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EP1516374A1 - Verringerung des kontaktwiderstandes in organischen feldeffekttransistoren mit palladiumkontakten durch verwendung von nitrilen und isonitrilen - Google Patents

Verringerung des kontaktwiderstandes in organischen feldeffekttransistoren mit palladiumkontakten durch verwendung von nitrilen und isonitrilen

Info

Publication number
EP1516374A1
EP1516374A1 EP03729898A EP03729898A EP1516374A1 EP 1516374 A1 EP1516374 A1 EP 1516374A1 EP 03729898 A EP03729898 A EP 03729898A EP 03729898 A EP03729898 A EP 03729898A EP 1516374 A1 EP1516374 A1 EP 1516374A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
semiconductor
nitrile
contacts
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03729898A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ute Zschieschang
Hagen Klauk
Günter Schmid
Marcus Halik
Efstratios Terzoglu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1516374A1 publication Critical patent/EP1516374A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/80—Constructional details
    • H10K10/82—Electrodes
    • H10K10/84—Ohmic electrodes, e.g. source or drain electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/466—Lateral bottom-gate IGFETs comprising only a single gate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/611—Charge transfer complexes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/615—Polycyclic condensed aromatic hydrocarbons, e.g. anthracene

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device having a semiconductor path of an organic semiconductor material, a first contact for injecting charge carriers into the semiconductor path and a second contact for extracting charge carriers from the semiconductor path, and a method for producing such a semiconductor device.
  • Field effect transistors are used as switches in electronic circuits.
  • a semiconductor arranged between a source and a drain electrode arranged in each case made of an electrically conductive material acts as an insulator in the switched-off state of the transistor, while under the influence of the field of a gate electrode in the switched-on state of the transistor.
  • Duct carrier channel forms.
  • electrical charge carriers are injected into the semiconductor layer at the source contact and extracted from the semiconductor layer at the drain contact, so that an electric current flows from source to drain through the semiconductor layer or through the charge channel generated in the semiconductor layer.
  • the contact resistance is increased by doping the inorganic semiconductor in a boundary layer oriented toward the contact surface.
  • the doping modifies the energy of the Fermi level in the inorganic semiconductor, that is, the difference between the Fermi levels of contact material and semiconductor material decreases.
  • there is either a reduction in the potential barrier which makes it possible for a significantly larger number of charge carriers to overcome the potential barrier and to flood the opposing material or to narrow the potential barrier, which increases the probability of tunneling of charge carriers. gladly increased by the potential barrier. In both cases, the contact resistance decreases.
  • the doping of the contact regions takes place by the introduction of phosphorus or boron into the silicon layer near the source and drain contacts.
  • the phosphorus or boron atoms are incorporated into the silicon network and act as charge donors or charge acceptors, which increases the density of the free charge carriers and thus the electrical conductivity of the silicon in the doped region. This causes a reduction in the difference between the Fermi levels of contact material and doped semiconductor material.
  • the dopant substance is only in the area of the source and
  • Discharge contacts introduced into the silicon, but not in the channel region, in which under the influence of the field of the gate electrode.
  • Charge carrier channel forms. Since phosphorus and boron form covalent bonds with the silicon, there is no danger of diffusion of these atoms into the channel region, so that low electrical conductivity in the channel region is still ensured.
  • the tunneling probability already at rest is so great that the transition between the contact material and the inorganic semiconductor material loses its blocking capability and becomes highly conductive in both directions.
  • Organic semiconductor field effect transistors are of interest for a variety of electronic applications requiring extremely low manufacturing costs, flexible or unbreakable substrates, or the fabrication of transistors and integrated circuits over large active areas.
  • organic field effect transistors are useful as pixel controls in active matrix displays. Such screens are commonly used with amorphous or polycrystalline field-effect transistors. ner silicon layers produced. The temperatures of usually more than 250 ° C required for the production of high-quality transistors based on amorphous or polycrystalline silicon layers require the use of rigid and fragile glass or quartz substrates. Owing to the relatively low temperatures at which organic semiconductor based transistors are fabricated, usually less than 100 ° C, organic transistors allow the production of active matrix displays using inexpensive, flexible, transparent, unbreakable polymer films with significant advantages Glass or quartz substrates.
  • transponders are usually manufactured using integrated circuits based on monocrystalline silicon, which leads to considerable costs in the construction and connection technology.
  • the production of transponders based on organic transistors would lead to enormous cost reductions and could make transponder technology a worldwide breakthrough.
  • the source and drain contacts of organic transistors are usually produced using inorganic metals or with the aid of conductive polymers, so as to ensure the highest possible electrical conductivity of the contacts.
  • Most organic semiconductors that are suitable for use in organic field effect transistors have very low electrical conductivities.
  • Pentazene which is widely used for the production of organic field effect transistors is a very low electrical conductivity of 10 ⁇ 14 ⁇ ⁇ • "" cm -1. If the organic semiconductor has a low electrical conductivity, there is therefore a large difference between the Fermi levels of electrically conductive contact material and organic semiconductor material at the contact surface.
  • high electrical conductivity of the organic semiconductor in the regions adjacent to the contacts is desired to reduce the difference in Fermi levels between organic semiconductor and contact material, and thus the To lower contact resistance.
  • a high electrical conductivity of the organic semiconductor in the channel region has a negative influence on the properties of the transistor.
  • An appreciable electrical conductivity in the channel region inevitably leads to high leakage currents, that is to relatively high electric currents in the off state of the field effect transistor.
  • the electrical conductivity of many organic semiconductors can be increased by the introduction of suitable dopants as in inorganic semiconductors.
  • suitable dopants as in inorganic semiconductors.
  • the dopants are not bound to a particular position in the organic semiconductors and are free to move within the material. Even if the doping process can originally be restricted to a certain area, for example the areas around the source and drain contacts, migration of the doping substances through the entire organic semiconductor layer occurs later, in particular under the influence of the electric field that exists between the Source and drain contact is applied to operate the transistor.
  • the diffusion of the dopant within the organic semiconductor layer inevitably increases the electrical conductivity in the channel region.
  • a monomolecular layer of 1-Hexadecanthiol is applied to chromium / gold electrodes and then a layer of pentacene is applied as an organic semiconductor material on this.
  • This arrangement makes it possible to substantially reduce the contact resistance for the charge transfer of the charge carriers between the electrode and the semiconductor path.
  • the molecules of 1-hexadecane molecules arranged at the interface between the contact and the organic semiconductor thiol act as charge transfer molecules. They are in direct contact both with the contact material and with the organic semiconductor layer. Because of their molecular structure, the charge transfer molecules can force a transfer of charge carriers between the contact material in which there is an excess of carriers and the organic semiconductor layer in which there is a lack of charge carriers.
  • gold has the disadvantage that it usually adheres very poorly to inorganic layers, such as on silicon dioxide.
  • a thin layer of chromium or titanium is often applied as an adhesion promoter immediately before the deposition of the gold layer.
  • this has the disadvantage that the structuring of the metal layer necessary for the production of the contact structures is made more difficult.
  • thiols are also not suitable as charge transfer molecules, since sufficient bonding strength can not be achieved to all metals which are suitable for the production of contacts in order to prevent diffusion of the thiols out of the interface between contact and semiconductor material.
  • the object of the invention is therefore to provide a semiconductor device having a semiconductor path of an organic semiconductor material, a first contact for injecting charge carriers into the semiconductor path, and a second contact for extracting charge carriers from the semiconductor device. route, which has a low contact resistance for the transfer of charge carriers between contact and semiconductor line.
  • the object is achieved in a semiconductor device of the type mentioned above, in that a monomolecular layer of a nitrile or an isonitrile is arranged between the first contact and the semiconductor path and / or between the second contact and the semiconductor path.
