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DE69104204T2 - Mis-struktur-dünnschichttransistor mit isolator und halbleiter aus organischem material. - Google Patents

Mis-struktur-dünnschichttransistor mit isolator und halbleiter aus organischem material.

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DE69104204T2
DE69104204T2 DE69104204T DE69104204T DE69104204T2 DE 69104204 T2 DE69104204 T2 DE 69104204T2 DE 69104204 T DE69104204 T DE 69104204T DE 69104204 T DE69104204 T DE 69104204T DE 69104204 T2 DE69104204 T2 DE 69104204T2
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DE
Germany
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thin
effect transistor
alkyl
film field
transistor according
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Denis Fichou
Francis Garnier
Gilles Horowitz
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht-Feldeffekttransistor (TFT, thin film transistor), bei dem die Materialien, aus denen der Halbleiter und das isolierende Material bestehen, beide organische Materialien sind.
  • Es ist bekannt, daß Feldeffekttransistoren mit MIS- (metal/isolator/semiconductor-)-Struktur eine als Gateelektrode bezeichnete Metallelektrode aufweisen, die auf einer Seite einer Schicht aus einem isolierenden Material aufgebracht ist, dessen andere Seite mit einer Schicht aus einem Halbleitermaterial bedeckt ist, das zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangselektrode für den Strom vorgesehen ist, die als Source bzw. Drain bezeichnet werden. Bei Anlegen eines Potentials an die Gateelektrode wird ein elektrisches Feld erzeugt, aufgrund dessen Ladungen im Halbleiter in der Nähe der isolierenden Schicht auftreten. Auf diese Weise wird in dem Bereich des Halbleiters, der sich zwischen Source und Drain befindet, eine Art Brücke erzeugt, die leitend gemacht werden kann und im allgemeinen als 'Kanal' bezeichnet wird. Wenn durch Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode der Kanal leitend wird, spricht man von einem Transistor vom 'Anreicherungstyp', da der Hauptstrom ansteigt, wenn ein Potential an die Gateelektrode angelegt wird. Bei anderen Transistorsystemen ist der Kanal leitend, wenn keine Spannung an der Gateelektrode anliegt; in diesem Fall wird durch Anlegen eines Potentials an die Gateelektrode der Kanalstrom blockiert. In diesem Fall spricht man entsprechend von einem Transistor vom 'Verarmungstyp'.
  • Die herkömmlichen Feldeffekttransistoren mit MIS-Struktur, die üblicherweise als MISFETs bezeichnet werden, werden allgemein auf einein Träger aus Silicium aufgebaut, der zur Erzeugung von Leitfähigkeit stark dotiert ist. Auf einer Seite des Trägers wird eine Metallschicht aufgebracht, um die Spannung an die Gateelektrode anlegen zu können. Auf der anderen Fläche des Trägers wird eine isolierende Schicht aus Siliciumdioxid aufwachsen gelassen. Auf dieser Siliciumdioxidschicht wird eine halbleitende Schicht vorgesehen, wobei die beiden metallischen Kontakte Source bzw. Drain darstellen. Source und Drain können mit der isolierenden Schicht in Kontakt stehen oder oberhalb der Schicht aus dem Halbleiter angeordnet sein.
  • In jüngster Zeit wurde die Herstellung von Dünnschicht- Feldeffekttransistoren angegeben, bei denen der Halbleiter eine dünne Schicht aus einem organischen Polymer, wie etwa Polyacetylen, darstellt; vgl. z.B. EP-A-298 628. Bei den aus dieser Druckschrift bekannten Transistoren besteht die isolierende Schicht aus herkömmlichen anorganischen Isoliermaterialien (Siliciumdioxid, Siliciumnitrid), jedoch ist auch vorgesehen, hierfür Polymere mit guten Isolationseigenschaften zu verwenden, ohne daß allerdings ein konkretes Beispiel für ein derartiges isolierendes Material und eine entsprechende Realisierung angegeben sind.
