DE10153563A1

DE10153563A1 - Verringerung des Kontaktwiderstandes in organischen Feldeffekttransistoren durch Einbettung von Nanopartikeln zur Erzeugung von Feldüberhöhungen

Info

Publication number: DE10153563A1
Application number: DE10153563A
Authority: DE
Inventors: Hagen Klauk; Guenter Schmid
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-15
Also published as: US7067840B2; US20030080426A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Dotierung eines organischen Halbleitermaterials im Bereich einer Kontaktfläche (3), die zwischen einem Kontakt (1) und dem darauf angeordneten organischen Halbleitermaterial (2) ausgebildet ist. Das Dotiermittel wird mit Hilfe von Nanopartikeln (4) eingeführt, wobei die Nanopartikel (4) angrenzend an die Kontaktfläche (3) angeordnet sind und damit nur ein sehr schmaler Bereich (5) des organischen Halbleitermaterials dotiert wird. Durch die durch die Nanopartikel (4) bewirkte Felderhöhung wird eine weitere Verringerung des Kontaktwiderstandes erreicht.

Description

Verringerung des Kontaktwiderstandes in organischen Feldeffekttransistoren durch Einbettung von Nanopartikeln zur Erzeugung von Feldüberhöhungen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, welche zumindest einen ersten Körper und einen zweiten Körper umfasst, die eine gemeinsame Kontaktfläche ausbilden, wobei einer der Körper aus einem organischen Halbleitermaterial und der andere Körper aus einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial besteht. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung in einer Halbleitereinrichtung, welche zumindest einen aus einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial bestehenden Kontakt und eine auf dem Kontakt angeordnete Schicht aus einem organischen Halbleitermaterial umfasst, so dass zwischen Kontakt und der Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial eine Kontaktfläche ausgebildet ist. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Anordnung weist einen verringerten Kontaktwiderstand beim Übertritt von Ladungsträgern zwischen den beiden Körpern auf.
Feldeffekttransistoren werden als Schalter in elektronischen Schaltkreisen eingesetzt. Dabei wirkt jeweils ein zwischen einer aus elektrisch leitfähigem Material aufgebauten 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 Ladungsträgerkanal 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. Durch die unterschiedliche Energie der Fermi-Niveaus der beiden Materialien besteht eine Energiedifferenz, die durch den Übertritt von Ladungsträgern augeglichen 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, d. h. die Differenz zwischen den Fermi- Niveaus von Kontaktmaterial und Halbleitermaterial verringert sich. Als Folge kommt es entweder zu einer Verringerung der Potentialbarriere, wodurch eine wesentlich größere Anzahl von Ladungsträgern über die Potentialbarriere hinweg in das gegenüberliegende Material gelangt, oder zu einer Schmälerung der Potentialbarriere, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Potentialbarriere erhöht. In beiden Fällen kommt es auf Grund der Dotierung zu einer Verringerung des Kontaktwiderstands.
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 Dotiersubstanz 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 garantiert ist.
Ist die Dotierung der Kontaktbereiche genügend hoch, ist die Tunnelwahrscheinlichkeit bereits im Ruhezustand so groß, das der Übergang zwischen dem Kontaktmaterial und dem anorganischen Halbleitermaterial seine Sperrfähigkeit verliert und in beiden Richtungen gut leitend wird.
Eine weitere Möglichkeit, die Tunnelwahrscheinlichkeit für einen Ladungsträgerübergang an der Kontaktfläche zu erhöhen, besteht im Einbetten von Nanopartikeln an der Kontaktfläche zwischen dem Kontaktmaterial und dem Halbleiter.
