DE10329247A1

DE10329247A1 - Verbindung zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage, eine Schichtstruktur, ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur

Info

Publication number: DE10329247A1
Application number: DE10329247A
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Halik; Günter Dr. Schmid; Hagen Dr. Klauk; Ute Zschieschang
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-27
Also published as: WO2005001952A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage, insbesondere zur Bildung einer Schichtstruktur für einen organischen Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch DOLLAR A a) mindestens eine Ankergruppe (1) zur Bindung des Moleküls (10) an ein Substrat, insbesondere ein Elektrodenmaterial (6), DOLLAR A b) mindestens eine dielektrische Gruppe (2), DOLLAR A c) mindestens eine halbleitende Gruppe (3). DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung eine Schichtstruktur aus der Verbindung, ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung der Schichtstruktur. Damit ist es möglich, die Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere für organische Feldeffekttransistoren, zu vereinfachen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Schichtstruktur gemäß Anspruch 15, ein Halbleiterbauelement mit einer Schichtstruktur gemäß Anspruch 26 und ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur gemäß Anspruch 27.
Systeme mit integrierten Schaltungen basierend auf organischen Feldeffekttransistoren (OFET) stellen eine zukunftsträchtige Technologie im Massenanwendungsbereich preiswerter Elektronik dar. Ein Feldeffekttransistor gilt insbesondere als organisch, wenn die halbleitende Schicht aus einem organischen Material hergestellt ist.
Da sich mit OFET komplexe Schaltungen aufbauen lassen, bestehen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So gilt beispielsweise die Einführung von RF-ID (RF-ID: radio frequency identification) Systemen basierend auf dieser Technologie als potentieller Ersatz für den störanfälligen und nur in direktem Sichtkontakt zum Scanner anwendbaren Barcode.
Organische Feldeffekttransistoren bestehen normalerweise aus mindestens vier verschiedenen, übereinander aufgebrachten Schichten: einer Gateelektrode, einem Dielektrikum, einer Source-Drain-Kontaktschicht und einem organischen Halbleiter. Die Reihenfolge der Schichten kann dabei variieren. Damit die Funktionalität entsteht, müssen die einzelnen Lagen strukturiert werden, was relativ aufwändig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere für organische Feldeffekttransistoren vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verbindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Verbindung sind drei unterschiedliche funktionelle chemische Gruppen aufeinander abgestimmt: mindestens eine Ankergruppe, mindestens eine dielektrische Gruppe und mindestens eine halbleitende Gruppe.

Ankergruppen an sich sind in den Artikeln von G. M. Whitesides et al., "Formation of Monolayer Films by the Spontaneous Assembly of Organic Thiols from Solution onto Gold" JACS, vol. 111, p. 321–335 (1989) und von J.H. Menzel et al., "Mixed silane selfassembled monolayers and their in situ modification" Thin Solid Films, vol. 327–9, p. 199–203 (1998) beschrieben.

Dielektrische Schichten sind in dem Artikel von J. Collet, D. Vuillaume, "Nano-field effect transistor with an organic SAM gate insulator" APL vol. 73, p. 2681(1998) beschrieben.

Organische Halbleiter sind grundsätzlich bekannt, wobei ein Überblick über das Gebiet dem Artikel von Katz, H. E., Bao, Z. & Gilat, S. L. "Synthetic chemistry for ultrapure, processable, and high-mobility organic thin film transistor semiconductors". Acc. Chem. Res. 34, 359–369 (2001) zu entnehmen ist.

Die Erfindung betrifft einen Molekülaufbau, mit dem die beschriebenen drei Gruppen in einer Verbindung integriert werden:

a) mindestens eine Ankergruppe zur Bindung der Verbindung an ein Substrat, insbesondere eine Elektrodenmaterial,
b) mindestens eine dielektrische Gruppe,
c) mindestens eine halbleitende Gruppe.

Damit ist es möglich, eine selbstorganisierende Monolage aufzubauen, bei denen die einzelnen Gruppen unterschiedliche Schichten ausbilden.