  • Es ist ferner bekannt, daß der Ersatz der halbleitenden organischen Polymeren durch Oligomere mit definierter Molekülmasse eine Verbesserung der Beweglichkeit der Ladungsträger erlaubt. So wurde vor kurzem ein Dünnschichttransistor vom TFT-Typ beschrieben, bei dem der Halbleiter aus α- Sexithienyl besteht, das auf einem isolierenden Material aus Siliciumdioxid aufgebracht ist. Bei einem derartigen Transistor konnte unter Feldeinfluß im Vergleich zur Ladungsträgerbeweglichkeit bei einer vergleichbaren Vorrichtung, deren Halbleiter aus einem Polymer, d.h. Polymethylthiophen, bestand, eine deutlich verbesserte Ladungsträgerbeweglichkeit festgestellt werden. Im Fall des α-Sexithienyls erreicht die Beweglichkeit der Ladungsträger unter Feldeinwirkung 0,84 10&supmin;³cm V&supmin;¹ s&supmin;¹. Dieser Wert ist 10 bis 100mal größer als der Wert, der mit vergleichbaren Transistoren erhalten wird, bei denen als Halbleiter Polymere wie Poly-3-methylthiophen und Polyacetylen verwendet sind; vgl. z.B. G. Horowitz et al., Solid State Communications, Vol. 72, Nr. 4 (1989) Seiten 381-384.
  • Es wurde nun festgestellt, daß die Beweglichkeit der Ladungsträger unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes bei TFT-Transistoren dadurch weiter verbessert werden kann, daß ein organischer polykonjugierter Halbleiter mit einer definierten Molekülmasse (im Gegensatz zu Polymeren) mit einem geeignet gewählten isolierenden organischen Polymer kombiniert wird. Die Erfindung erlaubt so eine Verbesserung der Eigenschaften von Dünnschicht-Feldeffekttransistoren Aufgrund der Realisierung eines 'vollständig organischen' Systems ist es ferner möglich, derartige Transistoren auf Trägern beliebiger Form zu erzeugen, einschließlich elastischen Trägern aus Polymermaterialien.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist entsprechend ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor (TFT) mit MIS-Struktur, der zwischen einer Source und einem Drain eine dünne Schicht aus einem Halbleiter aufweist, die mit der einen Fläche einer dünnen Schicht aus einem isolierenden Material in Kontakt steht, die mit ihrer anderen Fläche mit einer leitfähigen Gateelektrode in Verbindung steht, wobei der Halbleiter aus mindestens einer polykonjugierten organischen Verbindung mit definierter Molekülmasse besteht; der Dünnschicht-Feldeffekttransistor ist dadurch gekennzeichnet, daß die polykonjugierte organische Verbindung bzw. die polykonjugierten organischen Verbindungen mindestens 8 konjugierte Bindungen enthalten und eine Molekülmasse von nicht mehr als etwa 2000 aufweisen und die dünne Schicht aus einem isolierenden organischen Polymer hergestellt ist, das eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 5 aufweist.
  • Wie aus dem nachstehenden experimentellen Teil im einzelnen hervorgeht, wurde festgestellt, daß das Isolationsvermögen nicht das einzige Kriterium bei der Auswahl des isolierenden Materials darstellt und auch die Dielektrizitätskonstante des isolierenden Materials in Betracht gezogen werden muß. Vorzugsweise wird ein isolierendes Material mit einer Dielektrizitätskonstante von mindestens 6 verwendet. Die Wahl eines derartigen isolierenden Materials beeinflußt die Struktur der Übergangsschicht des Halbleiters, was sich in einer Verbesserung der Ladungsbeweglichkeit zeigt. Aus diesem Grund ist festzuhalten, daß sich die Erfindung auf die Kombination eines nichtpolymeren organischen Halbleiters mit einem polymeren isolierenden Material mit einer hinreichend hohen Dielektrizitätskonstante bezieht.
  • Von den verwendbaren isolierenden Polymeren ist insbesondere Polyvinylalkohol zu nennen, der vorzugsweise in kristalliner Form aufgebracht wird. Besonders interessante Ergebnisse werden mit einer dünnen isolierenden Schicht aus Cyanoethylpullulan erhalten. Cyanoethylpullulan ist bekanntlich ein Polysaccharidderivat, das durch Umsetzung von Pullulan mit Acrylnitril in Gegenwart eines alkalischen Katalysators erhalten wird. Cyanoethylpullulan besitzt eine gute Löslichkeit in verschiedenen organischen Lösungsmitteln und besitzt gute Haftungseigenschaften auf Substraten, wie Metallen oder Glas. Cyanoethylpullulan, dessen Herstellung in US-A-4 322 524 beschrieben ist, ist durch die Firma Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Tokyo (Japan), im Handel.