Weisen das Partikelmaterial und das Kontaktmaterial unterschiedliche Austrittsarbeiten bzw. Fermi-Niveaus auf, so kommt es, wie oben beschrieben, zu asymmetrischen Diffusionsprozessen von Ladungsträgern an einer Grenzfläche zwischen den Nanopartikeln einerseits und der aus dem Kontaktmaterial gebildeten Schicht andererseits. Das entstehende Grenzflächenpotential zwischen den Nanopartikeln und dem Kontaktmaterial wird aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeiten in den beiden Materialien auf sehr kurze Entfernungen von einigen Zehntel Nanometern ausgeglichen. Dies führt zu hohen elektrischen Feldstärken zwischen den Nanopartikeln und dem Kontaktmaterial in der Größenordnung von etwa 10⁷ bis 5 × 10⁷ V/cm. Dieses elektrische Feld beeinflusst wiederum die Fermi-Niveaus im Halbleitermaterial, das neben den Nanopartikeln und dem Kontaktmaterial als dritte Komponente an der Kontaktfläche angeordnet ist. Dadurch erniedrigt sich die Potentialdifferenz, die sich zwischen Kontaktmaterial und Halbleitermaterial aufbaut. Die schmälere Potentialbarriere an der Kontaktfläche bewirkt eine Erhöhung der Tunnelwahrscheinlichkeit für den Übergang von Ladungsträgern und damit eine Erhöhung des Tunnelstromes zwischen dem Halbleiter und dem Kontaktmaterial. Ein erhöhter Tunnelstrom bedeutet eine Verringerung des Kontaktwiderstandes. Der Effekt fällt umso stärker aus, je größer die Differenz zwischen der Austrittsarbeit des Materials der Nanopartikel und der Austrittsarbeit des Kontaktmaterials ist.
Eine derartige Anordnung wird für die Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen einem anorganischen Halbleiter und einem metallischen Kontaktmaterial von Narayanan et al., "Reduction of Metal-Semiconductor Contact Resistance by Embedded Nanocrystals", 2000 International Electron Device Meeting Technical Digest, beschrieben.
Zur Herstellung eines Kontakts wird zunächst auf einem Siliziumwafer eine dünne Goldschicht aufgedampft, die anschließend durch Erhitzen in eine Schicht aus isolierten Gold- Nanopartikeln umgewandelt wird. Dabei wird für die Materialkombination Silizium/Gold die Kristallisierung der Goldschicht in Form von Nanopartikeln durch die Verringerung der Oberflächenenergie auf der Siliziumoberfläche begünstigt und gesteuert. Nach der Bildung der Nanopartikel wird eine Schicht Wolfram als Kontaktmaterial abgeschieden. Für den zwischen dem Siliziumwafer und der Wolframschicht gemessenen Kontaktwiderstand ergibt sich durch Einbetten der Gold- Nanopartikel eine Verringerung um den Faktor 100.
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 polykristalliner 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 Feldeffekttransistoren 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 sogenannten 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 Transponder-Technologie zum weltweiten Durchbruch verhelfen.
Eines der Hauptprobleme bei der Anwendung organischer Feldeffekttransistoren sind die relativ schlechten elektrischen Eigenschaften der Source- und Drainkontakte, d. h. 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^-1 cm^-1 auf. Besitzt der organische Halbleiter eine geringe elektrische Leitfähigkeit, besteht daher an der Kontaktfläche eine große Differenz zwischen den Fermi-Niveaus von elektrisch leitendem Kontaktmaterial und organischem Halbleitermaterial. Dies führt zur Ausbildung einer hohen Potentialbarriere mit einer geringen Tunnelwahrscheinlichkeit für den Durchtritt von Elektronen. Source- und Drainkontakte weisen daher oft sehr hohe Kontaktwiderstände auf, was dazu führt, dass hohe elektrische Feldstärken an den Kontakten erforderlich sind, um Ladungsträger zu injizieren und zu extrahieren. Beschränkend wirkt also nicht die Leitfähigkeit der Kontakte selbst, sondern die Leitfähigkeit der an die Kontakte angrenzenden Halbleiterbereiche, in welche die Ladungsträger injiziert bzw. aus welchen die Ladungsträger extrahiert werden.
