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DE10226370B4 - Substrat für ein elektronisches Bauteil, Verwendung des Substrates, Verfahren zur Erhöhung der Ladungsträgermobilität und Organischer Feld-Effekt Transistor (OFET) - Google Patents

Substrat für ein elektronisches Bauteil, Verwendung des Substrates, Verfahren zur Erhöhung der Ladungsträgermobilität und Organischer Feld-Effekt Transistor (OFET) Download PDF

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Abstract

Substrat (1) eines elektronischen Bauteils, das mit einer organischen Funktionsschicht (3) beschichtet ist, wobei das Substrat (1) eine orientierte, biaxial gestreckte und damit geordnete Kunststofffolie ist und die Kunststofffolie die Ordnung auf die Funktionsschicht (3) überträgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Substrat für ein elektronisches Bauteil, eine Verwendung des Substrates, ein Verfahren zur Erhöhung der Ladungsträgermobilität und einen organischen Feld-Effekt Transistor auf dem ein organisches Funktionsmaterial in geordneter Form abgeschieden ist.
  • Beim Aufbau von elektrischen Schaltungen, die auf organischen Materialien basieren, wie z. B. bei organischen Dioden, Kondensatoren und insbesondere organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs), werden dünne Schichten eines organischen Funktionsmaterials auf geeigneten Substraten aus Silizium, Glas oder Kunststoff durch verschiedenartige Verfahren, wie Spin-Coating, Rakeln, Aufsprayen, Plotten, Drucken, Aufdampfen, Sputtern etc. aufgebracht. Um für die elektrische Performance günstige Materialeigenschaften wie zum Beispiel hohe elektrische Leitfähigkeit oder auch eine hohe Ladungsträgermobilität zu erhalten, ist es günstig, in dem organischen Funktionsmaterial eine gewisse molekulare Ordnung zu erzeugen.
  • In der Literatur werden neben einfachen Substraten aus Silizium [Z. Bao et al., Appl. Phys. Lett. 69 (26) (1996) 4108]; Polycarbonat [G. H. Gelinck et al., Appl. Phys. Lett. 77 (10) (2000) 1487] oder Polyimid [C. J. Drury et al., Appl. Phys. Lett. 73 (1) (1998) 108]; auch mechanisch vorbehandelte, d. h. gebürstete Polyimid-Substrate beschrieben, die eine geordnete. Abscheidung von konjugierten Polymeren als Halbleiter erleichtern und somit zu höheren Feldeffekten in OFETs im Vergleich zu unbehandeltem Polyimid führen [H. Sirringhaus et al., Science 290 (2000) 2123]. Die mechanische Vorbehandlung ist aufwendig, d. h. stellt einen zusätzlichen Prozessschritt dar und kann dazu führen, dass die Oberfläche des Substrats angegriffen wird.
  • Aus der US 2002 041427 Α1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines kristallinen, optisch nicht-linearen (NLO) Films bekannt, bei der mit Hilfe einer nur zu diesem Zweck aufgebrachten Zwischenschicht (alignment layer) eine geordnete Aufbringung des NLO-Films erleichtert wird.
  • Aus der US 6326640 Β1 ist eine Lösung des Problems, die Ladungsträgermobilität einer organischen Funktionsschicht zu erhöhen, bekannt. Dabei wird gelehrt, dass das Strecken in eine bestimmte Vorzugsrichtung die Ladungsträgermobilität verbessert.
  • Neben diesen Versuchen, eine geordnete Aufbringung eines Funktionsmaterials zu erleichtern und/oder bis zu einem bestimmten Grad zu garantieren, gibt es bislang noch keine Methode, ein Funktionsmaterial geordnet auf das Substrat aufzubringen. Die geordnete Aufbringung eines organischen Funktionsmaterials ist jedoch entscheidend für dessen Ladungsträgerbeweglichkeit. Es besteht daher ständig der Bedarf, Methoden zur Verfügung zu stellen, mit denen besser geordnete Schichten aus Funktionsmaterial erzeugt werden können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Substrat zu schaffen, das eine geordnete Oberfläche hat, die eine orientierte und geordnete Aufbringung/Abscheidung eines organischen Funktionsmaterials ermöglicht.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Substrat eines elektronischen Bauteils, das mit einer organischen Funktionsschicht beschichtet ist, wobei das Substrat eine orientierte, gestreckte und damit geordnete Kunststofffolie ist und die Kunststofffolie die Ordnung auf die Funktionsschicht überträgt.
  • Als Substrat, Untergrund oder untere Schicht wird hier jede Schicht bezeichnet, die als Träger einer Schicht mit organischem Funktionsmaterial dienen kann. Es kann sich durchaus auch um eine Folie zur Verkapselung handeln, beispielsweise wenn ein OFET in einem Bottom-up Layout aufgebaut wird.