  • Die Verwendung definierter chemischer Verbindungen als Halbleiter bringt verschiedene Vorteile (insbesondere der Reproduzierbarkeit) gegenüber der Verwendung von Polymeren mit sich, die Gemische von Makromolekülen unterschiedlicher Größe darstellen. Derartige definierte chemische Verbindungen sind leichter zu verarbeiten als Polymere: Es ist allgemein leichter, sie in Lösung zu bringen, und es ist ferner möglich, sie zu verdampfen oder zu sublimieren. Darüber hinaus führt die Herstellung von Polymeren mit hoher Molekülmasse zu Makromolekülen mit Defekten, deren Anzahl mit der Kettenlänge ansteigt und die sich insbesondere in einer Verringerung der Ladungsträgerbeweglichkeit zeigen.
  • Zur Erzielung einer ausreichenden Ladungsträgerbeweglichkeit des Halbleiters unter Feldeinwirkung ist es günstig, wenn der Halbleiter mindestens 8 und vorzugsweise mindestens 10 konjugierte Bindungen (Doppelbindungen und ggfs. Dreifachbindungen) aufweist.
  • Vorzugsweise werden Halbleiter mit einer Beweglichkeit der Ladungsträger unter Feldeinwirkung von mindestens gleich 10&supmin;³ cm² V&supmin;¹ s&supmin;¹ und insbesondere von mindestens gleich 10&supmin;¹ cm² V&supmin;¹ s&supmin;¹ ausgewählt.
  • Von den verwendbaren polykonjugierten organischen Verbindungen sind insbesondere Verbindungen zu erwähnen, die ausgewählt sind unter:
  • - konjugierten Oligomeren, deren Einheiten Phenylengruppen, die ggfs. substituiert sind, enthalten oder aus ihnen bestehen,
  • - polycyclischen aromatischen orthokondensierten oder ortho- und perikondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffen mit 4 bis 20 kondensierten Ringen,
  • - Polyenen der Formel
  • H-[C(T&sub1;)=C(T&sub2;)]r-H,
  • in der T&sub1; und T&sub2; unabhängig -H oder niederes Alkyl und r eine ganze Zahl von 8 bis 50 darstellen,
  • - konjugierten Oligomeren, deren wiederkehrende Einheiten mindestens einen fünfgliedrigen heterocyclischen Ring enthalten.
  • Zu den konjugierten Oligomeren, die Phenylengruppen enthalten, gehören insbesondere die Verbindungen der Formel I
  • in der bedeuten:
  • - R"&sub1;, R"&sub2; und Z&sub1; unabhängig -H, Cl, F, Trifluormethyl oder Nitro,
  • - Y' -C(T&sub1;)=C(T&sub2;)-,
  • -C C-,
  • -N(R')-,
  • -N N-,
  • -C(R') N-,
  • -N=C(R')-,
  • wobei T&sub1; und T&sub2; unabhängig -H oder niederes Alkyl und R' -H, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl oder substituiertes Aryl darstellen,
  • - n' die Zahl 0 oder 1,
  • - n" die Zahl 0 oder 1 und
  • - n eine ganze Zahl, die 3 bis 12 betragen kann.
  • Von den Oligomeren der Formel I sind insbesondere die Verbindungen zu nennen, in deren Formel Z&sub1; gleich -H ist. Wenn die Gruppe Z&sub1; von -H verschieden ist, kann sie beim Ausgangsprodukt vorliegen oder nach der Oligomerisierungsreaktion nach bekannten Verfahren eingeführt werden.
  • Von den Oligomeren, die Phenylen-Einheiten enthalten, sind insbesondere die Oligomeren des p-Polyphenylens zu nennen, die beispielsweise nach dem von Kovacic und Koch, J. Org. Chem., Vol. 28 (1963) Seiten 1864-1867, beschriebenen Verfahren hergestellt werden können.
  • Zu den kondensierten aromatischen polycyclischen Kohlenwasserstoffen gehören insbesondere die orthokondensierten oder ortho- und perikondensierten polycyclischen Verbindungen der Formel II
  • d.h., Verbindungen, die der Bruttoformel
  • C4t+10H2t+8
  • entsprechen, worin t eine ganze Zahl von 2 bis 15 sein kann.