  • Nitriles and isonitriles can form complexes with a large number of metals used as material for contacts in the semiconductor devices described above. If the nitrile or the isonitrile is applied to the surface which later forms the contact surface with the semiconductor line, the molecules are therefore coordinated to the surface to form a complex. This ensures, on the one hand, good contact with the material of the contacts and, on the other hand, fixation of the molecules at the contact surface so that they are in a field that is between
  • Source and drain electrode is applied, do not diffuse into the sections of the semiconductor path, in which the duct is formed.
  • a line route between two contacts is referred to, which is composed of an organic semiconductor material.
  • the charge carriers, electrons or holes, are injected into the semiconductor path at the first contact, pass through the semiconductor path and are extracted again from the conductor path at the second contact.
  • organic semiconductor material all organic materials which have semiconductor properties can be used per se.
  • suitable compounds are condensed aromatics such as antrazene, tetracene or pentacene, polymeric aromatic compounds such as polyvinylene or polynaphthalene derivatives, polythiophene-based electrical semiconducting compounds, for example poly-3-hexylthiophene-2, 5-diyl, or electrically semiconducting Compounds based on polyvinylthiophene or polyaniline.
  • the or ⁇ ganic semiconductor materials may have a doping up, such as camphor sulfonic acid or polystyrene. However, the doping in the semiconductor may diffuse only to a limited extent or preferably not.
  • the semiconductor path can consist of homogeneous only one organic semiconductor material. However, it is also possible to provide a semiconductor path consisting of different sections, each composed of different organic semiconductor materials.
  • the materials used for the production of the semiconductor line of the semiconductor device according to the invention are easily accessible and can in part also be obtained from commercial suppliers.
  • the organic semiconductor materials or precursors for the preparation of the organic semiconductor materials are usually readily soluble in organic solvents and can therefore be provided in dissolved form or as a suspension and applied in liquid form to a substrate.
  • the semiconductor path of the semiconductor device according to the invention can be produced, for example, by simple printing methods, which considerably simplifies and reduces the production of the semiconductor element.
  • the deposition of the organic semiconductor material can also be carried out by other methods, for example by sublimation of the semiconductor material from the gas phase.
  • all materials are suitable which have a sufficiently high electrical conductivity.
  • all metals are suitable, preferably palladium, gold, platinum, nickel, copper, aluminum, as well as electrically conductive oxides, such as, for example, ruthenium oxide and indium tin oxide, and also electrically conductive polymers, such as polyacetylene or polyaniline.
  • the first and / or second contact of the semiconductor single Rich ⁇ tung is preferably constructed of palladium. Palladium, like gold, has excellent oxidation resistance and is also easy to deposit and structure. However, unlike gold, palladium adheres much better to all kinds of substrates, so that the additional use of a primer, such as chromium or titanium, is not required.
  • Nitriles and isonitriles show a very good adhesion to palladium surfaces, so that no migration of these compounds takes place in the electric field.
  • Thiols are unsuitable for fixation on palladium, since the palladium-sulfur bond is significantly weaker compared to the gold-sulfur bond and there is no local fixation of the molecules on the contact surface.
  • the layer of nitrile or isonitrile should be made as thin as possible.
  • the layer of nitrile or isonitrile is formed as a self-organizing r ⁇ onomolekulare layer.
  • the surface of the contact is covered with a monomolecular layer, wherein the nitrile group or the isonitrile group binds to the surface of the contact. If the surface of the contact is fully occupied, no further compound is adsorbed and excess nitrile or isonitrile For example, it can be rinsed away with a suitable solvent.
  • Isonitriles cause the formation of a positive partial charge on the surface of the contact. As a result, the contact resistance can be significantly reduced.
  • aromatic and saturated isonitriles are suitable, the aromatic compounds preferably comprising 6 to 10 carbon atoms.
  • Individual hydrogen atoms on the carbon backbone can also be replaced by substituents, such as alkyl groups.
  • Alkyl isocyanides preferably comprise 3 to 10 carbon atoms, the alkyl chain may be straight or branched.
  • Iso ⁇ cyanide are suitable having cycloalkyl, to lower the contact resistance ⁇ standing.
  • individual carbon atoms may be replaced by heteroatoms such as nitrogen or oxygen.
  • isonitriles which are suitable for the semiconductor device according to the invention are 2,4-diisocyanotoluene, ethyl isocyanoacetate, 4- (2-isocyanoethyl) morpholine, n-butyl isocyanide, tert-butyl isocyanide, cyclohexyl isocyanide, 1- (isocyanidomethyl) -1H-benzotriazole , 2-methylpropyl isocyanide, phenyl isocyanide dichloride, 1, 1, 3, 3-tetramethylbutyl isocyanide, 4-toluenesulfonylmethyl isocyanide.
  • nitriles are therefore used for the semiconductor device according to the invention.
  • An aromatic nitrile compound is understood as meaning a compound which, in addition to the nitrile group, has at least one aromatic radical which is preferably derived from a phenyl group.
  • aromatic radical which is preferably derived from a phenyl group.
  • Particularly preferred is the simplest member of this class, namely benzonitrile. Benzonitrile can form a positive partial charge by binding to the surface of the contact, which can be delocalized in the benzyl radical. In this way, a very stable system is obtained.
  • the binding of the nitrile to the surface of the contact can take place both via the nitrogen atom of the nitrile group, as well as laterally via the ⁇ -system of the nitrile group. Possible binding mechanisms as well as the delocalization of the positive charge are shown schematically below.
  • substituted benzonitriles are also suitable, for example, in order to bring about the reduction in contact resistance observed in the semiconductor device according to the invention.
  • the substituents on the phenyl ring can be varied within wide limits. It is possible, for example, a substitution by alkyl groups or by halogen atoms or pseudohalides.
  • o-fluorobenzonitrile, p-fluorobenzonitrile, perfluorobenzonitrile or tetracyanoquinodimethane are suitable.
  • one or more of the carbon atoms of the phenyl ring can be replaced by heteroatoms, in particular by nitrogen atoms.
  • Suitable compounds are, for example, 2-cyanopyridine or 4-cyanopyridine.
  • aliphatic nitriles are also suitable, which bring about the observed reduction in contact resistance in the semiconductor device according to the invention.
  • Suitable compounds are, for example, acetonitrile, valeronitrile or tetracyanoethylene.
  • Hydrocyanic acid HCN
  • isoelectronic carbon monoxide CO
  • the semiconductor device according to the invention can be very easily integrated into more complex components. So will in a particularly preferred embodiment, the semiconductor device described above is supplemented by a gate electrode and a gate dielectric to form a transistor. The first contact of the semiconductor device then forms the source contact, while the second contact forms the drain electrode. Under the influence of the field generated by the gate electrode, a charge channel is then formed between the source and drain electrodes, in which a charge carrier transport takes place.
  • the same materials as described above for the first and second contacts can be used.
  • insulating the gate electrode it is possible to use customary materials, such as silicon dioxide, aluminum oxide or an insulating polymer, such as polystyrene, polyethylene, polyester, polyurethane, polycarbonate, polyacrylate, polyimide, polyethers, polybenzoxazoles or mixtures of these compounds and their derivatives.
  • an insulating polymer such as polystyrene, polyethylene, polyester, polyurethane, polycarbonate, polyacrylate, polyimide, polyethers, polybenzoxazoles or mixtures of these compounds and their derivatives.
  • the semiconductor element according to the invention can be produced very cost-effectively from easily accessible materials and is therefore particularly suitable for use in devices which are subject to high cost pressure, such as labels for the labeling of goods.