Um die elektrischen Eigenschaften der Source- und Drainkontakte zu verbessern, ist deshalb eine hohe elektrische Leitfähigkeit 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 Leitfähigkeit 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 Dotiersubtanzen erhöht werden. Die Erzielung positioneller 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 den Source- und Drainkontakten angelegt wird, um den Transistor zu betreiben. Durch die Diffusion der Dotiersubstanzen innerhalb der organischen Halbleiterschicht erhöht sich unweigerlich die elektrische Leitfähigkeit in der Kanalregion.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zumindest einen aus einem Kontaktmaterial bestehenden Kontakt und eine auf dem Kontakt angeordnete Schicht aus einem organischen Halbleitermaterial umfasst, so dass zwischen Kontakt und der Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial eine Kontaktfläche ausgebildet ist, mit welchem der Kontaktwiderstand beim Übertritt von Ladungsträgern zwischen dem Kontakt und der Schicht des organischen Halbleitermaterials erniedrigt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, welche zumindest einen ersten Körper und einen zweiten Körper umfasst, die eine gemeinsame Kontaktfläche ausbilden, wobei einer der Körper aus einem organischen Halbleitermaterial und der andere Körper aus einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial aufgebaut ist, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen von aktivierten Nanopartikeln auf zumindest einem Abschnitt einer Fläche des ersten Körpers,
- Abscheiden des zweiten Körpers auf dem Abschnitt der Fläche des ersten Körpers unter Ausbildung der Kontaktfläche, wobei durch die aktivierten Nanopartikel in Bereiche des organischen Halbleitermaterials, welche die Nanopartikel umgeben, eine Dotierung eingeführt wird, und die aktivierten Nanopartikel in eine deaktivierte Form übergehen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Nanopartikel als Träger eines Mittels zur Dotierung des organischen Halbleitermaterials verwendet. Die Nanopartikel lassen sich selektiv auf zumindest einem Abschnitt einer Fläche des ersten Körpers abscheiden, wobei auf diesem zumindest einen Abschnitt später die Kontaktfläche zwischen Kontaktmaterial und organischem Halbleitermaterial ausgebildet wird. Auf den zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers wird anschließend unter Ausbildung der Kontaktfläche der zweite Körper abgeschieden. Bevorzugt werden die Nanopartikel nur auf den Abschnitten aufgebracht, die später den Kontaktflächen entsprechen. Sofern jedoch keine negativen Auswirkungen durch eine Dotierung in Kauf genommen werden müssen, können die Nanopartikel auch in größeren Bereichen als den späteren Kontaktflächen aufgebracht werden. Es ist sowohl möglich, dass der erste Körper aus dem Kontaktmaterial besteht, auf diesem die aktivierten Nanopartikel bereitgestellt werden und anschließend der zweite Körper abgeschieden wird, welcher aus dem organischen Halbleitermaterial besteht, wie auch der umgekehrte Fall, bei dem zunächst der erste Körper erzeugt wird, welcher bei dieser Ausführungsform aus dem organischen Halbleitermaterial aufgebaut ist, anschließend auf einem Abschnitt einer Fläche des ersten Körpers die aktivierten Nanopartikel bereitgestellt werden, und anschließend der zweite Körper abgeschieden wird, welcher in diesem Fall aus dem Kontaktmaterial besteht.
Die aktivierten Nanopartikel bewirken, dass in den an ihre Oberfläche angrenzenden Bereichen des organischen Halbleitermaterial eine chemische Veränderung eintritt, durch welche eine ortsfeste Dotierung in das organische Halbleitermaterial eingeführt wird. Da selektiv nur das organische Halbleitermaterial in der Umgebung der Nanopartikel dotiert wird und die Nanopartikel an der Kontaktfläche angeordnet sind, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur der Bereich des organischen Halbleitermaterials dotiert, in welchem der Übertritt von Ladungsträgern aus dem oder in das Kontaktmaterial erfolgt während in den übrigen Bereichen des organischen Halbeiters keine Dotierung erfolgt. Dadurch kann der Kontaktwiderstand an der Kontaktfläche deutlich verringert werden, während die elektrischen Eigenschaften des organischen Halbleitermaterials in den anderen Bereichen erhalten bleiben.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass die Nanopartikel in aktivierter Form bereitgestellt werden, das heißt in einer Form, in welcher sie eine chemische Veränderung des in ihrer Umgebung angeordneten organischen Halbleitermaterials bewirken können.