  • Von diesen Verbindungen, die bekannte Verbindungen darstellen, sind insbesondere die Polyacene zu nennen.
  • Die Polymeren mit einer definierten Anzahl von Einheiten können aus konjugierten Oligomeren, die fünfgliedrige Heterocyclen enthalten, erhalten werden; hierunter sind insbesondere diejenigen Verbindungen zu nennen, die der Formel III entsprechen, Einheiten
  • worin bedeuten:
  • - X und X' unabhängig O, S, Se, Te oder -N(R)-, worin R H, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl oder substituiertes Aryl darstellen,
  • - R&sub1;, R&sub2;, R'&sub1;, R'&sub2;, R'&sub3; und R"&sub3; unabhängig -H, Cl, F, -CF&sub3;, -NO&sub2;, -CN, -COOR&sub3;, -N(R&sub4;)(R&sub5;), Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl, substituiertes Aryl, Alkoxy oder Polyalkoxy, worin
  • R&sub3; Alkyl oder substituiertes Alkyl oder ein Metall,
  • R&sub4; H, Alkyl oder substituiertes Alkyl und
  • R&sub5; Alkyl, Acyl oder Aryl darstellen
  • oder worin die Paare R&sub1; und R&sub2; und/oder R'&sub1; und R'&sub2; zusammen eine zweiwertige Kohlenwasserstoffgruppe darstellen, die ggfs. ungesättigt oder ggfs. durch mindestens ein Heteroatom unterbrochen ist und/oder mindestens ein endständiges Heteroatom aufweist,
  • - Y, Y&sub1;, Y&sub2; und Y&sub3; unabhängig
  • -C(R')=C(R")--
  • -C C--
  • -N(R')--
  • -N=N--
  • -C(R')=N--
  • -N=C(R')-,
  • wobei R' und R" unabhängig -H, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl oder substituiertes Aryl darstellen,
  • - a, b, a', b' die Zahlen 0 oder 1
  • - und Y&sub1; außerdem ggfs. eine cyclische oder heterocyclische Arylgruppe, wobei dann b = 1 und a' = 0 sind,
  • - s und t ganze Zahlen einschließlich Null, von denen mindestens eine von Null verschieden ist, und
  • - m' eine ganze Zahl mindestens gleich 1, wobei die Zahlen s, t und m' so gewählt sind, daß
  • m'(s+t)=m
  • ist, worin m eine ganze Zahl von 4 bis 24 darstellt.
  • Bei den Oligomeren der Formel III können die Einheiten A und A' regelmäßig alternierend oder auch nichtalternierend sein. Darüber hinaus können die Substituenten und/oder Heteroatome der Einheiten in ein und demselben Oligomer verschieden sein.
  • Die heterocyclischen Oligomeren der Formel III können aus entsprechenden Monomeren oder niederen Oligomeren durch oxidative Kupplung nach einem Verfahren hergestellt werden, das in FR-A-8 907 610 (Anmelder Centre National de la Recherche Scientifique (C.N.R.S.), Anmeldetag 8. Juni 1989, Titel "Procédé de préparation d'oligomères d'hétérocycles aromatiques par couplage oxydant d'oligomères inférieurs") und in der entsprechenden Anmeldung EP-A-90401576, Anmeldetag 8. Juni 1990, beschrieben ist. Dieses Verfahren besteht darin, daß das Ausgangsprodukt in Lösung in einem nicht mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel einer oxidativen Kupplung bei einem Oxidationspotential unterzogen wird, das kleiner ist als das der Polymerisationsreaktion, wobei ein entsprechendes Oligomer erhalten wird, dessen Anzahl wiederkehrender Einheiten mindestens doppelt so groß ist wie beim Ausgangsprodukt. Die oxidative Kupplung kann insbesondere mit einer Lewis-Säure oder einer Br nsted-Säure vorgenommen werden. Von den Lewis-Säuren sind FeCl&sub3;, MoCl&sub5;, CuCl&sub2; und RuCl&sub3; zu nennen. Von den Br nsted-Säuren können oxidierende organische Säuren, wie H&sub2;SO&sub4;, HNO&sub3; und HClO&sub4;, erwähnt werden. Die oxidative Kupplung kann auch durch anodische Oxidation in einer Elektrosynthesezelle vorgenommen werden, wobei in einem organischen Lösungsmittel gearbeitet wird, welches das Ausgangs- Oligomer und einen Elektrolyten enthält; so wird beispielsweise an eine inerte Elektrode, die in das organische Lösungsmittel eingetaucht ist, welches das Ausgangs-Oligomer und einen Elektrolyten enthält, unter Rühren ein anodisches Potential angelegt, das gerade ausreicht, um die Kupplung zu bewirken, ohne daß diese bis zur Polymerisation führt, wobei insbesondere dann, wenn das gebildete höhere Oligomer im Medium unlöslich ist, beim kleinsten Potential gearbeitet wird, bei dem eine Fällung festgestellt wird. Das organische Lösungsmittel kann unter Benzol, Chlorbenzol, Chlornaphthalin, Methylenchlorid, Chloroform und Benzonitril ausgewählt werden.