  • the invention therefore also provides a method for producing the semiconductor device described above, wherein a first and / or a second contact having an exposed contact surface is provided on a substrate. On the exposed contact surface, a nitrile or an isonitrile is applied, so that a layer of the nitrile or the isonitrile is obtained on the contact surface. Finally, an organic semiconductor material is deposited in such a way that a semiconductor path is obtained from the organic semiconductor material between the first contact and the second contact.
  • inflexible substrates may be used in the production of the semiconductor device of the present invention such as glass or quartz or silicon wafers.
  • flexible substrates are used, such as plastic films of, for example, polystyrene, polyethylene, polyester, polyurethane, polycarbonate, polyacrylate, polyimide, polyether or polybenzoxazoles or paper.
  • Components of the semiconductor device may also already be defined on the substrate, for example a gate electrode which is insulated with a corresponding gate dielectric.
  • the first and second contacts are defined on the substrate, using conventional methods for deposition and patterning.
  • the metal from which the contacts are constructed can, for example, be evaporated by electron beam evaporation or be deposited by means of cathode jet atomization. However, other methods can also be used.
  • the metal layer is then patterned, for example by photolithographic methods.
  • the nitrile or the isonitrile is then applied to the contacts, wherein any methods can be used here.
  • the nitrile or the isonitrile can be applied from the gas phase by passing an air stream saturated with the nitrile or isonitrile over the surface of the contacts, so that the nitriles or isonitriles are bound to the surface of the contact.
  • the nitrile or the isonitrile is applied as a solution to the contacts.
  • a solution of the nitrile or isonitrile is first prepared in a suitable solvent and then applied to the contacts.
  • the molecules migrate from the solution to the surface of the contacts, where the molecules are bound via their nitrile group or isonitrile group. Excess solvent and nitrile or isonitrile can then be removed, for example by rinsing or centrifuging.
  • the solution of the nitrile or isonitrile can be applied to the contacts by conventional methods. Suitable examples are spraying or dipping.
  • the solution of the nitrile or isonitrile on the surface of the substrate and the contacts are spin-coated, whereby the nitriles or isonitriles are selectively bound to the surface of the metallic contacts.
  • nitriles or isonitriles to the contacts by a printing process. After the contacts are printed with the solution of nitrile or isonitrile, then excess solvent must then be removed, for example by evaporation. In order not to make the layer of nitrile or isonitrile too thick, it is necessary to work with dilute solutions. Finally, the organic semiconductor is deposited, so that a semiconductor path between first and second contact is obtained. For this purpose, also common methods are used. For example, pentacene can be separated by sublimation in vacuo. But it is also possible to apply the organic semiconductor in dissolved form. For this purpose, the solution of the organic semiconductor can, for example, be sprayed on or spin-coated. It is also possible to apply the organic semiconductor by printing techniques.
  • the contacts were first deposited, and applied to this, after treatment with nitriles or isonitriles, the layer of the organic semiconductor material.
  • the layer of the organic semiconductor material could first be deposited and only then the contacts could be defined.
  • FIG. 1 shows method steps which are carried out in the production of a field-effect transistor which comprises the semiconductor device according to the invention
  • FIG. 2 shows a graph in which the contact resistance is shown as a function of a voltage applied between gate and source for two different field-effect transistors.
  • FIG. 1 shows a sequence of the method steps which are carried out in the production of a field-effect transistor which comprises the semiconductor device according to the invention.
  • a gate electrode 2 is defined on a substrate 1. This will be on the
  • Substrate 1 for example a polymer film, a layer of, for example, palladium deposited and then patterned by photolithographic techniques.
  • the gate electrode 2 is then isolated by applying a layer of silicon dioxide, for example, as the gate dielectric 3. This gives the arrangement shown in FIG. 1B.
  • the source electrode 4 and the drain electrode 5 are now defined.
  • a layer of, for example, palladium is deposited and then structured by photolithographic techniques to obtain, as shown in FIG. 1C, portions of palladium, which are the source electrode 4 and the drain electrode 5 correspond.
  • a solution of benzonitrile in a suitable solvent is then applied to the surface formed from the surfaces of the source electrode 4, the drain electrode 5 and the gate dielectric 3 and left there for a certain period of time so that the benzonitrile moiety From the solution molecules can diffuse to the exposed surfaces of the source electrode 4 and the drain electrode 5 and are bound there.
  • excess solvent and unbound benzonitrile are removed, for example by rinsing with a suitable solvent and subsequent drying, for example a stream of nitrogen.
  • FIG. 1D an arrangement is obtained in which benzonitrile molecules which form a monomolecular layer 6 are bonded to the surfaces of the source electrode 4 and the drain electrode 5.
  • a layer of an organic semiconductor 7 is applied, which covers the source and drain electrodes (4, 5) provided with the monomolecular layer 6 and the section of the gate dielectric 3 arranged between these electrodes.
  • a flexible polyethylene naphthalate film is cleaned with acetone and isopropanol and then a thin layer of titanium is deposited on the film.
  • the titanium layer is patterned by photolithography and wet chemical etching in dilute hydrofluoric acid to define the gate electrodes of the transistors.
  • a thin layer of silicon dioxide is deposited as a gate dielectric for the transistors by cathode-beam sputtering and patterned by photolithography and wet-chemical etching.
  • palladium is deposited by either thermal evaporation, electron beam evaporation, or by cathode ray sputtering and also etched by photolithography and wet chemical etching in a highly dilute mixture of hydrochloric acid and nitric acid to define the source and drain contacts of the transistors.
  • the substrate thus prepared is immersed in a 5% solution of benzonitrile in xylene for 5 minutes to cover the palladium surfaces with a benzonitrile monolayer. Excess benzonitrile is rinsed off in a rinsing step with hexane. After drying the substrate is by means of thermal evaporation, a thin layer of pentacene deposited as an organic semiconductor layer.
  • the same operations were performed, but the palladium surfaces were not covered with benzonitrile.
  • the resistance was subsequently measured as a function of the voltage applied between source and drain. The obtained measurement curves are shown in FIG.
  • the curve a shows the change of the resistance for the

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung mit einer Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermaterial, einem ersten Kontakt zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterstrecke und einem zweiten Kontakt zum Extrahieren von Ladungsträgern aus der Halbleiterstrecke, wobei zwischen erstem Kontakt und der Halbleiterstrecke und/oder zwischen zweitem Kontakt und der Halbleiterstrecke eine Schicht eines Nitrils oder eines Isonitrils angeordnet ist. Das Nitril bzw. das Isonitril wirkt als Ladungstransfermolekül, das den Übergang von Ladungsträgern zwischen Kontakt und organischem Halbleitermaterial erleichtert. Dadurch kann der Kontaktwiderstand zwischen Kontakt und organischem Halbleitermaterial deutlich verringert werden.

Description

Beschreibung
Verringerung des Kontaktwiderstandes in organischen Feldeffekttransistoren mit Palladiumkontakten durch Verwendung von Nitrilen und Isonitrilen
Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung mit einer Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermaterial, einem ersten Kontakt zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterstrecke und einem zweiten Kontakt zum Extrahieren von Ladungsträgern aus der Halbleiterstrecke, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleitereinrichtung.
Halbleiterchips haben eine breite Verwendung in vielfältigen technischen Anwendungen gefunden. Ihre Herstellung ist jedoch noch immer sehr aufwändig und teuer. Siliziumsubstrate können zwar bis auf sehr geringe Schichtdicken gedünnt werden, so dass sie flexibel werden. Diese Verfahren sind je- doch ebenfalls sehr teuer, so dass flexible oder gekrümmte Mikrochips nur für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind, bei denen erhöhte Kosten in Kauf genommen werden können. Die Verwendung organischer Halbleiter bietet die Möglichkeit einer kostengünstiger Herstellung mikroelektronischer Halblei- terschaltungen auf flexiblen Substraten. Eine Anwendung ist zum Beispiel eine dünne Folie mit integrierten Steuerelementen für Flüssigkristallbildschirme. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Transpondertechnologie, wo auf so genannten Tags zum Beispiel Informationen über eine Ware gespeichert sind.