Dieser Molekülaufbau zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage ermöglicht z.B. einen preiswerten Aufbau von organischen Feldeffekttransistoren, die aufgrund der im Molekül integrierten extrem dünnen Dielektrikumsschicht bei sehr geringen Spannungen betrieben werden können. Mit auf dieser Weise hergestellten organischen Transistoren lassen sich integrierte Schaltungen mit höherer Leistungsfähigkeit herstellen, wie Sie zum Beispiel bei RF-ID Anwendungen gefordert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbindung weisen mindestens eine Spacergruppe und / oder mindestens eine Quervernetzergruppe auf.

Auch Quervernetzer sind grundsätzlich bekannt (siehe z.B. B. Vollmert "Polymer Chemistry" Springer Verlag New York, Heidelberg 1973).

Ferner sind Spacergruppen grundsätzlich bekannt. Sie dienen zur Trennung von zwei funktionellen Gruppen in organischen Verbindungen, damit diese sich nicht gegenseitig beeinflussen.

Die mindestens eine Spacergruppe dient zur räumlichen Beabstandung von benachbarten Verbindungen der gleichen Art oder einer anderen Art. Die mindestens eine Quervernetzergruppe dient zur mechanischen Verstärkung einer Bindung mit benachbarten Verbindungen der gleichen Art oder einer anderen Art.

In vorteilhafter Weise ist die Verbindung im Wesentlichen linear ausgebildet und weist jeweils genau eine Ankergruppe, eine dielektrische Gruppe, eine halbleitende Gruppe, eine Spacergruppe und eine Quervernetzergruppe auf, wobei die Reihenfolge der dielektrischen Gruppe, der halbleitenden Gruppe, der Spacergruppe und der Quervernetzergruppe innerhalb der Verbindung beliebig ist. Durch eine bestimmte Wahl der Reihenfolge der Gruppen in der Verbindung kann die Funktion der Verbindung in einer Monolage gezielt beeinflusst werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vom Substrat aus gesehen die dielektrische Gruppe unterhalb der halbleitenden Gruppe angeordnet. Diese Reihenfolge ist z.B. für die Herstellung von Monolagen aus den Verbindung für organische Feldeffekttransistoren gut geeignet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn vom Substrat aus gesehen, die Quervernetzergruppe am entfernten Ende der Verbindung liegt, wobei unterhalb der Quervernetzergruppe eine Spacergruppe angeordnet ist. Bei dieser Reihenfolge lässt sich eine Quervernetzung, z.B. durch thermische, chemische oder photochemische Einwirkungen besonders leicht durchführen.

Mit Vorteil weist mindestens eine Ankergruppe ein
ein Thiol,
ein Chlorsilan, insbesondere Trichlorsilan,
ein Alkoxysilan, insbesondere Trialkoxysilangruppen,
ein Amin,
ein Amid und / oder
ein Phosphin auf.

Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine dielektrische Gruppe eine n-Alkylkette aufweist, insbesondere mit n = 6 ... 20. Eine zu lange Kette kann zu Problemen bei der Selbstorganisation führen, eine zu kurze Kette kann zu mangelhaften Isolationseigenschaften führen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindung weist eine mindestens eine halbleitende Gruppe (3)
ein α, α'-Oligothiopene,
ein Thiophen-Phenyl-Oligomer und / oder
ein kondensiertes Aromat, insbesondere ein Pentazen und /
oder ein Tetrazen auf. Auch kann mindestens eine halbleitende Gruppe eine der folgenden Gruppen aufweisen:

Als Sparergruppe wird vorteilhafterweise mindestens ein m-Alkyl mit m = 2 ...6 verwendet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindung weist mindestens eine Quervernetzergruppe auf, die eine polymerisierbare Mehrfachbindung, insbesondere ein Acrylat, ein Methacrylat, ein aktiviertes Alken und / oder ein aktiviertes Alkin aufweist und / oder eine polymerisierbare zyklische Gruppe aufweist.

Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Quervernetzergruppe eine Gruppe aufweist, die eine intermolekulare Wechselwirkung zur Bildung eines Netzwerkes mit anderen Molekülen aufweist, insbesondere eine Gruppe mit einer Möglichkeit zur Wasserstoffbrückenbindung und / oder einer Gruppe mit einer Möglichkeit zur van-der-Waals-Bindung enthält und / oder dass mindestens eine Quervernetzergruppe eine der folgenden Gruppen aufweist:

Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Quervernetzergruppe eine Carbonsäure und / oder ein Amid aufweist.

Die Aufgabe wird auch durch eine Schichtstruktur zur Verwendung in einem organischen Halbleiterbauelement, insbesondere einem organischen Feldeffekttransistor, gelöst. Erfindungsgemäß weist diese Schichtstruktur eine molekulare Monolage mit Verbindungen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 auf.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungen in der Monolage parallel zueinander angeordnet sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Moleküle in der Monolage zur Ausbildung von Schichten die gleichen Gruppen in der gleichen Reihenfolge aufweisen, wobei die Gruppen im Wesentlichen die gleichen Längen aufweisen. Damit ergeben sich in der Monolage horizontale Schichten, in denen chemische Gruppen gleicher Funktionalität liegen (z.B. eine dielektrische Schicht oder eine halbleitende Schicht).

Zur Ausbildung von besonders flachen Halbleiterbauelementen ist es vorteilhaft, wenn eine Schicht bestehend aus der dielektrischen Gruppe (2) und der halbleitenden Gruppe (3) zwischen 3 und 10 nm dick ist.

Für die Herstellung eines Halbleiterbauelementes ist es vorteilhaft, wenn ein Basis-Substrat einen Halbleiterwafer, insbesondere aus Silizium, Glas, Kunststoff und / oder Papier aufweist. Auf diesen Materialien lassen sich metallische und / oder organische Materialien abscheiden.

Es ist vorteilhaft wenn das Substrat, auf dem z.B. eine Monolage abgeschieden werden soll, insbesondere ein Elektrodenmaterial oder eine Gateelektrode, eine Metallschicht, insbesondere aus Gold, Kupfer, Platin oder Palladium und / oder eine Metalloxidschicht, insbesondere aus Titan und / oder Aluminium aufweist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Ankergruppe einer Verbindung auf das Substrat, insbesondere das Elekrodenmaterial abgestimmt ist. Bei einem Substrat mit einer metallischen Oxidschicht, insbesondere einer Titan- oder Aluminiumoxidschicht ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe ein Chlorsilan und / oder ein Alkoxysilan aufweist. Bei einem Substrat mit einer Goldschicht ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe ein Thiol aufweist. Bei einem Substrat mit einer Kupferschicht ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe ein Amin und / oder einem Amid aufweist. Bei einem Substrat mit einer Palladiumschicht ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Ankergruppe ein Phosphin aufweist.

Die Aufgabe wird auch durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 24 gelöst, wenn es eine Schichtstruktur gemäß mindestens einem der Ansprüche 14 bis 23 aufweist.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur gemäß mindestens einem der Ansprüche 14 bis 23 nach Anspruch 25 gelöst.

Dabei wird auf einer Baugruppe mit einem Basis-Substrat (7) eine Monolage (11) einer Verbindung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 durch Aufdampfen, aus einer Lösung abscheiden und / oder einem Tauchprozess aufgebracht.

Insbesondere zur Herstellung eines Feldeffekttransistors ist es vorteilhaft, wenn eine Monolage auf ein zuvor strukturiertes Substrat, insbesondere ein Elektrodenmaterial aufgebracht wird.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Monolage nach dem Aufbringen auf ein Basis-Substrat und / oder ein Substrat durch thermische, photochemische und / oder chemische Einwirkung quervernetzt wird. Dadurch wird die Monolage mechanisch stabilisiert, so dass eine weitere Prozessierung auf der Oberfläche der Monolage vorgenommen werden kann.

