dokument WO 2009/016301 A2 ist ein organischer Feldeffekt-Transistor bekannt, bei dem dotierte Schichten gebildet sind.
Das Dokument WO 2007/076960 A1 offenbart ein organisches Bauelement mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowie einer Anordnung organischer Schichten, die zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist. Die Anordnung organischer Schichten weist Ladungsträgertransportschichten zum Transportieren von aus der Elektrode und aus der Gegenelektrode in die Anordnung organischer Schichten injizierten Ladungsträgern auf. In der Anordnung organischer Schichten ist zwischen der Elektrode und einer der Elektrode gegenüberliegend angeordneten Ladungsträgertransportschicht eine Injektionsschicht aus einem molekularen Dotierungsmaterial gebildet, die in Kontakt mit der der Elektrode gegenüberliegend angeordneten Ladungsträgertransportschicht ist.
Das Dokument WO 2005/086251 A2 offenbart die Verwendung eines Metallkomplexes als n-Dotand für ein organisches halbleitendes Matrixmaterial.
Das Dokument DE 103 57 044 A1 offenbart ein Verfahren zum Dotieren von organischen Halbleitern mit Chinondiiminderivaten zur Veränderung der elektrischen Eigenschaften der dotierten Materialien.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten organischen Feldeffekt-Transistor zu schaffen, bei dem eine hohe Mobilität für die elektrischen Ladungsträger zur Verfügung gestellt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen organischen Feldeffekt-Transistor nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines organischen Feldeffekt-Transistors, insbesondere organischer Dünnschicht-Feldeffekt-Transistor, mit einer Gate-Elektrode, einer Drain-Elektrode und einer Source-Elektrode, einer aktiven Schicht aus organischem Material, die im Betrieb einen elektrischen Leitungskanal bildend ausgeführt ist, einer dielektrischen Schicht, welche die aktive Schicht von der Gate-Elektrode elektrisch isoliert, einer Dotierungsmaterial-Schicht, die aus einem molekularen Dotierungsmaterial besteht, dessen Moleküle aus zwei oder mehr Atomen bestehen und welches für das organische Material der aktiven Schicht ein elektrischer Dotand ist, und wobei die Dotierungsmaterial-Schicht in einem Grenzflächenbereich zwischen der aktiven Schicht und der dielektrischen Schicht oder benachbart zu dem Grenzflächenbereich gebildet ist. Die Dotierungsmaterial-Schicht ist von der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode beabstandet.
Mit Hilfe der Dotierungsmaterial-Schicht, die entweder im Grenzflächenbereich zwischen der aktiven Schicht und der dielektrischen Schicht oder benachbart hierzu angeordnet ist, erfolgt in den zu der Dotierungsmaterial-Schicht benachbarten Bereichen der aktiven Schicht eine Quasi-Dotierung in Form einer elektrischen Dotierung, die auf einem teilweisen Ladungstransfer zwischen dem molekularen Dotierungsmaterial einerseits und dem organischen Material der aktiven Schicht andererseits beruht. Störstellen in der aktiven Schicht, die beim Betrieb in dem Leitungskanal dazu führen, dass Ladungsträger, nämlich Elektronen oder Löcher, hierin gefangen werden, was die Beweglichkeit der Ladungsträger innerhalb des Leitungskanals vermindert, werden gesättigt, so dass diese gesättigten Störstellen den Stromfluss in dem Leitungskanal innerhalb der aktiven Schicht nicht länger behindern. Ungesättigte Störstellen führen dazu, dass Elektronen oder Löcher hier eingefangen werden, so dass diese Ladungsträger auf ihrem Weg durch den Leitungskanal zwischen Source- und Drain-Elektrode mehrfach in Störstellen gefangen und wieder freigelassen werden. Diese nachteilige Wirkung wird mit der Quasi-Dotierung wesentlich gemindert oder sogar ganz ausgeschlossen.
Die Dotierungsmaterial-Schicht kann als eine nicht geschlossene oder eine geschlossenen Schicht gebildet sein. Die geschlossenen oder nicht geschlossene Schicht, welche zum Beispiel von mehreren getrennten Teilbereichen gebildet sein kann, können auf einen Teilabschnitt der Ausdehnung des Grenzflächebereiches beschränkt sein. Die Schichtdicke der Dotierungsmaterial-Schicht beträgt bevorzugt höchsten ein Zehntel der Schichtdicke der aktiven schicht.