Feldeffekttransistoren werden als Schalter in elektronischen Schaltkreisen eingesetzt. Dabei wirkt jeweils ein zwischen einer jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material auf- gebauten Source- und einer Drainelektrode angeordneter Halbleiter im ausgeschalteten Zustand des Transistors als Isolator, während sich unter dem Einfluss des Feldes einer Gateelektrode im eingeschalteten Zustand des Transistors ein La- dungsträgerkanal ausbildet. Dabei werden am Sourcekontakt elektrische Ladungsträger in die Halbleiterschicht injiziert und am Drainkontakt aus der Halbleiterschicht extrahiert, so dass von Source nach Drain ein elektrischer Strom durch die Halbleiterschicht bzw. durch den in der Halbleiterschicht erzeugten Ladungskanal fließt.
Wegen der unterschiedlichen Fermi-Niveaus von Halbleitermaterial und Kontaktmaterial kommt es an der Kontaktfläche der beiden Materialien zu einem asymmetrischen Diffusionsprozess der Ladungsträger. Durch die unterschiedliche Energie der Fermi-Niveaus der beiden Materialien besteht eine Energiedifferenz, die durch den Übertritt von Ladungsträgern ausgeglichen wird. Als Folge baut sich ein Grenzflächenpotential auf, das beim Anlegen einer äußeren Potentialdifferenz einem Übertritt der Ladungsträger zwischen den beiden Schichten entgegenwirkt. Es entsteht also eine Potentialbarriere, die von den Ladungsträgern beim Eintritt vom elektrisch leitfähigen Kontakt in das Halbleitermaterial bzw. beim Austritt aus dem Halbleitermaterial in den elektrisch leitfähigen Kontakt überwunden werden muss. Der Tunnelstrom, welcher durch ein Durchtunneln der Ladungsträger durch die Potentialbarriere entsteht, ist dabei um so geringer, je höher bzw. breiter die Potentialbarriere ist. Ein niedriger Tunnelstrom entspricht einem hohen Kontaktwiderstand. Bei Halbleiterbauelementen auf der Basis anorganischer Halbleiter begegnet man einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes durch eine Dotierung des anorganischen Halbleiters in einer zur Kontaktfläche orientierten Grenzschicht. Durch die Dotierung wird die Energie des Fermi-Niveaus im anorganischen Halbleiter verändert, das heißt die Differenz zwischen den Fermi-Niveaus von Kontaktmaterial und Halbleitermaterial verringert sich. Als Folge kommt es entweder zu einer Verringerung der Potentialbarriere, wodurch es einer wesentlich größeren Anzahl von Ladungsträgern möglich wird, die Potentialbarriere zu überwinden und das gegenüberliegende Material zu überschwemmen, oder zu einer Schmälerung der Potentialbarriere, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit für ein Tunneln von Ladungsträ- gern durch die Potentialbarriere erhöht. In beiden Fällen verringert sich der Kontaktwiderstand.
Bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren auf der Basis von amorphen oder polykristallinen Siliziumschichten erfolgt die Dotierung der Kontaktbereiche durch das Einbringen von Phosphor oder Bor in die Siliziumschicht nahe der Source- und Drainkontakte. Die Phosphor- oder Boratome werden in das Siliziumnetzwerk eingebaut und wirken als Ladungsdonatoren oder Ladungsakzeptoren, wodurch sich die Dichte der freien Ladungsträger und damit die elektrische Leitfähigkeit des Siliziums im dotierten Bereich erhöht. Dies bewirkt eine Verringerung der Differenz zwischen den Fermi-Niveaus von Kontaktmaterial und dotiertem Halbleitermaterial. Die Do- tiersubstanz wird dabei nur im Bereich der Source- und
Drainkontakte in das Silizium eingebracht, nicht aber in der Kanalregion, in welcher sich unter dem Einfluss des Feldes der Gateelektrode ein. Ladungsträgerkanal ausbildet. Da Phosphor und Bor kovalente Bindungen mit dem Silizium eingehen, besteht keine Gefahr der Diffusion dieser Atome in die Kanalregion, so dass eine geringe elektrische Leitfähigkeit in der Kanalregion weiterhin sichergestellt ist.
Ist die Dotierung der Kontaktbereiche genügend hoch, ist die Tunnelwahrscheinlichkeit bereits im Ruhezustand so groß, dass der Übergang zwischen dem Kontaktmaterial und dem anorganischen Halbleitermaterial seine Sperrfähigkeit verliert und in beiden Richtungen gut leitend wird.
Feldeffekttransistoren auf der Basis organischer Halbleiter sind für eine Vielzahl elektronischer Anwendungen von Interesse, die extrem niedrige Fertigungskosten, flexible oder unzerbrechliche Substrate, oder die Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltungen über große aktive Flächen erfordern. Zum Beispiel eignen sich organische Feldeffekttransistoren als Pixelsteuerelemente in Aktiv-Matrix-Bildschirmen. Solche Bildschirme werden gewöhnlich mit Feldeffekttransistoren auf der Basis amorpher oder polykristalli- ner Siliziumschichten hergestellt. Die für die Herstellung hochwertiger Transistoren auf der Basis amorpher oder polykristalliner Siliziumschichten notwendigen Temperaturen von gewöhnlich mehr als 250 °C erfordern die Verwendung starrer und zerbrechlicher Glas- oder Quarzsubstrate. Dank der relativ niedrigen Temperaturen, bei denen Transistoren auf der Basis organischer Halbleiter hergestellt werden, von gewöhnlich weniger als 100 °C, erlauben organische Transistoren die Herstellung von Aktiv-Matrix-Bildschirmen unter Verwendung billiger, flexibler, transparenter, unzerbrechlicher Polymerfolien mit erheblichen Vorteilen gegenüber Glas oder Quarzsubstraten .
Ein weiteres Anwendungsgebiet für organische Feldeffekttran- sistoren liegt in der Herstellung von sehr preiswerten integrierten Schaltungen, wie sie zum Beispiel für die aktive Kennzeichnung und Identifizierung von Waren und Gütern zum Einsatz kommen. Diese so genannten Transponder werden gewöhnlich unter Verwendung von integrierten Schaltkreisen auf der Basis von einkristallinem Silizium hergestellt, was zu erheblichen Kosten bei der Aufbau- und Verbindungstechnik führt. Die Herstellung von Transpondern auf der Grundlage organischer Transistoren würde zu enormen Kostensenkungen führen und könnte der Transpondertechnologie zum weltweiten Durchbruch verhelfen.
Eines der Hauptprobleme bei der Anwendung organischer Feldeffekttransistoren sind die relativ schlechten elektrischen Eigenschaften der Source- und Drainkontakte, das heißt deren hohe Kontaktwiderstände. Die Source- und Drainkontakte organischer Transistoren werden meist unter Verwendung anorganischer Metalle oder mit Hilfe leitfähiger Polymere erzeugt, um so eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit der Kontakte zu gewährleisten. Die meisten organischen Halbleiter, die für die Verwendung in organischen Feldeffekttransistoren in Frage kommen, besitzen sehr geringe elektrische Leitfähigkeiten. Zum Beispiel weist Pentazen, das häufig für die Herstellung organischer Feldeffekttransistoren verwendet wird, eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit von 10~14 Ω~ •""cm-1 auf. Besitzt der organische Halbleiter eine geringe e- lektrische Leitfähigkeit, besteht daher an der Kontaktfläche eine große Differenz zwischen den Fermi-Niveaus von elekt- risch leitendem Kontaktmaterial und organischem Halbleitermaterial. Dies führt zur Ausbildung einer hohen Potentialbarriere mit einer geringen Tunnelwahrscheinlichkeit für den Durchtritt von Ladungsträgern. Source- und Drainkontakte weisen daher oft hohe Kontaktwiderstände auf, weshalb hohe elektrische Feldstärken an den Kontakten erforderlich sind, um Ladungsträger zu injizieren und zu extrahieren. Beschränkend wirkt also nicht die Leitfähigkeit des Kontaktes selbst, sondern die geringe Leitfähigkeit der an die Kontakte angrenzenden Halbleiterbereiche, in welche die Ladungs- träger injiziert bzw. aus welchen die Ladungsträger extrahiert werden.