Vorteilhafterweise wird eine Metallschicht als Source-Drain-Schicht (8a, 8b) auf die Monolage aufgebracht, um z.B. eine kompakte Feldeffekttransistorstruktur zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung;
2 eine schematische Darstellung von mehreren, parallel zueinander angeordneten Verbindungen zur Bildung einer Schichtstruktur;
3 allgemeine Formel der Verbindung zur Bildung einer Schichtstruktur;
4a–4c chemische Formeln für Ankergruppen (4a), halbleitende Gruppen (4b) und eine Quervernetzergruppen (4c);
5 einen schematischen Aufbau eines organischen Feldeffekttransistors mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtstruktur;
6-b Ausgangs- und Durchgangskennlinie eines organischen Feldeffekttransistors mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schichtstruktur.
In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung 10 dargestellt, mit dem selbstorganisierende Monolagen 11 (siehe 2) hergestellt werden können. Die Verbindung 10 ist im Wesentlichen linear aufgebaut, wobei eine Ankergruppe 1 dazu dient, die Verbindung 10 an ein hier nicht dargestelltes Elektrodenmaterial 6 als Substrat zu binden. Die Ankergruppe 1 ist hier als eine Chlorsilangruppe ausgebildet. Grundsätzlich kann die Monolage auch auf ein anderes Substrat als ein Elektrodenmaterial 6 aufgebracht werden.
Alternativ kann die Ankergruppe 1 Gruppen gemäß 4a aufweisen, wobei das erste Beispiel in 4a die Chlorsilangruppe ist, die auch in dem Beispiel der 1 verwendet wird. Die anderen Gruppen sind Alkoxysilane mit n-Alkyl-Resten (C₁ bis C₆), Amine, Amide und Phosphine. Auf die Anpassung der Ankergruppe 1 an ein bestimmtes Oberflächenmaterial des Substrates 6 wird in Zusammenhang mit 2 eingegangen.
Oberhalb der Ankergruppe 1 ist in der Verbindung 10 eine dielektrische Gruppe 2 als Nichtleiter angeordnet. Dies ist im vorliegenden Beispiel eine n-Alkylgruppe, mit n = 6...20. Ketten mit n > 20 erscheinen unzweckmäßig, da sich mit zunehmender Länge die Selbstorganisation von Monolagen 11 schwerer einstellt. Ketten mit n < 6 könnten zu einer Verschlechterung der Isolationswirkung führen.
Durch die Länge der dielektrischen Gruppe 2 kann in einer Monolage 11 (siehe 2) die Dicke der Isolatorschicht eingestellt werden.
Oberhalb der dielektrischen Gruppe 2 ist eine halbleitende Gruppe 3 angeordnet, die hier eine Polythiophenkette aufweist. Besonders gut eignen sich ein α, α'-Oligothiophene, Thiophen-Phenyl-Oligomere und / oder kondensierte Aromate, insbesondere ein Pentacen und / oder ein Tetrazen. Entsprechende halbleitende Gruppen 3 sind in 4b dargestellt.
Oberhalb der halbleitenden Gruppe 3 ist eine relativ kurze Spacergruppe 4 mit einer m-Alkylkette (m = 2...6) angeordnet. Eine Alkylkette mit m > 6 erscheint nicht sinnvoll, da eine längere Sparergruppe 4 als Injektionsbarriere zwischen der Topelektrode und einer Halbleiterschicht wirken würde.
Zuoberst ist eine Quervernetzergruppe 5 angeordnet, die grundsätzlich jede polymerisierbare Gruppe aufweisen kann. Beispiele sind Acrylate, Methacrylate, aktivierbare Alkene und / oder aktivierbare Alkine. Beispielhaft sind mögliche Gruppen für Quervernetzer in 4c angegeben. Ferner ist es möglich, dass auch Gruppen verwendet werden, die über intramolekulare Wechselwirkungen (z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, van-der-Waals-Kräfte) eine Quervernetzung erreichen können. Beispiele dafür wären Carbonsäuren oder Amide.
Allerdings darf die räumliche Ausdehnung der Quervernetzungsgruppen 5 nicht zu groß sein, da sonst in einer Monolage 11 (siehe 2) die Packung der darunterliegenden halbleitenden Schicht, die meist auf π-π Wechselwirkung beruht, gestört werden könnte, wodurch der halbleitende Effekt vermindert wird.