Verfahren zum Bestimmen der Ladungsträgermobilität in einem Feldeffekt-Transistor sind als solche in verschiedenen Ausführungen bekannt. Ein Beispiel ist in dem Dokument US 2004/0 191 952 A1 beschrieben. Aus dem Sättigungsbereich einer Strom-Spannungs-Kennlinie zwischen Source- und Drain-Elektrode wird dort die Mobilität für eine bestimmte Gate-Spannung ausgerechnet.
Als molekulares Dotierungsmaterial kann ein organisches oder ein nichtorganisches Material zum Einsatz kommen. Das organische Material der aktiven Schicht und das molekulare Dotierungsmaterial in der Dotierungsmaterial-Schicht bilden eine Kombination von Materialien, bei denen, wenn Sie in einer Schicht durchmischt angeordnet sind, eine elektrische Dotierung stattfindet, welche auf dem teilweisen Ladungstransfer zwischen den beiden Materialien beruht. Bei dem hier vorgeschlagenen Feldeffekt-Transistor befindet sich das organische Material jedoch in der aktiven Schicht, wohingegen das molekulare Dotierungsmaterial die Dotierungsmaterial-Schicht bildet.
Das molekulare Dotierungsmaterial kann für das organische Material der aktiven Schicht ein elektrischer Dotand in Form eines Akzeptors oder eines Donators sein. Im Fall der Ausbildung des elektrischen Dotanden als Donator ist ein organischer Feldeffekt-Transistor vom n-Typ gebildet. Ein organischer Feldeffekt-Transistor vom p-Typ ist gebildet, wenn der elektrische Dotand ein Akzeptor für das organische Material der aktiven Schicht ist.
Die Dotierung in Verbindung mit der elektrischen Leitfähigkeit ist gekennzeichnet durch einen Ladungsübertrag. Der Ladungsübertrag kann unvollständig oder vollständig erfolgen und lässt sich zum Beispiel mittels Auswertung von Schwingungsbanden einer FTIR („fourier-transformed infrared-spectroscopy”) Messung bestimmen.
Als n-Dotanden werden Donatoren genutzt. Ein Donator ist ein Molekül und/oder neutrales Radikal mit einem HOMO-Niveau (Festkörperionisationspotential) von kleiner als 3,3 eV, bevorzugt kleiner als 2,8 eV und weiter bevorzugt kleiner als 2,6 eV oder einem Gasphasenionisationspotential von kleiner als etwa 4.3 eV, bevorzugt kleiner als etwa 3.8 eV und weiter bevorzugt kleiner als etwa 3.6 eV. Das HOMO-Niveau des Donators kann aus cyclovoltammetrischen Messungen des Oxidationspotentials bestimmt werden. Alternativ kann das Reduktionspotential des Donatorkations in einem Salz des Donators bestimmt werden. Der Donator soll ein Oxidationspotential aufweisen, welches gegenüber Fc/Fc⁺ (Ferrocen(Ferrocenium Redoxpaar) kleiner oder gleich etwa –1,5 V, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa –2,0 V und weiter bevorzugt kleiner oder gleich etwa –2,2 V ist.
Als p-Dotanden werden Akzeptoren genutzt. Ein Akzeptor ist ein Molekül oder/und neutrales Radikal mit einem LUMO-Niveau von größer als etwa 4,5 eV, bevorzugt größer als etwa 4,8 eV und weiter bevorzugt von größer als etwa 5,04 eV. Das LUMO-Niveau des Akzeptors kann aus cyclovoltammetrischen Messungen des Reduktionspotentials bestimmt werden. Der Akzeptor weist ein Reduktionspotential auf, welches gegenüber Fc/Fc⁺ größer oder gleich etwa –0,3 V, vorzugsweise größer oder gleich etwa 0,0 V und weiter bevorzugt größer oder gleich etwa 0,24 V ist. Molare Masse des Akzeptors zwischen 100 und 2000 g/mol, bevorzugt zwischen 200 und 1000 g/mol, mehr bevorzugt between 300 g/mol and 2000 g/mol.
Der Akzeptor kann sich während des Schichtherstellungsprozesses oder des darauf folgenden Schichtherstellungsprozesses aus einem Pre-Cursor erst bilden. Das oben angegebene LUMO-Niveau des Akzeptors bezieht sieh dann auf die entstehende Spezies. Dotanden für die p-Dotierung von organischen Matrixmaterial können Chinone und Polychinone wie Chloranil, Tetracyanochinodimethane wie F₄TCNQ oder Lewis-Säuren wie FeCl₃ sein.