Um die elektrischen Eigenschaften der Source- und Drainkontakte zu verbessern, ist deshalb eine hohe elektrische Leit- fähigkeit des organischen Halbleiters in den an die Kontakte angrenzenden Bereichen erwünscht, um den Unterschied in den Fermi-Niveaus zwischen organischem Halbleiter und Kontaktmaterial zu verringern und damit die Kontaktwiderstände zu erniedrigen. Andererseits hat eine hohe elektrische Leitfähig- keit des organischen Halbleiters in der Kanalregion einen negativen Einfluss auf die Eigenschaften des Transistors. Eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit in der Kanalregion führt unweigerlich zu hohen Leckströmen, das heißt zu relativ hohen elektrischen Stromstärken im ausgeschalteten Zustand des Feldeffekttransistors. Für viele Anwendungen sind aber niedrige Leckströme im Bereich von 10"12 A oder weniger unabdingbar. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit führt außerdem dazu, dass das Verhältnis zwischen maximalem Einschaltstrom und minimalem Ausschaltstrom zu gering ausfällt. Viele Anwendungen erfordern ein möglichst großes Verhältnis zwischen Einschaltstrom und Ausschaltstrom im Bereich von 107 oder größer, da dieses Verhältnis das Modulationsverhalten und die Verstärkung des Transistors widerspiegelt. In der Kanalregion ist daher eine geringe elektrische Leitfähigkeit des organischen Halbleiters erforderlich, während im Bereich der Source- und Drainkontakte eine hohe elektrische Leitfähigkeit notwendig ist, um die Kontakteigenschaften zwischen organischem Halbleitermaterial und dem Material der Kontakte zu verbessern.
Die elektrische Leitfähigkeit vieler organischer Halbleiter kann wie bei anorganischen Halbleitern durch das Einbringen geeigneter Dotiersubstanzen erhöht werden. Die Erzielung po- sitioneller Selektivität beim Dotieren ist jedoch problematisch. Die Dotiersubstanzen sind in den organischen Halbleitern nicht an eine bestimmte Position gebunden und können sich innerhalb des Materials frei bewegen. Selbst wenn der Dotierungsprozess ursprünglich auf einen bestimmten Bereich, zum Beispiel die Bereiche um die Source- und Drainkontakte, beschränkt werden kann, kommt es später zu einer Wanderung der Dotiersubstanzen durch die gesamte organische Halbleiterschicht, insbesondere unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, das zwischen dem Source- und Drainkontakt angelegt wird, um den Transistor zu betreiben. Durch die Diffusion der Dotiersubstanz innerhalb der organischen Halbleiterschicht erhöht sich unweigerlich die elektrische Leitfähigkeit in der Kanalregion.
I. Kymissis, C. D. Dimitrakopoulos und S. Purushothaman, "High-Performance Bottom Electrode Organic Thin-Film Transistors" IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, Nr. 6, Juni 2001, S. 1060 - 1061 beschreiben eine Halbleiterein- richtung mit vermindertem Kontaktwiderstand, wobei auf
Chrom/Gold-Elektroden zunächst eine monomolekulare Schicht aus 1-Hexadecanthiol aufgebracht wird und auf dieser dann eine Schicht aus Pentazen als organisches Halbleitermaterial aufgebracht wird. Diese Anordnung ermöglicht es, den Kon- taktwiderstand für 'den Ladungsübertritt der Ladungsträger zwischen Elektrode und Halbleiterstrecke wesentlich zu erniedrigen. Die an der Grenzfläche zwischen Kontakt und organischem Halbleiter angeordneten Moleküle aus 1-Hexadecan- thiol wirken als Ladungstransfer-Moleküle. Sie stehen sowohl mit dem Kontaktmaterial als auch mit der organischen Halbleiterschicht in direktem Kontakt. Wegen ihrer molekularen Struktur können die Ladungstransfer-Molekül einen Transfer von Ladungsträgern zwischen dem Kontaktmaterial, in dem ein Überschuss an Ladungsträgern besteht, und der organischen Halbleiterschicht, in der ein Mangel an Ladungsträgern besteht, erzwingen. Auf diese Weise kann im Bereich der Source- und Drainkontakte ein Ladungsträgerüberschuss in der or- ganischen Halbleiterschicht herbeigeführt werden, wodurch der Kontaktwiderstand deutlich verringert wird. Die Thi- olgruppen des 1-Hexadecanthiols bilden eine kovalente Bindung zur Oberfläche der Goldkontakte aus, was eine lokale Fixierung der Moleküle bewirkt. Auch unter Einwirkung eines zwischen Source- und Drainelektrode angelegten Feldes wandern die Ladungstransfermoleküle daher nicht in diejenigen Abschnitte der organischen Halbleiterstrecke, in welcher die Kanalregion ausgebildet wird.
Gold hat jedoch den Nachteil, dass es meist sehr schlecht auf anorganischen Schichten haftet, wie zum Beispiel auf Siliziumdioxid. Um die Haftung der Goldkontakte zu verbessern, wird daher unmittelbar vor der Abscheidung der Goldschicht oft eine dünne Schicht aus Chrom oder Titan als Haftvermitt- 1er aufgebracht. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die für die Erzeugung der Kontaktstrukturen notwendige Strukturierung der Metallschicht erschwert wird. Ferner eignen sich Thiole auch nicht als Ladungstransfermoleküle, da nicht zu allen Metallen, die für die Herstellung von Kontakten geeig- net sind, eine ausreichende Bindungsstärke erreicht werden kann, um ein Abdiffundieren der Thiole aus der Grenzschicht zwischen Kontakt und Halbleitermaterial zu verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Halbleitereinrich- tung mit einer Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermaterial, einem ersten Kontakt zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterstrecke und einem zweiten Kontakt zum Extrahieren von Ladungsträgern aus der Halbleiter- strecke zur Verfügung zu stellen, welche einen niedrigen Kontaktwiderstand für den Übertritt von Ladungsträgern zwischen Kontakt und Halbleiterstrecke aufweist.
Die Aufgabe wird bei einer Halbleitereinrichtung der oben genannten Art gelöst, indem zwischen erstem Kontakt und der Halbleiterstrecke und/oder zwischen zweitem Kontakt und der Halbleiterstrecke eine monomolekulare Schicht eines Nitrils oder eines Isonitrils angeordnet ist.
Nitrile und Isonitrile können mit einer großen Anzahl von Metallen, welche als Material für Kontakte in dem oben beschriebenen Halbleitereinrichtungen verwendet werden, Komplexe ausbilden. Wird das Nitril oder das Isonitril auf die Fläche aufgebracht, welche später die Kontaktfläche zur Halbleiterstrecke bildet, werden die Moleküle daher unter Ausbildung eines Komplexes an die Oberfläche koordiniert. Dies sichert einerseits einen guten Kontakt zum Material der Kontakte und andererseits eine Fixierung der Moleküle an der Kontaktfläche, so dass diese in einem Feld, das zwischen
Source- und Drainelektrode angelegt wird, nicht in die Abschnitte der Halbleiterstrecke diffundieren, in welchen der Leitungskanal ausgebildet wird.