Dabei kann in der Weise vorgegangen werden, dass die Nanopartikel bereits in aktivierter Form erzeugt und dann auf zumindest Abschnitten einer Fläche des ersten Körpers abgeschieden werden. Dabei kann das Nanopartikel selbst aus einem aktiven Material aufgebaut sein, welches mit dem organischen Halbleitermaterial in der Umgebung des Nanopartikels reagieren kann. Durch die Reaktion mit dem organischen Halbleitermaterial wird das aktivierte Nanopartikel in eine deaktivierte Form überführt. Es ist aber auch möglich, das Nanopartikel mit einer aktivierenden Verbindung zu beladen, welche dann mit dem organischen Halbleitermaterial in der Umgebung reagiert und dabei eine Dotierung des organischen Halbleitermaterials bewirkt. Das Nanopartikel selbst erfährt bei dieser Verfahrensvariante keine chemische Veränderung. Es sind auch Zwischenformen der beiden Verfahrensvarianten möglich, wobei ein in einer aktivierten Form vorliegendes Nanopartikel zusätzlich mit einer aktivierenden Verbindung beladen wird. Das organische Halbleitermaterial erfährt dann sowohl durch das aktivierte Nanopartikel wie auch durch die aktivierende Verbindung eine Dotierung. Die Beladung des Nanopartikels mit der aktivierenden Verbindung kann vor oder nach Abscheidung des Nanopartikels auf dem Abschnitt der Fläche des ersten Körpers erfolgen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf zumindest Abschnitten der Fläche des ersten Körpers zunächst eine Vorstufe des Nanopartikels abgeschieden und das Nanopartikel anschließend auf dem Abschnitt der Fläche des ersten Körpers erzeugt. Auch hier kann, wie bereits oben beschriebe, das Nanopartikel selbst aus einem aktiven Material bestehen, welches mit dem organischen Halbleitermaterial in der Umgebung des Nanopartikels reagieren und damit eine Dotierung bewirken kann, oder das Nanopartikel kann während oder nach seiner Herstellung mit einer aktivierenden Verbindung beladen werden, welche dann eine Dotierung des das Nanopartikel umgebenden organischen Halbleitermaterials bewirkt, wobei das Nanopartikel selbst chemisch unverändert bleibt.
Die zur Herstellung des Nanopartikels verwendeten Vorstufen können sehr unterschiedlich sein. So kann beispielsweise zunächst ein Kolloid aus dem Material des Nanopartikels erzeugt werden, welches anschließend koaguliert wird. Die Koagulation kann bereits aus der kolloiden Lösung erfolgen und die entstandenen Nanopartikel können dann, zum Beispiel durch Zentrifugation, abgetrennt und gereinigt werden. Die Nanopartikel werden anschließend suspendiert, gegebenenfalls mit einer aktivierenden Verbindung aktiviert und dann auf zumindest Abschnitten der Fläche des ersten Körpers abgeschieden. Je nach Verfahrensführung kann auf eine Reinigung der Nanopartikel auch verzichtet werden. Die Koagulation kann auch erst nach Abscheidung des Kolloids auf zumindest Abschnitten der Fläche des ersten Körpers erfolgen, wobei dabei die Nanopartikel gebildet werden. Diese können dann, sofern erforderlich, aktiviert werden.
Es können auch andere Wege zur Herstellung von Nanopartikeln begangen werden. So kann beispielsweise ein dünner Metallfilm auf der Fläche eines der Körper abgeschieden werden und der Metallfilm dann unter Wärmeeinwirkung in die Form von Nanopartikeln überführt werden. Geeignet ist dieses Verfahren beispielsweise für die Herstellung von kristallinen Goldnanopartikeln, wenn der erste Körper aus einem geeigneten Material gebildet ist, das beispielsweise eine ausreichende thermische Beständigkeit aufweist. Ferner können auch Stoffe verwendet werden, die bereits in Form von Nanopartikeln vorliegen. Beispiele sind Kohlenstoffmodifikationen, wie Fullerene, welche auch selbst aktiviert sein können, also beispielsweise in einem oxidierten Zustand vorliegen, oder auch als Transportmittel für eine die Dotierung bewirkende Verbindung wirken, indem sie beispielsweise eine Einlagerungsverbindung, beispielsweise mit einem Metallion ausbilden.