Eine verallgemeinerte Struktur der Verbindung ist in 3 dargestellt. Die darin angegebene Nomenklatur bezieht sich auf die Molekülgruppen in 4a bis 4c. Mit X werden die Ankergruppen 1, mit Y die halbleitenden Gruppen 3 und mit Z die Quervernetzergruppen 5 bezeichnet.
Im 2 wird beschrieben, in welcher Weise aus Verbindungen 10 eine Schichtstruktur (Monolage 11) gebildet werden kann, die für organische Feldeffekttransistoren einsetzbar ist.
Dazu wird in 2 eine selbstorganisierende Struktur von Verbindungen 10 gewählt, die im Wesentlichen aus der Verbindung 10 der 1 besteht. Die Ankergruppe 1 ist an eine Titanschicht mit einer natürlichen Oxidschicht auf einem Elektrodenmaterial 6 gebunden. Da Elektrodenmaterial 6 bildet hier eine Elektrode für einen organischen Feldeffekttransistor.
Die Ankergruppen 1 können der entsprechenden Oberflächen des Elektrodenmaterials 6 angepasst werden. Für Metallschichten, insbesondere Metallschichten mit natürlichen Oxiden (Titan, Aluminium) werden bevorzugt Chlorsilane und / oder Alkoxysilane verwendet. Für Goldschichten werden bevorzugt Thiole, für Kupferschichten werden bevorzugt Amine und / oder Amide und für Palladium werden bevorzugt Phosphine als Ankergruppen 1 verwendet.
Die linearen Verbindungen 10 sind im Beispiel im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die Längen der Ankergruppen 1, der dielektrischen Gruppen 2, der halbleitenden Gruppen 3, der Spacergruppen 4 und der Quervernetzergruppen 5 sind dabei jeweils gleich, so dass sich eine Monolage mit einer horizontalen Schichtenstruktur ausbildet. Es ist vorteilhaft, wenn alle Verbindungen 10 einer Monolage 11 gleich sind.
Damit werden ein organischer Halbleiter, ein organischer Isolator und mechanischen Verstärker (Quervernetzung) in einer Verbindung 10 vereinigt. Die Verbindungen 10 binden sich aufgrund der integrierten Ankergruppe 1 selektiv an ein geeignetes Elektrodenmaterial und bilden aufgrund ihrer chemischen Struktur großflächig geordnete Schichten (Monolagen). Nach der Quervernetzung (mechanische Verstärkung der Schicht) lassen sich darauf problemlos weitere Strukturen definieren (z.B. Source-Drain-Elektroden) ohne die Schicht zu zerstören.
Im vorliegenden Fall wird in 1, 2 und 3 eine bestimmte Reihenfolge der Gruppen 1, 2, 3, 4, 5 innerhalb der Verbindung 10 beschrieben. Abgesehen von der Ankergruppe 1, die bei linearen Verbindungen 10 immer an einem Ende der Verbindung 10 angeordnet ist, ist aber die Reihenfolge der Gruppen 2, 3, 4, 5 innerhalb der Verbindung 10 grundsätzlich beliebig. So können z.B. die halbleitende Gruppe 3 und die dielektrische Gruppe 2 innerhalb der Verbindung 10 vertauscht werden, so dass sich eine andere Schichtenfolge ergibt.
Auch sind die Ankergruppe 1, die dielektrische Gruppe 2, die halbleitende Gruppe 3, die Spacergruppe 4 und die Quervernetzergruppe 5 in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils homogen aus einer chemischen Gruppe zusammengesetzt. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass z.B. die halbleitende Gruppe 3 aus unterschiedlichen halbleitenden Gruppen 3 (z.B. Thiophenen und Aromaten) zusammengesetzt ist.
Nach Aufbringen einer Source-Drain-Lage auf diese Monolage 11 zeigt die Anordnung Feldeffekttransistor Charakteristik mit hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten und zwar bei sehr geringen Spannungen um die 2V.
5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines organischen Feldeffekttransistors 100 als Beispiel für ein Halbleiterbauelement mit einer selbstorganisierten, vernetzten Monolage 11, wie sie in 2 beschrieben wurde.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Feldeffekttransistors 100 beschrieben.