Als Halbleiterstrecke wird eine Leitungsstrecke zwischen zwei Kontakten bezeichnet, welche aus einem organischen Halbleitermaterial aufgebaut ist. Die Ladungsträger, Elektronen bzw. Löcher, werden am ersten Kontakt in die Halbleiterstrecke injiziert, durchlaufen die Halbleiterstrecke und werden am zweiten Kontakt wieder aus der Leiterstrecke extrahiert. Als organisches Halbleitermaterial können an sich alle organischen Materialien verwendet werden, welche Halbleitereigenschaften aufweisen. Beispiele für geeignete Verbindungen sind kondensierte Aromaten, wie Antrazen, Tetrazen oder Pentazen, polymere aromatische Verbindungen, wie Poly- vinylene oder Polynaphthalinderivate, elektrisch halbleitende Verbindungen auf der Basis von Polythiophen, zum Beispiel Poly-3-hexylthiophen-2, 5-diyl, oder elektrisch halbleitende Verbindungen auf der Basis von Polyvinylthiophen oder Poly- anilin. Neben den genannten Verbindungen können auch andere organische Halbleiterverbindungen verwendet werden. Die or¬ ganischen Halbleitermaterialien können eine Dotierung auf- weisen, beispielsweise Camphersulfonsäure oder Polystyrolsulfonsäure. Die Dotierung darf im Halbleiter jedoch nur in geringem Ausmaß oder vorzugsweise nicht diffundieren. Die Halbleiterstrecke kann homogen aus nur einem organischen Halbleitermaterial bestehen. Es ist aber auch möglich, eine Halbleiterstrecke vorzusehen, die aus verschiedenen Abschnitten besteht, die aus jeweils verschiedenen organischen Halbleitermaterialien aufgebaut sind.
Die für die Herstellung der Halbleiterstrecke der erfin- dungsgemäßen Halbleitereinrichtung verwendeten Materialien sind einfach zugänglich und können teilweise auch von kommerziellen Anbietern bezogen werden. Die organischen Halbleitermaterialien bzw. Vorstufen für die Herstellung der organischen Halbleitermaterialien sind meist in organischen Lösungsmitteln gut löslich und können daher in gelöster Form bzw. als Suspension bereitgestellt und in flüssiger Form auf ein Substrat aufgebracht werden. Auf diese Weise kann die Halbleiterstrecke der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung beispielsweise durch einfache Druckverfahren erzeugt werden, was die Herstellung des Halbleiterelements wesentlich vereinfacht und verbilligt. Die Abscheidung des organischen Halbleitermaterials kann jedoch auch nach anderen Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Aufsublimieren des Halbleitermaterials aus der Gasphase.
Als Material für die Kontakte sind alle Materialien geeignet, welche eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Prinzipiell sind alle Metalle geeignet, vorzugsweise Palladium, Gold, Platin, Nickel, Kupfer, Aluminium, wie auch elektrisch leitfähige Oxide, wie zum Beispiel Rutheniumoxid und Indiumzinnoxid, sowie auch elektrisch leitfähige Polymere, wie Polyacetylen oder Polyanilin. Der erste und/oder der zweite Kontakt der Halbleitereinrich¬ tung ist vorzugsweise aus Palladium aufgebaut. Palladium zeichnet sich wie Gold durch eine ausgezeichnete Oxidations- beständigkeit aus und ist ebenfalls leicht abzuscheiden und zu strukturieren. Im Gegensatz zu Gold haftet Palladium jedoch wesentlich besser auf Unterlagen aller Art, so dass die zusätzliche Verwendung eines Haftvermittlers, wie Chrom oder Titan, nicht erforderlich ist. Nitrile und Isonitrile zeigen eine sehr gute Haftung auf Palladiumoberflächen, so dass keine Wanderung dieser Verbindungen im elektrischen Feld erfolgt. Thiole sind für die Fixierung auf Palladium ungeeignet, da die Palladium-Schwefel-Bindung im Vergleich zur Gold-Schwefel-Bindung deutlich schwächer ist und keine lokale Fixierung der Moleküle auf der Kontaktoberfläche erfolgt.
Um einen möglichst geringen Kontaktwiderstand für den Übertritt der Ladungsträger zwischen Kontakt und Halbleiterstrecke zu erreichen, sollte die Schicht des Nitrils bzw. des Isonitrils möglichst dünn ausgeführt werden. Bevorzugt ist die Schicht des Nitrils oder des Isonitrils als selbstorganisierende rαonomolekulare Schicht ausgebildet. In diesem Fall wird die Oberfläche des Kontakts mit einer monomolekularen Schicht belegt, wobei die Nitrilgruppe bzw. die Iso- nitrilgruppe an die Oberfläche des Kontakts bindet, Ist die Oberfläche des Kontakts vollständig belegt, wird keine weitere Verbindung mehr adsorbiert und überschüssiges Nitril bzw. Isonitril kann beispielsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel weggespült werden.
Isonitrile bewirken die Ausbildung einer positiven Partial- ladung an der Oberfläche des Kontakts. Dadurch kann der Kontaktwiderstand deutlich erniedrigt werden. Es eignen sich sowohl aromatische als auch gesättigte Isonitrile, wobei die aromatischen Verbindungen vorzugsweise 6 bis 10 Kohlenstoff- atome umfassen. Einzelne Wasserstoffatome am Kohlenstoffge- rüst können auch durch Substituenten ersetzt werden, wie beispielsweise Alkylgruppen. Alkylisocyanide umfassen vorzugsweise 3 bis 10 Kohlenstoffatome, wobei die Alkylkette geradkettig oder verzweigt sein kann. Ferner sind auch Iso¬ cyanide mit Cycloalkylresten geeignet, um den Kontaktwider¬ stand zu erniedrigen. Sowohl bei den aromatischen wie auch bei den gesättigten Isocyaniden können einzelne Kohlenstoff- atome durch Heteroatome wie Stickstoff oder Sauerstoff ersetzt sein. Beispiele für Isonitrile, welche sich für die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung eignen, sind 2,4- Diisocyanotoluen, Ethylisocyanoacetat, 4- (2- Isocyanoethyl)morpholin, n-Butylisocyanid, tert.- Butylisocyanid, Cyclohexylisocyanid, 1- (Isocyanidomethyl) - lH-benzotriazol, 2-Methylpropylisocyanid, Phenylisocyanid- dichlorid, 1, 1, 3, 3-Tetramethylbutylisocyanid, 4- Toluensulfonylmethylisocyanid.
Isocyanide sind jedoch meist synthetisch nur schwer zugänglich. Vorzugsweise werden daher Nitrile für die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung verwendet. Die deutlichste Verringerung des Kontaktwiderstandes wird erreicht, wenn als Nitril eine aromatische Nitrilverbindung verwendet wird. Un- ter einer aromatischen Nitrilverbindung wird eine Verbindung verstanden, welche neben der Nitrilgruppe zumindest einen a- ro atischen Rest aufweist, der sich vorzugsweise von einer Phenylgruppe ableitet. Besonders bevorzugt ist dabei der einfachste Vertreter dieser Klasse, nämlich Benzonitril. Benzonitril kann durch die Bindung an die Oberfläche des Kontakts eine positive Partialladung ausbilden, welche im Benzylrest delokalisiert werden kann. Auf diese Weise wird ein sehr stabiles System erhalten. Die Bindung des Nitrils an die Oberfläche des Kontakts kann dabei sowohl über das Stickstoffatom der Nitrilgruppe, wie auch seitlich über das π-System der Nitrilgruppe erfolgen. Mögliche Bindungsmechanismen, sowie die Delokalisation der positiven Ladung ist im Folgenden schematisch dargestellt.