  • Der Begriff "organisches Material" oder "Funktionsmaterial" oder "(Funktions-)Polymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder organisch-anorganischen Kunststoffen (Hybride), insbesondere die, die im Englischen z. B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z. B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "polymer" im Funktionspolymer ist historisch bedingt und enthält insofern keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren Verbindung.
  • Erfindungsgemäß wird eine biaxial gestreckte orientierte und zumindest teilkristalline Kunststofffolie eingesetzt. Beispielsweise eignet sich eine Folie aus isotaktischem Polypropylen, Polyamid, Polyethylen, Polyethylenterephtalat, Polyphthalamid, Polyethylen, Polyetherketonketon (PEKK), Polyetheretherketon (PEEK), syndiotaktisches Polystyrol, Polyvinylidendifluorid, Polytetrafluorethylen etc.
  • Durch die bereits bei der Herstellung und der nachfolgenden Prozessierung der Polymerfolien erfolgende Streckung werden im Substrat und damit auch auf seiner Oberfläche teilweise hochgeordnete Kristallite in Form von parallel liegenden Molekülketten bzw. Kettenteilen erzeugt, die es ermöglichen, konjugierte Polymere und auch organische Materialien mit niederem Molekulargewicht (Monomere, Oligomere und/oder "small molecules") in sowohl leitender und nichtleitender Form als auch in halbleitender und nichthalbleitender Form geordnet abzuscheiden. Das Aufbringen der besagten organischen Funktionsschicht kann dabei aus Lösung (Spin-Coating, Drucken, Plotten, Rakeln etc.) aber auch aus der Gasphase (Aufdampfen, Sputtern etc.) erfolgen. Durch die Orientierung des Substrates dient dieses als sogenanntes "alignment template" und führt zur Bildung von hochgeordneten Bereichen im abgeschiedenen Funktionsmaterial, was zu höheren Leitfähigkeiten und/oder höheren Ladungsträgermobilitäten führt.
  • Im folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur erläutert:
    Zu sehen ist das Substrat 1, vorzugsweise eine biaxial gestreckte Kunststofffolie, beispielsweise eine Folie aus Polyethylenterephtalat (PET) darauf Source und Drain Elektroden 2 (beispielsweise aus leitfähigem Polyanilin (PANI)). Die Halbleiterschicht 3 wird so auf das Substrat aufgebracht, dass sie in direktem Kontakt mit der biaxial gestreckten Kunststofffolie 1 abgeschieden wird. Somit entsteht eine Ordnung innerhalb der Halbleiterschicht, durch die eine besser Beweglichkeit der Ladungsträger erzielt wird. Dazu wird beispielsweise eine Lösung von Poly(3-hexylthiophen) in Chloroform durch Spin-coating auf das Substrat 1 aufgeschleudert, so dass eine 100 nm dünne und homogene Polymerschicht entsteht. Nach einem Trocknungsschritt wird eine elektrisch isolierende Polystyrolschicht 4 als Gatedielektrikum aufgeschleudert.
  • Zur Herstellung der Gate-Elektrode 5 wird in einer dem Fachmann geläufigen Methode (Sputtern etc) verfahren.
  • Ein derartig auf einem durch Verstreckung vororientiertem Substrat aufgebrachter organischer Feldeffekt-Transistor (OFET) zeigt Ladungsträgermobilitäten von μ > 10–3 cm2/Vs. Dieser Wert liegt mehrere Größenordnungen über den Mobilitäten, die in OFETs mit identischem Aufbau, jedoch mit einem nichtorientiertem Substrat (z. B. Silizium oder Siliziumoxid) möglich sind.
  • Durch die Erfindung wird es erstmals möglich, mit der Wahl eines geeigneten Substrats die Ladungsträgermobilität in organischen Halbleitern um Größenordnungen zu steigern.

Claims (6)

  1. Substrat (1) eines elektronischen Bauteils, das mit einer organischen Funktionsschicht (3) beschichtet ist, wobei das Substrat (1) eine orientierte, biaxial gestreckte und damit geordnete Kunststofffolie ist und die Kunststofffolie die Ordnung auf die Funktionsschicht (3) überträgt.
  2. Substrat (1) nach Anspruch 1, wobei die Kunststofffolie aus isotaktischem Polypropylen, Polyamid, Polyethylen, oder Polyethylenterephtalat ist.
  3. Substrat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Funktionsschicht (3) aus einem organischen halbleitenden Material besteht.
  4. Verfahren zur Erhöhung der Ladungsträgermobilität einer leitenden oder halbleitenden Schicht (3) aus organischem Material, bei dem die leitende oder halbleitende Schicht (3) auf einem Substrat (1) mit einer orientierten, biaxial gestreckten und damit geordneten Kunststofffolie aufgebaut wird.
  5. Verwendung eines Substrats (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines OFETs.
  6. Organischer Feld-Effekt-Transistor (OFET) mit einem Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine halbleitende organischen Funktionsschicht (3) aus organischem Material mit einer Ladungsträgermobilität von μ > 10–3 cm2/Vs hat.
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