Auf ein Basissubstrat 7 (z.B. Siliziumwafer, Glas, Kunststofffolie, Papier) wird mit Hilfe von Standardverfahren, wie z.B. thermisches Verdampfen, Sputtern etc.) eine Metallschicht (z.B. Titan, Aluminium, Palladium, Gold etc.) aufgebracht. Mittels photolithographischen Verfahren, Drucktechniken und Ätzverfahren (trocken-, nasschemisch) werden in dieser Metallschicht Strukturen, wie z.B. eine Gateelektrode 6 eingebracht.
Diese Baugruppe (Basis-Substrat 7 mit Gateelektrode 6) wird für 1 Minute in eine 1 bis 10 %ige Lösung der oben beschriebenen Verbindungen 10 zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage 11 getaucht. Das Lösungsmittel ist inert und je nach der Ankergruppe 1 trocken. Als Lösungsmittel sind z.B. Alkohole, Toluol, Xylol, n-Hexan, Acteon und / oder PGMEA geeignet.
Anschließend wird die beschichtete Baugruppe mit reinem Lösungsmittel abgespült, um überschüssige, nicht gebundene Verbindungen 10 zu entfernen. Dann wird die beschichtete Baugruppe mit Wasser gewaschen und getrocknet.
Die Baugruppe mit der Monolage 11 wird im Folgenden stabilisiert, d.h, quervernetzt. Dazu wird je nach verwendeter Quervernetzergruppe 5 eine thermische Initialisierung (z.B. bei 100 bis 200°C für 5 Minuten) durchgeführt. Auch kann eine Quervernetzung chemisch, insbesondere säurekatalytisch oder photochemisch (z.B. durch Bestrahlung durch UV-Licht entsprechender Dosis) erfolgen.
Nunmehr ist die Monolage 11 mechanisch stabilisiert und es kann die Source-Drain-Lage 8a, 8b definiert werden.
Zur Fertigstellung des Feldeffekttransistors 100 wird eine weitere Metallage (z.B. aus Gold, Platin oder Palladium) aufgebracht. Diese wird mittels Standardverfahren (z.B. Photolithographie) zur Source-Drain-Schicht 8a, 8b strukturiert. Alternativ zu der Metallschicht können auch leitfähige organische Materialien (z.B. leitfähige Polymere) für die Source-Drain-Schicht 8a, 8b verwendet werden.
Zur Herstellung integrierter Schaltungen ist eine Verbindung der einzelnen Kontaktlagen notwendig. Dazu müssen vor der Abscheidung der Source-Drain-Lage 8a, 8b an entsprechenden Stellen Kontaktlöcher definiert werden.
Der Transistoraufbau auf dem Basis-Substrat 7 erfolgt verglichen mit herkömmlichen Methoden sehr einfach, da durch die Kombination von Dielektrikum und Halbleiter in einer Verbindung 10 die einzelne Abscheidung der Lagen entfällt. Die Abscheidung der Materialien auf einem vorher definierten Elektrodenmaterial 6 (Gateelektrode) kann sowohl durch thermisches Verdampfen als auch aus einer Lösung heraus erfolgen. Somit lassen sind diese Materialien auch durch preiswerte Verfahren, wie Tauchprozesse abscheiden. Die Abscheidung ist selektiv und verläuft sehr schnell, bedingt durch die Ankergruppen 1, die spezifisch für das Gateelektrodenmaterial 6 gewählt werden können (siehe Beschreibung im Zusammenhang mit 2).
Die 6a und 6b zeigen Strom-Spannungs-Kennlinien, die mit organischen Feldeffekttransistoren ermittelt wurden, die mit Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Monolagen 11 versehen waren. In 6a ist die typische Ausgangskennlinienschar für einen OFET zu erkennen. Die Gate-Source Spannung variiert zwischen –0,5 und –2 V. Deutlich sind die sich ausbildenden flachen Abschnürbereiche für den Drain-Strom zu erkennen.
Bei den in 6a und 6b dargestellten Versuchen betrug die Ladungsträgerbeweglichkeit 0,2 cm²/Vs bei 1 V Betriebsspannung. Der Subthreshold Swing betrug 240 mV/Dekade, das Ein/Aus Verhältnis war 10³, die Schwellspannung betrug –0,1 V.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen 10 und die daraus hergestellten Schichtstrukturen bieten im Wesentlichen folgende Vorteile gegenüber konventionellen Materialien und deren Prozessierung.