Neben Benzonitril eignen sich beispielsweise auch substituierte Benzonitrile, um die bei der erfindungsgemäßen Halb- leitereinrichtung beobachtete Verringerung des Kontaktwiderstandes herbeizuführen. Die Substituenten am Phenylring können dabei innerhalb weiter Grenzen variiert werden. Möglich ist beispielsweise eine Substitution durch Alkylgruppen oder auch durch Halogenatome oder Pseudohalogenide . Geeignet sind beispielsweise o-Fluorobenzonitril, p-Fluorobenzonitril, Perfluorobenzonitril oder Tetracyanoquinodimethan.
Tetracyanoquinodimethan
Ferner können auch ein oder mehrere der Kohlenstoffatome des Phenylrings durch Heteroatome ersetzt werden, insbesondere durch Stickstoffatome. Geeignete Verbindungen sind zum Bei- spiel 2-Cyanopyrridin oder 4-Cyanopyridin.
Neben den aromatischen Nitrilen sind auch aliphatische Nitrile geeignet, die bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung beobachtete Absenkung des Kontaktwiderstandes herbeizuführen. Bei aliphatischen Nitrilen ist der Effekt jedoch meist weniger stark ausgeprägt als bei aromatischen Nitrilen. Geeignete Verbindungen sind zum Beispiel Aceto- nitril, Valeronitril oder Tetracyanoethylen.
Blausäure (HCN) und das isoelektronische Kohlenmonoxid (CO) sind ebengfalls geeignet.
Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung lässt sich sehr einfach in komplexere Bauelemente integrieren. So wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die oben beschriebene Halbleitereinrichtung durch eine Gateelektrode und ein Gatedielektrikum zu einem Transistor ergänzt. Der erste Kontakt der Halbleitereinrichtung bildet dann den Sourcekontakt, während der zweite Kontakt die Drainelektrode bildet. Unter dem Einfluss des von der Gateelektrode erzeugten Feldes wird dann zwischen Source- und Drainelektrode ein Ladungskanal ausgebildet, in welchem ein Ladungsträgertransport stattfindet. Für die Gateelektrode können die gleichen Materialien verwendet werden, wie sie weiter oben für den ersten und zweiten Kontakt beschrieben worden sind. Zur Isolation der Gateelektrode können übliche Materialien verwendet werden, wie Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder ein isolierendes Polymer, wie Polystyrol, Polyethylen, Polyester, Polyurethan, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyimid, Polyether, Polybenzoxazole oder Gemische dieser Verbindungen und deren Abkömmlinge .
Das erfindungsgemäße Halbleiterelement lässt sich sehr kos- tengünstig aus gut zugänglichen Materialien herstellen und eignet sich daher insbesondere für eine Anwendung in Vorrichtungen, welche einem hohen Kostendruck unterliegen, wie zum Beispiel Etiketten für die Kennzeichnung von Waren.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Halbleitereinrichtung, wobei auf einem Substrat ein erster und/oder ein zweiter Kontakt bereitgestellt wird, welcher eine freiliegende Kontaktfläche aufweist. Auf der freiliegenden Kontaktfläche wird ein Nitril oder ein Isonitril aufgebracht, so dass auf der Kontaktfläche eine Schicht des Nitrils oder des Isonitrils erhalten wird. Schließlich wird ein organisches Halbleitermaterial in der Weise abgeschieden, dass zwischen erstem Kontakt und zweitem Kontakt eine Halbleiterstrecke aus dem organischen Halbleitermaterial erhalten wird.
Als Substrat können bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung unflexible Substrate verwendet werden, wie zum Beispiel Träger aus Glas oder Quarz oder auch Siliziumwafer . Bevorzugt werden jedoch flexible Substrate verwendet, wie zum Beispiel Kunststofffolien aus zum Beispiel Polystyrol, Polyethylen, Polyester, Polyurethan, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyimid, Polyether oder Polyben- zoxazolen oder auch Papier. Auf dem Substrat können auch bereits Bauelemente der Halbleitereinrichtung definiert sein, wie zum Beispiel eine Gateelektrode, welche mit einem entsprechenden Gatedielektrikum isoliert ist. Anschließend wer- den auf dem Substrat der erste und zweite Kontakt definiert, wobei übliche Methoden für die Abscheidung und Strukturierung verwendet werden. Das Metall, aus welchem die Kontakte aufgebaut sind, kann beispielsweise durch Elektronenstrahl- verdampfen oder mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschie- den werden. Andere Verfahren können jedoch ebenfalls angewandt werden. Die Metallschicht wird anschließend strukturiert, beispielsweise durch fotolithografische Verfahren. Das Nitril bzw. das Isonitril wird anschließend auf die Kontakte aufgebracht, wobei hier an sich beliebige Verfahren verwendet werden können. So kann das Nitril bzw. das Isonitril beispielsweise aus der Gasphase aufgebracht werden, indem ein mit dem Nitril bzw. Isonitril gesättigter Luftstrom über die Oberfläche der Kontakte geleitet wird, so dass die Nitrile bzw. Isonitrile an der Oberfläche des Kon- takts gebunden werden. Bevorzugt wird das Nitril bzw. das Isonitril jedoch als Lösung auf die Kontakte aufgebracht. Dazu wird zunächst eine Lösung des Nitrils bzw. Isonitrils in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt und dieses dann auf die Kontakte aufgebracht. Durch Diffusion wandern die Moleküle aus der Lösung an die Oberfläche der Kontakte, wo die Moleküle über ihre Nitrilgruppe bzw. Isonitrilgruppe gebunden werden. Überschüssiges Lösungsmittel und Nitril bzw. Isonitril kann anschließend entfernt werden, beispielsweise durch Spülen oder Abschleudern. Die Lösung des Nitrils bzw. des Isonitrils kann mit üblichen Verfahren auf die Kontakte aufgebracht werden. Geeignet sind beispielsweise Sprüh- oder Tauchverfahren. Ebenso kann die Lösung des Nitrils bzw. des Isonitrils auf die Oberfläche des Substrats und der Kontakte aufgeschleudert werden, wobei die Nitrile bzw. Isonitrile selektiv an die Oberfläche der metallischen Kontakte gebunden werden. Schließlich ist es auch möglich, die Nitrile bzw. Isonitrile durch ein Druckverfahren auf die Kontakte aufzubringen. Nachdem die Kontakte mit der Lösung des Nitrils bzw. Isonitrils bedruckt sind, muss anschließend überschüssiges Lösungsmittel entfernt werden, beispielsweise durch Verdampfen. Um die Schicht des Nitrils bzw. Isonitrils nicht zu dick zu gestalten, muss dabei mit entsprechend ver- dünnten Lösungen gearbeitet werden. Abschließend wird der organische Halbleiter abgeschieden, so dass eine Halbleiterstrecke zwischen erstem und zweitem Kontakt erhalten wird. Dazu werden ebenfalls übliche Verfahren verwendet. So kann beispielsweise Pentazen durch Sublimation im Vakuum abge- schieden werden. Es ist aber auch möglich, den organischen Halbleiter in gelöster Form aufzubringen. Dazu kann die Lösung des organischen Halbleiters beispielsweise aufgesprüht oder aufgeschleudert werden. Ebenso ist es möglich, den organischen Halbleiter durch Drucktechniken aufzubringen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens wurden zunächst die Kontakte abgeschieden, und auf diesen, nach einer Behandlung mit Nitrilen bzw. Isonitrilen, die Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial aufgebracht. An sich könnte auch zunächst die Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial abgeschieden werden und erst auf dieser die Kontakte definiert werden. Im Allgemeinen ist es jedoch schwierig, eine Strukturierung der Kontakte durchzuführen, wenn diese auf der Schicht des organischen Halbleitermateri- als angeordnet sind. Dies wirkt sich nachteilig auf die