Unter Nanopartikeln im Sinne der Erfindung werden Partikel mit einer Größe von 0,1 nm bis 5000 nm verstanden. Die Partikel können eine sphärische Gestalt aufweisen, also die oben angegebenen Ausdehnungen in alle drei Raumrichtungen aufweisen. Es ist aber auch möglich, zwei- oder eindimensionale Nanopartikel zu verwenden, welche dann die Form von Scheiben oder Stangen bzw. Röhren aufweisen. Die Nanopartikel weisen dann in ein bzw. zwei Raumrichtungen die oben angegebenen Abmessungen auf, während in den verbleibenden Dimensionen die Partikel auch eine größere Ausdehnung aufweisen können, beispielsweise bis hin zu mehreren Mikrometern.
Die Nanopartikel können in verschiedener Weise auf dem zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers aufgebracht werden, wobei normalerweise übliche Techniken verwendet werden. So können die Nanopartikel durch Drucken aufgebracht werden, beispielsweise durch Tintenstrahldrucken oder durch Siebdruck. Die Nanopartikel können aber auch durch eine Schattenmaske auf den zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers aufgesprüht werden. Weitere Verfahren, wie Tauchverfahren oder Aufschleudern sind ebenfalls möglich. Diese Verfahren können analog auch für die Vorstufen der Nanopartikel verwendet werden.
Die chemischen Eigenschaften der Nanopartikel sind durch die möglichen Materialien, die für die Herstellung der Nanopartikel verwendet werden, sehr vielfältig. Dadurch ergeben sich auch eine Vielzahl von Möglichkeiten, auf welche die Nanopartikel in eine aktivierte Form überführt werden können. So können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Nanopartikel in einer oxidierten Form vorliegen, welche nach dem Aufbringen auf den zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers und der Abscheidung des zweiten Körpers reduziert werden und dabei eine Oxidation des organischen Halbleitermaterials in der Umgebung der Nanopartikel bewirken. Besonders geeignet sind hierfür Edelmetalloxide bzw. Edelmetallhydroxide. Diese oxidieren die organische Halbleiterschicht und werden selbst zu Metallpartikeln reduziert. Als Edelmetalle eignen sich beispielsweise Gold, Silber, Palladium, Platin, Iridium, Rhodium, Ruthenium.
Sofern die Nanopartikel aus einem weniger reaktiven Material bestehen, können sie entweder selbst mit einem Oxidationsmittel in eine höhere Oxidationsstufe überführt werden, welche eine höhere Aktivität zeigt, oder mit einem Oxidationsmittel belegt werden, welches dann eine Oxidation des organischen Halbleitermaterials bewirkt. So können beispielsweise weniger reaktiver metallisch leitende oder halbleitende Metalloxide mit Wasserstoffperoxid, Fluor, Chlor oder Brom aktiviert werden. Derartige Metalloxide sind beispielsweise RuO₂, TiO₂, SnO₂, In₂O₃ OsO₄ und SnO₂. Diese Art der Aktivierung führt stets zu einer Dotierung, die durch eine Oxidation des organischen Halbleitermaterials in der Umgebung der Nanopartikel hervorgerufen wird. Sie ist besonders für organische p-Halbleitermaterialien geeignet.
Für organische n-Halbleitermaterialien ist eine Dotierung durch Reduktion geeignet. So bilden beispielsweise die meisten der Nebengruppenelemente nicht-stöchiometrische Hydride, das heißt sie aktivieren Wasserstoff. Werden beispielsweise Palladium-Nanopartikel nach ihrer Abscheidung, aber vor dem Aufbringen der organischen Halbleiterschicht mit Wasserstoff behandelt, reduzieren die Nanopartikel nach ihrer Abscheidung das organische Halbleitermaterial in ihrer Umgebung.