Molekulare Dotanden für die n-Dotierung von organischen Matrixmaterialen können beispielsweise sein: Metallkomplexe, insbesondere Schaufelradkomplexe wie Tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)dichrom (II) oder Tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)diwolfram (II), oder heteroaromatische Metallkomplexe wie Bis(2,2'-terpyridin) Ruthenium; metallorganische Komplexe wie Cobaltozen oder (eta6-Benzene)(eta5-Zyklopentadienyl) Eisen (II); Kationische Farbstoffe wie Kristallviolett Chlorid oder Pyronin B Chlorid; deren Leukobasen wie beispielsweise Leuko-Kristallviolett; Lewisbasen wie beispielsweise Akridinorange Base; Tetrathiafulvalen-Derivate wie Tetrathiafulvalene oder Bis(ethylen-dithiolo)tetrathiofulvalen.
Üblicherweise sind die Elektroden und die mehreren Schichten des organischen Feldeffekt-Transistors auf einem Substrat gebildet, beispielsweise als Dünnschichten. Es kann vorgesehen sein, dass mit dem Substrat selbst bereits eine oder mehrere der Elektroden zur Verfügung gestellt sind, die Elektrode(n) also Substrat bildend oder das Substrat eine oder mehrere Elektroden bildend sind, beispielsweise mittels nutzen eines Silizium-Substrates. Auf oder in dem Substrat können die Drain- und die Source-Kontakt oder alternativ die Gate-Elektrode gebildet sein.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dotierungsmaterial-Schicht benachbart zu dem Grenzflächenbereich in der dielektrischen Schicht gebildet ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Dotierungsmaterial-Schicht benachbart zu dem Grenzflächenbereich in der aktiven Schicht gebildet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Dotierungsmaterial-Schicht in einem Abstand von etwa ein bis etwa drei Monolagen gebildet ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dotierungsmaterial-Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 nm bis etwa 5 nm gebildet ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das molekulare Dotierungsmaterial eine molare Masse zwischen etwa 100 g/mol und etwa 2000 g/mol, bevorzugt zwischen etwa 200 g/mol und etwa 1000 g/mol aufweist. Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das molekulare Dotierungsmaterial mehr als sechs Atome, bevorzugt mehr als zwanzig Atome enthält.
Es kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Dotierungsmaterialien eine Glasübergangstemperatur (Tg) von größer als 75°C, bevorzugt von größer als 100°C und weiter bevorzugt von größer als 200°C aufweist. Auf diese Weise werden stabilere elektrische Eigenschaften ausgebildet. Mittels einer hohen Tg wird die Diffusion von dem Dotierungsmaterial minimiert, und die Schichten behalten ihre ursprünglichen Eigenschaften und Funktionen bei.
Vorteilhaft ist, wenn die Dotierungsmaterial-Schicht thermisch stabil ist, was die thermische Stabilität des der organische Feldeffekt-Transistor unterstützt. Eine gute Thermische Stabilität ist gegeben wenn das Molekül eine hohe molare Masse hat, eine größere Zahl von Atome enthält und eine höhere Tg aufweist. Dies kann gemessen werden, indem die Umgebungstemperatur für den Transistor langsam erhöht wird, zum Beispiel von Raumtemperatur auf etwa 300°C, beispielsweise in Schritten von 1°C, und hierbei der Strom auf eine gegebene Source-Drain-Spannung und eine gegebene Gate-Spannung gemessen werden. Eine größere Abweichung oder bruchartige Abweichung des Stroms weist dann auf die maximale Temperatur hin, bei der der Transistor noch stabil ist.