Leitfähigkeit der organischen Halbleiterschicht sowie auf die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der dargestellten Halbleitereinrichtungen aus. Bevorzugt werden daher zunächst die Kontakte hergestellt und erst anschließend auf den Kon- takten das organische Halbleitermaterial abgeschieden, um auf diese Weise die organische Halbleiterstrecke zu definieren. Die Erfindung wird im Weiteren unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung näher erläutert. Gleiche Gegenstände werden dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigt:
Fig. 1 Verfahrensschritte, die bei der Herstellung eines Feldeffekttransistors durchlaufen werden, welcher die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung um- fasst;
Fig. 2 eine Grafik, in welcher der Kontaktwiderstand in Abhängigkeit einer zwischen Gate und Source angelegten Spannung für zwei verschiedene Feldeffekttransistoren dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine Abfolge der Verfahrensschritte, die bei der Herstellung eines Feldeffekttransistors durchlaufen werden, welcher die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung um- fasst. Zunächst wird, wie in Fig. 1A gezeigt, auf einem Sub- strat 1 eine Gateelektrode 2 definiert. Dazu wird auf dem
Substrat 1, beispielsweise einer Polymerfolie, eine Schicht aus z.B. Palladium abgeschieden und anschließend durch foto- lithografische Techniken strukturiert. Die Gateelektrode 2 wird anschließend isoliert, indem als Gatedielektrikum 3 ei- ne Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid aufgebracht wird. Man erhält dadurch die in Fig. 1B dargestellte Anordnung. Auf dem Gatedielektrikum 3 werden nun die Sourcee- lektrode 4 und die Drainelektrode 5 definiert. Dazu wird, wie bei der Darstellung der Gateelektrode 2 beschrieben, zu- nächst eine Schicht aus z.B. Palladium abgeschieden und diese dann durch fotolithografische Techniken strukturiert, um wie in Fig. IC dargestellt, Abschnitte aus Palladium zu erhalten, welche der Sourceelektrode 4 und der Drainelektrode 5 entsprechen. Auf die aus den Oberflächen der Sourcee- lektrode 4, der Drainelektrode 5 und des Gatedielektrikums 3 gebildete Oberfläche wird nun eine Lösung von Benzonitril in einem geeigneten Lösungsmittel aufgebracht und für eine bestimmte Zeitdauer dort belassen, so dass die Benzonitrilmo- leküle aus der Lösung an die freiliegenden Flächen der Sour- ceelektrode 4 und der Drainelektrode 5 diffundieren können und dort gebunden werden. Abschließend wird überschüssiges Lösungsmittel sowie ungebundenes Benzonitril entfernt, bei- spielsweise durch Spülen mit einem geeigneten Lösungsmittel und anschließendem Trocknen, beispielsweise einem Stickstoffstrom. Man erhält, wie in Fig. 1D dargestellt, eine Anordnung, in der an den Oberflächen der Sourceelektrode 4 und der Drainelektrode 5 Benzonitrilmoleküle gebunden sind, die eine monomolekulare Schicht 6 ausbilden. Abschließend wird, wie in Fig. 1E dargestellt, eine Schicht aus einem organischen Halbleiter 7 aufgebracht, welcher die mit der monomolekularen Schicht 6 versehenen Source- und Drainelektrode (4, 5) sowie den zwischen diesen Elektroden angeordneten Ab- schnitt des Gatedielektrikums 3 bedeckt.
Beispiel
Eine flexible Polyethylennaphthalatfolie wird mit Aceton und Isopropanol gereinigt und anschließend auf der Folie eine dünne Schicht aus Titan abgeschieden. Die Titanschicht wird durch Fotolithografie und nasschemisches Ätzen in verdünnter Flusssäure strukturiert, um die Gateelektroden der Transistoren zu definieren. Anschließend wird durch Kathodenstrahl- Zerstäubung eine dünne Schicht Siliziumdioxid als Gatedielektrikum für die Transistoren abgeschieden und durch Fotolithografie sowie nasschemisches Ätzen strukturiert. Danach wird Palladium entweder durch thermisches Verdampfen, durch Elektronenstrahlverdampfen oder mittels Kathodenstrahlzer- stäubung abgeschieden und ebenfalls durch Fotolithografie sowie nasschemisches Ätzen in einem stark verdünnten Gemisch aus Salzsäure und Salpetersäure geätzt, um die Source- und Drainkontakte der Transistoren zu definieren. Das so vorbereitete Substrat wird für 5 Minuten in eine 5 %-ige Lösung von Benzonitril in Xylol getaucht, um die Palladiumoberflächen mit einer Monolage aus Benzonitril zu bedecken. Überschüssiges Benzonitril wird in einem Spülschritt mit Hexan abgespült. Nach dem Trocknen des Substrats wird mittels thermischen Verdampfens eine dünne Schicht Pentazen als organische Halbleiterschicht abgeschieden.
Als Vergleich wurden die gleichen Arbeitsschritte durchge- führt, wobei jedoch die Palladiumoberflächen nicht mit Benzonitril bedeckt wurden. Für beide Transistoranordnungen wurde anschließend der Widerstand in Abhängigkeit von der zwischen Source und Drain angelegten Spannung gemessen. Die erhaltenen Messkurven sind in Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt die Kurve a die Änderung des Widerstandes für den
Transistor, dessen Kontakte nicht mit Benzonitril behandelt wurden, während die Kurve (b) die Änderung des Kontaktwiderstandes für einen Transistor zeigt, dessen Source- und Drainelektrode mit Benzonitril behandelt wurde. Durch die Be- handlung der Palladiumkontakte mit Benzonitril kann der Kontaktwiderstand um etwa den Faktor 2 verringert werden.
Bezugszeichenliste
1 Substrat 2 Gateelektrode
3 Gatedielektrikum
4 Sourceelektrode
5 Drainelektrode
6 monomolekulare Schicht 7 organischer Halbleiter

Claims

Patentansprüche
1. Halbleitereinrichtung mit einer Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermaterial, einem ersten Kontakt zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterstrecke und einem zweiten Kontakt zum Extrahieren von Ladungsträgern aus der Halbleiterstrecke, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen erstem Kontakt und der Halbleiterstrecke und/oder zwischen zweitem Kontakt und der Halbleiterstrecke eine Schicht eines Nitrils oder eines Isonitrils angeordnet ist.
2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder zweite Kontakt aus Palladium aufgebaut ist.
3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichten des Nitrils oder des Isonitrils als selbstorganisierende monomolekulare Schicht ausgebildet ist.
4. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nitril ein aromatisches Nitril ist.
5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4, wobei das aromati- sehe Nitril ein substituiertes oder unsubstituiertes Benzonitril ist.
6. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Nitril ein aliphatisches Nitril ist.
7. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleitereinrichtung durch eine Gateelektrode und ein Gatedielektrikum zu einem Feldeffekttransistor ergänzt ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf einem Substrat ein erster und/oder ein zweiter Kontakt bereitgestellt wird, welche eine freiliegende Kontaktfläche aufweist, auf der freiliegenden Kontaktfläche ein Nitril oder ein Isonitril aufgebracht wird, so dass auf der Kontaktfläche eine Schicht des Nitrils oder des Isonitrils erhalten wird, und ein orga- nisches Halbleitermaterial abgeschieden wird, so dass zwischen erstem Kontakt und zweitem Kontakt eine Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermaterial erhalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Nitril oder das Isonitril als Lösung auf der Kontaktfläche des ersten und/oder des zweiten Kontakts aufgebracht wird.
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