  • Von den Oligomeren der Formel III sind insbesondere diejenigen zu nennen, in deren Formel R'&sub3; und/oder R"&sub3; -H bedeuten. Die Gruppen R'&sub3; und/oder R"&sub3;, die von -H verschieden sind, können am Ausgangs-Monomer vor der Oligomerisation vorliegen oder nach der Oligomerisation nach bekannten Verfahren eingeführt werden.
  • Die als Ausgangsmaterial verwendeten Oligomeren können nach bekannten Verfahren ausgehend von entsprechenden Monomeren und/oder niederen Oligomeren hergestellt werden. So kann beispielsweise im Fall der Thiophenderivate nach Verfahren gearbeitet werden, die in folgenden Druckschriften beschrieben sind: J. Kagan et al., J. Org. Chem. 48 (1983) 4317; J. Kagan et al., Heterocycles, Vol. 20, Nr. 10 (1983) 1937-1940, 1983; J. Kagan et al., Tetrahedron Letters, Vol. 24, Nr. 38 (1983) 4043-4046; J. Nakayama et al., Heterocycles, Vol. 26, Nr. 4 (1987) 937 und Vol. 27, Nr. 7 (1988) 1731-1754; K. Tamao et al., Tetrahedron, 38(22) (1982) 3347; S. Tasaka et al., Synth. Met. 16 (1986) 17; T. Kauffmann et al., Angew. Chem. internat. Edit, Vol. 10, Nr. 10 (1971) 741; B. Krische et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1987) 1476; D.D. Cunningham et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1987) 1021; R. Shabana et al., Phosphorus, Sulfur and Silicon, Vol. 48 (1990) 239-244; A. Pelter et al., Tetrahedron Letters 30 (1989) 3461. Die als Ausgangsmaterial eingesetzten Monomeren sind ihrerseits bekannt oder können nach bekannten Verfahren hergestellt werden; vgl. z.B. EP-A-240 063 und EP-A-257 573, US-A-4 731 408, FR-A-2 527 844 und M. Kobayashi et al., J. Chem. Phys. 82, 12 (1985) 5717-5723.
  • Der erfindungsgemäße Transistor kann allgemein unter Anwendung an sich bekannter Techniken hergestellt werden. Auf dem gewählten Träger, der beispielsweise ein Träger aus Glas oder einem thermoplastischen Polymer sein kann, wird die metallschicht, welche die Gateelektrode bildet, beispielsweise durch Sputtern oder Aufdampfen aufgebracht. Die metallische Gateelektrode kann ferner auch aus einem stark dotierten Halbleiter oder einem organischen Leiter bestehen, beispielsweise einem leitenden Polymer. Anschließend wird die isolierende Schicht in Form einer Lösung des isolierenden Polymers in einem organischen Lösungsmittel aufgebracht, wonach das Lösungsmittel abgedampft oder verdampfen gelassen wird. Die isolierende Schicht kann ferner auch durch Aufdampfen oder durch sog. 'Spin-coating' aufgebracht werden. Anschließend wird die Halbleiterschicht entweder durch Aufdampfen oder in Form einer Lösung in einem organischen Lösungsmittel aufgebracht, woran sich ein Abdampfen des Lösungsmittels anschließen kann. Vor dem Aufbringen des Halbleiters kann ferner die Oberfläche des isolierenden Materials in bekannter Weise durch mechanische Behandlung (wie z.B. durch Bürsten) oder elektrische Behandlung (beispielsweise durch Corona-Entladung) so modifiziert werden, daß eine Orientierung der Halbleitermoleküle an der Grenzfläche zwischen dem isolierenden Material und dem Halbleitermaterial erzielt wird. Schließlich werden, beispielsweise durch Aufdampfen, die metallischen Elektroden aufgebracht, die Source bzw. Drain darstellen. Gemäß einer Variante können die Elektroden, die Source und Drain darstellen, direkt auf der isolierenden Schicht aufgebracht werden, wonach die Halbleiterschicht aufgebracht wird. Die Geometrie des Transistors ist frei wählbar, sofern sie mit der Verwendung des Feldeffekttransistors in Einklang steht.