Die Dotierungsmaterial-Schicht kann als eine nicht geschlossene oder eine geschlossenen Schicht gebildet sein. Die geschlossenen oder nicht geschlossene Schicht, welche zum Beispiel von mehreren getrennten Teilbereichen gebildet sein kann, können auf einen Teilabschnitt der Ausdehnung des Grenzflächebereiches beschränkt sein. Die Schichtdicke der Dotierungsmaterial-Schicht beträgt bevorzugt höchsten ein Zehntel der Schichtdicke der aktiven Schicht.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors mit einer Kanaldotierung, wobei eine Dotierungsmaterial-Schicht im Grenzflächenbereich zwischen einer aktiven Schicht und einer dielektrischen Schicht angeordnet ist,
2 eine schematische Darstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors mit einer Kanaldotierung, wobei eine Dotierungsmaterial-Schicht benachbart zum Grenzflächenbereich zwischen der aktiven Schicht und der dielektrischen Schicht und innerhalb der aktiven Schicht angeordnet ist,
3 eine schematische Darstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors mit einer Kanaldotierung, wobei die Dotierungsmaterial-Schicht benachbart zum Grenzflächenbereich zwischen der aktiven Schicht und der dielektrischen Schicht und innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet ist,
4 eine grafische Darstellung des Drain-Stromes in Abhängigkeit von der Drain-Spannung für einen bekannten organischen Feldeffekt-Transistors zum Vergleich,
5 eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung für den bekannten organischen Feldeffekt-Transistor zum Vergleich,
6 eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Drain-Spannung für einen organischen Feldeffekt-Transistor mit Kanaldotierung,
7 eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung für den organischen Feldeffekt-Transistor mit Kanaldotierung wie in 6,
8 eine grafische Darstellung für die Drain-Sannung in Abhängigkeit von der Drain-Spannung für einen weiteren organischen Feldeffekt-Transistors mit Kanaldotierung und
9 eine grafische Darstellung der Drain-Spannung in Abhängigkeit von der Gate-Spannung für den weiteren organischen Feldeffekt-Transistor mit Kanaldotierung nach 8.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines organischen Feldeffekt-Transistors mit einer Kanaldotierung, bei dem auf einer Gate-Elektrode 1 eine dielektrische Schicht 2 gebildet ist, die die Gate-Elektrode 1 von einer aktiven Schicht 3 aus organischem Material elektrisch isoliert, in welcher im Betrieb mittels des Feldeffektes ein elektrischer Leitungskanal gebildet wird. Oberhalb der aktiven Schicht 3 aus organischem Material sind eine Source-Elektrode 4 sowie eine Drain-Elektrode 5 gebildet.
Im Grenzflächenbereich 6 zwischen der dielektrischen Schicht 2 und der aktiven Schicht 3 aus organischem Material ist eine Dotierungsmaterial-Schicht 7 aus einem molekularen Dotierungsmaterial hergestellt. Das molekulare Dotierungsmaterial ist ein elektrischer Dotand für das organische Material der aktiven Schicht 3. Die Dotierungsmaterial-Schicht 7 führt zu einer räumlich begrenzten Dotierung in der aktiven Schicht 3, so dass Störstellen in der aktiven Schicht 3 gesättigt werden. Diese Störstellen behindern somit nicht mehr den Stromfluss in dem Leitungskanal in der aktiven Schicht im Betrieb des organischen Feldeffekt-Transistors.
2 und 3 zeigen schematische Darstellungen von weiteren organischen Feldeffekt-Transistoren mit einer Kanaldotierung, wobei für gleiche Merkmale in den 2 und 3 dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet sind.
Bei der Ausführungsform im 2 ist die Dotierungsmaterial-Schicht 7 benachbart zu der dem Grenzflächenbereich 6 zwischen der dielektrischen Schicht 2 und der aktiven Schicht 3 innerhalb der aktiven Schicht 3 angeordnet.
Es wird angenommen, dass beim Anlegen einer Gate-Spannung die Ladungsträgerdichte im elektrischen Leitungskanal innerhalb der aktiven Schicht 2 in organischen Feldeffekt-Transistoren inhomogen verteilt ist. Praktisch der gesamte Ladungstransport soll innerhalb der ersten Monolagen der aktiven Schicht 2 stattfinden, die zum Grenzflächenbereich 6 benachbart sind (vgl. zum Beispiel A. Dodabalapur, et al., Science 268, 270 (1998)). Eine Monolage bezeichnet hier eine Schicht von Molekülen des Materials der aktiven Schicht 2 oberhalb des Grenzflächenbereiches 6, wobei die Schichthöhe nur ein Molekül beträgt. Die absolute Schichtdicke einer Monolage hängt bei Molekülen von der Orientierung ab, in der die Moleküle sich in Bezug auf den Grenzflächenbereich 6 auf der Substratoberfläche anordnen. Typische Werte für die Dicke einer Monolage beim organischen Halbleiter Pentacene sind beispielsweise je nach Molekülanordnung 1.5 nm bis 4 nm. Bevorzugt beträgt der Abstand der Dotierungsmaterial-Schicht 7 zum Grenzflächenbereich 6 wenige Monolagen des Halbleitermaterials, beispielsweise 1 bis 3 molekulare Monolagen.
Bei der Ausführungsform in 3 ist die Dotierungsmaterial-Schicht 7 nun benachbart zur dem Grenzflächenbereich 6 innerhalb der dielektrischen Schicht 2 gebildet.