– Es werden nur extrem geringe Spannungen zum Betreiben der Transistoren und Schaltungen benötigt (1–2 V; siehe 6a, 6b)
– Selektives simultanes Abscheiden der Isolator- und Halbleiterschicht auf das Substrat (Elektrodenmaterialien).
– Die Schichten werden chemisch auf dem Substrat (Elektrodenmaterial) fixiert.
– Die Prozessführung durch Tauchprozesse ist kostengünstig, wobei die Abscheidung einer Lage eingespart wird.
– Es werden mechanisch und elektrisch stabile Oberflächen durch Quervernetzung erhalten, die durch Folgeprozesse leicht strukturierbar sind.
– Aufgrund der dünnen Schichten sind extrem dünne Devicearchitekturen möglich (Isolator- und Halbleiterschicht sind typischerweise ca. 3–10 nm dick).
– Aufgrund der vorhanden Chemie besteht eine große chemische Variationsmöglichkeit der Verbindungen, so dass die elektrischen Eigenschaften leicht variierbar sind.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Verbindung, der erfindungsgemäßen Schichtstruktur, dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement und dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
Im Folgenden wird beispielhaft die Herstellung eines organischen Feldeffekttransistors beschrieben.

1: Ankergruppe
2: dielektrische Gruppe
3: halbleitende Gruppe
4: Spacergruppe
5: Quervernetzergruppe
6: Elektrodenmaterial (Substrat)
7: Basissubstrat
8a, b: Source-Drain-Lage
10: Verbindung (Molekül)
11: Monolage
100: Halbleiterbauelement