  • Die isolierende Schicht besitzt allgemein eine Dicke von 0,5 bis 10 um und insbesondere im Bereich von 1 bis 3 um. Einer der Vorteile der Verwendung eines Polymers besteht darin, daß es möglich ist, leicht relativ dicke Schichten zu erzielen, wodurch Risiken einer Rißbildung verringert werden können.
  • Der Halbleiter wird in Form einer Schicht einer Dicke von beispielsweise 20 bis 200 nm aufgebracht. Der Halbleiter wird allgemein in neutraler (nicht ionischer) Form und ohne Zusatz eines Dotierungsmittels aufgebracht. Es ist allerdings auch gewünschtenfalls möglich, nach üblichen Verfahren ein Dotierungsmittel einzubringen.
  • Die erfindungsgemäßen Transistoren eigen sich für alle Anwendungen, bei denen Dünnschicht-Feldeffekttransistoren eingesetzt werden, z.B. als Schalt- und Verstärkerelemente. Diese Verwendung wird von der Erfindung mit umfaßt.
  • Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung, sind jedoch nicht einschränkend.
    • Beispiel 1
  • Als Träger wird eine Glasplatte einer Größe von 1 cm x 2,5 cm verwendet. Darauf wird zur Erzeugung der Gateelektrode ein Goldstreifen durch Sputtern aufgebracht. Das isolierende Polymer wird in Form einer Lösung (Aufbringen von 1 ml Lösung mit einer Hamilton-Spritze) aufgetragen, wonach das Lösungsmittel verdampfen gelassen wird.
  • Die eingesetzten Lösungsmittel und die angewandten Polymerkonzentrationen sind in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt. Tabelle I Polymer Lösungsmittel Konzentration (g/l) CYEPL: Cyanoethylpullulan PVA: Polyvinylalkohol (Aldrich Chemie) PVC: Polyvinylchlorid (Aldrich Chemie) PMMA: Polymethylmethacrylat (Aldrich Chemie) PSt: Polystyrol (Aldrich Chemie).
  • Die Dicke der isolierenden Schicht wird durch Messung ihrer Kapazität bei 100 kHz zwischen der Gateelektrode und einer auf der isolierenden Schicht aufgedampten Goldelektrode kontrolliert. Auf der isolierenden Schicht wird durch Vakuumaufdampfung unter einem Druck von 5 10&supmin;³ Pa eine Schicht aus α-Sexithienyl abgeschieden. Die Dicke der Halbleiterschicht wird mit einer Quarz-Mikrowaage kontrolliert, wobei von einer Dichte von 1,38 g/cm³ fur α- Sexithienyl ausgegangen wird. Die Herstellung des Dünnschichttransistors wird durch Aufdampfen von zwei Goldelektroden einer Dicke von 25 nm, die voneinander durch einen Zwischenraum von 90 um getrennt sind, abgeschlossen, wobei diese Elektroden Source bzw. Drain bilden.
  • Alle elektrischen Messungen wurden an der Luft und bei Umgebungstemperatur durchgeführt, wobei Wolfram-Mikrosonden zur elektrischen Kontaktierung herangezogen wurden. Die Strom-Spannungs-Kennlinien wurden mit einem kombinierten Gerät aus Picoampèremeter und Spannungsquelle (Hewlett Packard 4140B) erhalten. Die Messung der Kapazität erfolgte mit einem Impedanzanalysator vom Typ HB 4192A. Die beiden Geräte waren von einem Mikrocomputer HP310 gesteuert.
  • Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengefaßt. Tabelle II isolierendes Material Dielektrizitätskonstante εr (bei 10 kHz) Ladungsträgerbeweglichkeit im Feld (cm² V&supmin;¹ s&supmin;¹) Spannung (Schwellenwert) (V) Kapazität (nF/cm²) a) nicht meßbar wegen zu geringen Feldeffekts b) kein Feldeffekt
  • Ein Beispiel für die Verstärkungscharakteristik ist in der anliegenden Figur 1 dargestellt, in der an der Abszisse die Source-Drain-Spannung Vds und an der Ordinate die Drain- Stromstärke (Id) angetragen sind, wobei die Meßwerte bei verschiedenen Werten der Source-Gate-Spannung Vgs erhalten wurden (im rechten Teil der Figur angegeben).
  • Es ist festzustellen, daß die bei den verschiedenen untersuchten Lösungsmitteln festgestellten unterschiedlichen Beweglichkeiten unter Feldeffekt nicht den Unterschieden der elektrischen Kapazität des Systems zugeschrieben werden können, da sämtliche untersuchten Vorrichtungen eine analoge Kapazität von größenordnungsmäßig 10 nF/cm² aufwiesen. Das gute Isolationsvermögen der dünnen Schicht zwischen der Gateelektrode und dem Halbleiter ist entsprechend nicht das einzige Kriterium, das hier in Betracht zu ziehen ist; es wurde festgestellt, daß das isolierende Material ferner auch eine ausreichend hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen muß. Obgleich diese Überlegungen im Rahmen der Erfindung keine Verbindlichkeit besitzen und auch keinesfalls zu einer einschränkenden Auslegung des vorliegenden Patentgegenstands herangezogen werden dürfen, wird angenommen, daß der Effekt der Verbesserung der Beweglichkeit durch eine bessere strukturelle Organisation des auf dem isolierenden Substrat, das ein polares isolierendes Material darstellt, aufgebrachten Halbleiters bedingt ist, da es bekannt ist, daß die Dielektrizitätskonstante umso höher ist, je polarer die Moleküle des isolierenden Materials sind. Diese Modifizierung der Struktur des Halbleiters in der Nachbarschaft des isolierenden Materials führt zu einer erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeit.
    • Beispiel 2
  • Es wird analog Beispiel 1 verfahren, wobei ein durch hintereinander vorgenommene Soxhlet-Extraktionen mit Dichlormethan gereinigtes α-Sexithienyl verwendet wurde. Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten, die in der nachstehenden Tabelle III zusammengefaßt sind.
  • Die Goldelektroden (Source und Drain) waren in diesem Fall durch einen Zwischenraum von 50 um getrennt. Tabelle III isolierendes Material Beweglichkeit unter Feldeffekt (cm² V&supmin;¹ s&supmin;¹) Schwellenspannung (V)

Claims (13)

1. Dünnschicht-Feldeffekttransistor (TFT) mit MIS-Struktur, der zwischen einer Source und einem Drain eine dünne Schicht aus einem Halbleiter aufweist, die mit der einen Fläche einer dünnen Schicht aus einem isolierenden Material in Kontakt steht, die mit ihrer anderen Fläche mit einer leitfähigen Gateelektrode in Verbindung steht, wobei der Halbleiter aus mindestens einer polykonjugierten organischen Verbindung mit definierter Molekülmasse besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die polykonjugierte organische Verbindung bzw. die polykonjugierten organischen Verbindungen mindestens 8 konjugierte Bindungen enthalten und eine Molekülmasse von nicht mehr als etwa 2000 aufweisen und die dünne Schicht aus dem isolierenden Material aus einem isolierenden organischen Polymer hergestellt ist, das eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 5 aufweist.
2. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Polymer eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 6 aufweist.
3. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Polymer Polyvinylalkohol ist.
4. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Polymer Cyanoethylpullulan ist.
5. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polykonjugierte Verbindung bzw. die polykonjugierten Verbindungen mindestens 10 konjugierte Bindungen aufweisen.
6. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polykonjugierte organische Verbindung eine Anzahl an konjugierten Bindungen enthält, die ausreichend ist, daß die Beweglichkeit der Ladungsträger unter der Wirkung eines Feldes mindestens 10&supmin;³ cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ und insbesondere mindestens 10&supmin;¹ cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ beträgt.
7. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polykonjugierte organische Verbindung ausgewählt ist unter:
- konjugierten Oligomeren, deren Einheiten Phenylengruppen enthalten oder aus diesen bestehen, die gegebenenfalls substituiert sind,
- orthokondensierten oder ortho- und perikondensierten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, die 4 bis 20 kondensierte Ringe aufweisen,
- Polyenen der Formel
H-[C(T&sub1;)=C(T&sub2;)]r-H,
worin T&sub1; und T&sub2; unabhängig -H oder niederes Alkyl bedeuten und r eine ganze Zahl von 8 bis 50 sein kann, und
- konjugierten Oligomeren, deren wiederkehrende Einheiten mindestens einen fünfgliedrigen Heterocyclus enthalten.
8. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oligomeren, die Phenylen-Einheiten enthalten, der Formel I
entsprechen, worin bedeuten:
- R"&sub1;, R"&sub2; und Z&sub1; unabhängig -H, Cl, F, Trifluormethyl oder Nitro,
- Y'-C(T&sub1;)=C(T&sub2;)-,
-C C-,
-N(R')-,
-N N-,
-C(R')=N-,
-N=C(R')-,
wobei T&sub1; und T&sub2; unabhängig -H oder niederes Alkyl und R' -H, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl oder substituiertes Aryl darstellen,
- n' die Zahl 0 oder 1,
- n" die Zahl 0 oder 1 und
- n eine ganze Zahl, die 3 bis 12 betragen kann.
9. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß Z&sub1; -H ist.
10. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die polycyclische aromatische Verbindung eine orthokondensierte oder ortho- und perikondensierte polycyclische Verbindung der Formel II
ist, die also der Summenformel
C4t+10H2t+8
entspricht, worin t eine ganze Zahl von 2 bis 15 sein kann.
11. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das heterocyclische aromatische Oligomer ein Oligomer der Formel III Einheiten
ist, worin bedeuten:
- X und X' unabhängig O, S, Se, Te oder -N(R)-, worin R H, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl oder substituiertes Aryl darstellen,
- R&sub1;, R&sub2;, R'&sub1;, R'&sub2;, R'&sub3; und R"&sub3; unabhängig -H, Cl, F, -CF&sub3;, -NO&sub2;, -CN, -COOR&sub3;, -N(R&sub4;)(R&sub5;), Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl, substituiertes Aryl, Alkoxy oder Polyalkoxy, worin
R&sub3; Alkyl oder substituiertes Alkyl oder ein Metall,
R&sub4; H, Alkyl oder substituiertes Alkyl und
R&sub5; Alkyl, Acyl oder Aryl darstellen
oder worin die Paare R&sub1; und R&sub2; und/oder R'&sub1; und R'&sub2; zusammen eine zweiwertige Kohlenwasserstoffgruppe darstellen, die ggfs. ungesättigt oder ggfs. durch mindestens ein Heteroatom unterbrochen ist und/oder mindestens ein endständiges Heteroatom aufweist,
- Y, Y&sub1;, Y&sub2; und Y&sub3; unabhängig
-C(R')=C(R")--
-C C--
-N(R')--
-N=N--
-C(R')=N--
-N=C(R')-,
wobei R' und R" unabhängig -H, Alkyl, substituiertes Alkyl, Aryl oder substituiertes Aryl
darstellen,
- a, b, a', b' die Zahlen 0 oder 1
- und Y&sub1; außerdem ggfs. eine cyclische oder heterocyclische Arylgruppe, wobei dann b = 1 und a' = 0 sind,
- s und t ganze Zahlen einschließlich Null, von denen mindestens eine von Null verschieden ist, und
- m' eine ganze Zahl mindestens gleich 1, wobei die Zahlen s, t und m' so gewählt sind, daß
m'(s+t)=m
ist, worin m eine ganze Zahl von 4 bis 24 darstellt.
12. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß R'&sub3; und/oder R"&sub3; Wasserstoff darstellen.
13. Verwendung des Dünnschicht-Feldeffekttransistors nach einem der vorherigen Ansprüche als Schalt- oder Verstärkerelement.
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