Bei den verschiedenen Ausführungsformen in den 1 bis 3 führt das Vorsehen der Dotierungsmaterial-Schicht 7 im Grenzflächenbereich 6 zwischen der dielektrischen Schicht 2 und der aktiven Schicht 3 oder benachbart hierzu zu einer räumlich begrenzten elektrischen Dotierung innerhalb der aktiven Schicht 3 und somit benachbart zu dem im Betrieb hierin gebildeten elektrischen Leitungskanal. Dieses kann auch als Kanaldotierung bezeichnet werden.
Insbesondere in Halbleitern, die in dünnen Schichten (multi-)kristallin aufgewachsen werden können, beispielsweise Pentacene, kann mittels des Einbringen der Dotierungsmaterial-Schicht 7 direkt im Bereich der Grenzfläche 6 zur dielektrischen Schicht 2 die Kristallinität verringert werden, wodurch zusätzliche Streuprozesse verursacht werden, die die Mobilität der Ladungsträger in der aktiven Schicht 3 nachteilig beeinflussen können. Dem tragen insbesondere die Ausführungsformen in den 2 und 3 Rechnung, wo die Dotierungsmaterial-Schicht 7 benachbart zum Grenzflächenbereich 6 aufgetragen ist.
4 zeigt eine grafische Darstellung des Drain-Stromes in Abhängigkeit von der Drain-Spannung für einen bekannten organischen Feldeffekt-Transistor zum Vergleich.
5 zeigt eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung für den bekannten organischen Feldeffekt-Transistor zum Vergleich. Die Messwerte wurden für einen bekannten organischen Feldeffekt-Transistors auf Basis von Pentacene mit einer Top-Kontaktierung erfasst. Die Source- und die Drain-Elektrode bestehen aus Silber. Die aktive Schicht ist aus Pentacene. Die dielektrische Schicht ist aus querverlinktem Poly(4-Vinylphenol). Die Gate-Elektrode ist aus Indiumzinnoxid (ITO)hergestellt. Die dargestellten Kennlinien zeigen, dass der Drain-Strom im nA-Bereich liegt. Es wird kein signifikanter Feldeffekt vom n-Typ beobachtet.
6 zeigt eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Drain-Spannung für einen organischen Feldeffekt-Transistor mit Kanaldotierung. Im Vergleich zu dem bekannten organischen Feldeffekt-Transistor, für den die Werte in den 4 und 5 gezeigt sind, wurde zusätzlich zwischen die dielektrische Schicht und die aktive Schicht aus Pentacene eine Dotierungsmaterial-Schicht mit einer Schichtdicke vom 2 nm aus 10c,10c'-Bi(2,3,5,6-tetrahydro-1H,4H-3a,6a,10b-triazafluranthenyl eingebracht. Es ergibt sich, dass das Ausgangskennlinienfeld Ströme im μA-Bereich aufweist. Eine typische Charakteristik für einen n-Typ-Transistor des Anreicherungstyps ist geschaffen. 7 zeigt eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung. Die technischen Kenndaten des Transistors sind wie folgt: Mobilität μ = 9 × 10^–4 cm²/Vs, Schwellspannung V_TH = 18 V, An/Aus Verhältnis (120 V/0 V) 10.
8 zeigt eine grafische Darstellung für den Drain-Strom in Abhängigkeit von der Drain-Spannung für einen weiteren organischen Feldeffekt-Transistor mit Kanaldotierung. 9 zeigt eine grafische Darstellung des Drain-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung für den weiteren organischen Feldeffekt-Transistor mit Kanaldotierung nach 8.
Bei dem vermessenen organischen Feldeffekt-Transistor wurde auch auf der dielektrischen Schicht zunächst eine Pentacene-Schicht mit einer Dicke von 4 nm abgeschieden, was etwa einer Monolage dieses Materials entspricht. Hierauf wurde eine 2 nm dicke Schicht von 10c,10'-Bi(2,3,5,6-tetrahydro-ich,4H-3a,6a,10b-triazafluranthenyl) abgeschieden. Darauf wurde dann eine weitere Schicht aus Pentacene mit einer Dicke vom 50 nm aufgetragen. Bis auf die 2 nm dicke Schicht des molekularen Dotierungsmaterials entsprach der Aufbau des organischen Feldeffekt-Transistors dem Transistor, für welchen die Werte in den 4 und 5 gemessen wurden. Es ergibt sich, dass das Ausgangskennlinienfeld Ströme im μA-Bereich aufweist. Eine typische Charakteristik für einen n-Typ Transistor des Anreicherungstyps ist zu erkennen. Die technischen Kenndaten des Transistors sind: Mobilität μ = 1.9 × 10^–3 cm²/Vs, Schwellspannung V_TH = 19 V, An/Aus Verhältnis (120 V/0 V) ≈ 300. Sowohl Mobilität als auch An/Aus-Verhältnis sind bei diesem Transistor besser als bei dem in den 6. und 7 gezeigten Transistor.