Claims

Verbindung zur Bildung einer selbstorganisierenden Monolage, insbesondere zur Bildung einer Schichtstruktur für einen organischen Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch a) mindestens einer Ankergruppe (1) zur Bindung der Verbindung (10) an ein Substrat, insbesondere ein Elektrodenmaterial (6), b) mindestens eine dielektrische Gruppe (2), c) mindestens eine halbleitende Gruppe (3).
Verbindung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Spacergruppe (4) zur räumlichen Beabstandung von benachbarten Verbindungen (10) der gleichen Art oder einer anderen Art.
Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Quervernetzergruppe (5) zur mechanischen Verstärkung einer Bindung mit benachbarten Verbindungen (10) der gleichen Art oder einer anderen Art.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (10) im Wesentlichen linear ausgebildet ist und jeweils genau eine Ankergruppe (1), eine dielektrische Gruppe (2), eine halbleitende Gruppe (3), eine Spacergruppe (4) und eine Quervernetzergruppe (5) aufweist, wobei die Reihenfolge der dielektrischen Gruppe (2), der halbleitenden Gruppe (3), der Spacergruppe (4) und der Quervernetzergruppe (5) innerhalb der Verbindung (10) beliebig ist.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Substrat (6) aus gesehen, die dielektrische Gruppe (2) unterhalb der halbleitenden Gruppe (3) angeordnet ist.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Substrat (6) aus gesehen, die Quervernetzergruppe (5) am entfernten Ende der Verbindung (10) liegt, wobei unterhalb der Quervernetzergruppe (5) eine Spacergruppe (4) angeordnet ist.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ankergruppe (1) ein Thiol, ein Chlorsilan, insbesondere Trichlorsilan, ein Alkoxysilan, insbesondere Trialkoxysilangruppen, ein Amin, ein Amid und / oder ein Phosphin aufweist.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dielektrische Gruppe (2) eine n-Alkylkette aufweist, insbesondere mit n = 6 ... 20.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mindestens eine halbleitende Gruppe (3) ein α, α'-Oligothiopene, ein Thiophen-Phenyl-Oligomer und / oder ein kondensiertes Aromat, insbesondere ein Pentacen und / oder ein Tetrazen aufweist.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine halbleitende Gruppe (3) eine der folgenden Gruppen aufweist:
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spacergruppe (4) ein m-Alkyl aufweist, mit m = 2 ...6.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Quervernetzergruppe (5) eine polymerisierbare Mehrfachbindung, insbesondere ein Acrylat, ein Methacrylat, ein aktiviertes Alken und / oder ein aktiviertes Alkin aufweist und / oder eine polymerisierbare zyklische Gruppe aufweist.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Quervernetzergruppe (5) eine Gruppe aufweist, die eine intermolekulare Wechselwirkung zur Bildung eines Netzwerkes mit anderen Verbindungen aufweist, insbesondere eine Gruppe mit einer Möglichkeit zur Wasserstoffbrückenbindung und / oder einer Gruppe mit einer Möglichkeit zur van-der-Waals-Bindung.
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Quervernetzergruppe (5) eine der folgenden Gruppen aufweist:
Verbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Quervernetzergruppe (5) eine Carbonsäure und / oder ein Amid aufweist.
Schichtstruktur zur Verwendung in einem organischen Halbleiterbauelement, insbesondere einem organischen Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch eine molekulare Monolage mit Verbindung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15.
Schichtstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (10) in der Monolage (11) parallel zueinander angeordnet sind.
Schichtstruktur nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (10) in der Monolage (11) zur Ausbildung von Schichten die gleichen Gruppen in der gleichen Reihenfolge aufweisen, wobei die Gruppen im Wesentlichen die gleichen Längen aufweisen.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht bestehend aus der dielektrischen Gruppe (2) und der halbleitenden Gruppe (3) zwischen 3 und 10 nm dick ist.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basis-Substrat (7) ein Halbleiterwafer, insbesondere aus Silizium, Glas, Kunststoff und / oder Papier aufweist.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6), insbesondere ein Elektrodenmaterial oder eine Gateelektrode eine Metallschicht, insbesondere aus Gold, Kupfer, Platin oder Palladium und / oder eine Metalloxidschicht, insbesondere aus Titan und / oder Aluminium aufweist.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (6), insbesondere ein Elektrodenmaterial mit einer metallischen Oxidschicht, insbesondere einer Titan- oder Aluminiumoxidschicht mindestens eine Ankergruppe (1) mit einem Chlorsilan und / oder einem Alkoxysilan aufweist.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (6), insbesondere ein Elektrodenmaterial mit einer Goldschicht mindestens eine Ankergruppe (1) mit einem Thiol aufweist.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (6), insbesondere ein Elektrodenmaterial mit einer Kupferschicht mindestens eine Ankergruppe (1) mit einem Amin und / oder einem Amid aufweist.
Schichtstruktur nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (6), insbesondere ein Elektrodenmaterial mit einer Palladiumschicht mindestens eine Ankergruppe (1) mit einem Phosphin aufweist.
Halbleiterbauelement, insbesondere ein organischer Feldeffekttransistor mit einer Schichtstruktur gemäß mindestens einem der Ansprüche 16 bis 25.
Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur gemäß mindestens einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Baugruppe mit einem Basis-Substrat (7) eine Monolage (11) eines Verbindung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 durch Aufdampfen, aus einer Lösung abscheiden und / oder einem Tauchprozess aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Monolage auf ein zuvor strukturiertes Substrat (6), insbesondere einem Elektrodenmaterial aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Monolage (11) nach dem Aufbringen auf ein Basis-Substrat (7) und / oder ein Substrat (6) durch thermische, photochemische und / oder chemische Einwirkung quervernetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Monolage (11) eine Metallschicht als Source-Drain-Schicht (8a, 8b) auf die Monolage aufgebracht wird.