Es wurde gezeigt, dass sich mittels der Dicke der Dotierungsmaterial-Schicht die Schwellspannung gezielt beeinflussen lässt. Das An/Aus-Verhältnis und die effektive Ladungsträgermobilität im elektrischen Leitungskanal erreichen ein Maximum bei der gewählten Schichtdicke von 2 nm. Schichtdicke und Position der Dotierungsmittel-Schicht ergeben also zwei Parameter, die variiert werden können je nach Anwendungsfall.
Beispiele für organische Materialien, die für die aktive Schicht 3 eingesetzt werden können, sind folgende Materialien: Fulleren C60 und C70 und Derivate; Pentacene und Derivate; Rubrene; Oligothiophenes und Derivate; Phthalocyanine und Metallophthalocyanine, und Derivate; PTCDI, Perylenetetracarboxylic Diimide, und Derivate; PPV, Poly(p-phenylenevinylene), und Derivate; PTV Poly(2,5-thienylenevinylene), und Derivate; P3HT poly(3-hexythiophene), und Derivate; PFO, Poly(9,9-dioctyliluoreiie), und Derivate; PCMB, [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester, und Derivate.
Beispiele für Donatoren, die in der Lage sind, mit den Molekülen der aktiven Schicht 3 einen Ladungstransfer unter Normalbedingungen zu vollziehen, sind folgende Materialien:Ru(terpy)2, bis(2, 2':6',2''-terpyridin)ruthenium und Tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidiato)ditungsten.
Beispiele für Akzeptoren, die in der Lage sind, mit den Molekülen der aktiven Schicht 3 einen Ladungstransfer unter Normalbedingungen zu vollziehen, sind folgende Materialien: F4 – TCNQ, 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8,-tetracyanoquinodimethane, und N,N'-dicyano-2,3,5,6,7,8-hexaluoro-1,4-naphthoquinonediimine.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Organischer Feldeffekt-Transistor, insbesondere organischer Dünnschicht-Feldeffekt-Transistor, mit: – einer Gate-Elektrode (1), einer Drain-Elektrode (5) und einer Source-Elektrode (4), – einer aktiven Schicht (3) aus organischem Material, die im Betrieb einen elektrischen Leitungskanal bildend ausgeführt ist, – einer dielektrischen Schicht (2), welche die aktive Schicht von der Gate-Elektrode (1) elektrisch isoliert, – einer Dotierungsmaterial-Schicht (7), die aus einem molekularen Dotierungsmaterial besteht, dessen Moleküle aus zwei oder mehr Atomen bestehen und welches für das organische Material der aktiven Schicht (3) ein elektrischer Dotand für eine auf einem teilweisen Ladungstransfer zwischen dem molekularen Dotierungsmaterial und dem organischen Material der aktiven Schicht (3) beruhende elektrische Dotierung ist, und wobei die Dotierungsmaterial-Schicht (7) in einem Grenzflächenbereich (6) zwischen der aktiven Schicht (3) und der dielektrischen Schicht (2) oder benachbart zu dem Grenzflächenbereich (6) gebildet ist, und wobei die Dotierungsmaterial-Schicht (7) von der Drain-Elektrode (5) und der Source-Elektrode (4) beabstandet ist.
Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsmaterial-Schicht (7) benachbart zu dem Grenzflächenbereich (6) in der dielektrischen Schicht (2) gebildet ist.
Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsmaterial-Schicht (7) benachbart zu dem Grenzflächenbereich (6) in der aktiven Schicht (3) gebildet ist.
Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsmaterial-Schicht (7) in einem Abstand von etwa ein bis etwa drei Monolagen zum Grenzflächenbereich (6) gebildet ist.
Feldeffekt-Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsmaterial-Schicht (7) mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 nm bis etwa 5 nm gebildet ist.
Feldeffekt-Transistor nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das molekulare Dotierungsmaterial eine molare Masse zwischen etwa 100 g/mol und etwa 2000 g/mol, bevorzugt zwischen etwa 200 g/mol und etwa 1000 g/mol aufweist.