Die Aktivierung der Nanopartikel kann auch in der Weise erfolgen, dass diese eine Protonierung oder Deprotonierung des organischen Halbleiters bewirken. Um eine ortsfeste Dotierung zu bewirken, müssen die Nanopartikel eine Acidität bzw. Basizität aufweisen, durch welche die Diffusion des Dopanten behindert wird. Die Nanopartikel können dabei entweder aus einem Material bestehen, welches selbst eine ausreichend hohe Basizität bzw. Acidität aufweist, oder sie können mit Liganden funktionalisiert werden, welche saure oder basische Eigenschaften aufweisen.
Polyanilin, das beispielsweise mit Kampfersulfonsäure dotiert ist, ist schwer löslich und liegt immer als Suspension mit variierender Partikelgröße vor. Diese Suspension kann auf dem zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers abgeschieden werden. Nach Abscheiden der organischen Nanopartikel führt eine geringe Ausdiffusion des Dopanten Kampfersulfonsäure in die organische Halbleiterschicht zu einer lokal begrenzten Dotierung. Wegen der Basizität des Polyanilins bleibt die Dotierung auf die unmittelbare Umgebung der Nanopartikel beschränkt. Analog eignen sich auch Nanopartikel aus 3,4-Polyethylen-dioxythiophen, das zuvor beispielsweise mit Polystyrolsulfonsäure dotiert wurde. Graphit oder Fulleren-Cluster sind ebenfalls geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden auf dem zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers Bindungsstellen bereitgestellt, an welche das Nanopartikel koordiniert. Dies ermöglicht eine selektive Abscheidung des Nanopartikels auf dem zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers. Dazu kann beispielsweise ein bifunktioneller Ligand verwendet werden, welcher an seinen Enden jeweils eine Gruppe aufweist, die an das Material des ersten Körpers bzw. an das Material des Nanopartikels binden kann. Ist der erste Körper beispielsweise als Kontakt ausgebildet und besteht aus einem metallischen Kontaktmaterial und besteht das Nanopartikel ebenfalls beispielsweise aus einem metallischen Material, kann ein Dithiol als Ligand verwendet werden. Das Dithiol koordiniert dann mit einer der Thiolgruppen an das Material des Kontakts und mit der anderen Thiolgruppe an das Nanopartikel, wodurch das Nanopartikel an der Oberfläche des Kontakts fixiert wird. Dazu wird das Dithiol zunächst auf den Abschnitten des Kontakts aufgebracht, welche später der Kontaktfläche entsprechen. Flächen, welche nicht von dem Kontakt gebildet werden, werden nicht mit dem Dithiol belegt. Das Dithiol kann beispielsweise durch Eintauchen in eine Lösung des Dithiols aufgebracht werden, wobei überschüssiges Dithiol anschließend abgewaschen wird. Die Abschnitte der Fläche des Kontakts sind nun mit einer monomolekularen Schicht des Dithiols belegt, sodass auf den Abschnitten Thiolgruppen als Koordinationsstellen für die Anknüpfung der Nanopartikel bereitgestellt sind. Wird anschließend eine Lösung bzw. Suspension der Nanopartikel aufgetragen, binden diese selektiv an die freien Thiolgruppen, weshalb nach einem Spülschritt zur Entfernung ungebundener Nanopartikel nur die zuvor mit dem Dithiol belegte Kontaktfläche mit den Nanopartikeln belegt sind. Die Nanopartikel können gegebenenfalls noch durch entsprechende Liganden aktiviert werden. Anschließend wird das organische Halbleitermaterial auf der nun mit aktivierten Nanopartikeln versehenen Oberfläche des Kontakts abgeschieden.
Der zur selektiven Abscheidung der Nanopartikel auf dem zumindest einen Abschnitt der Fläche des ersten Körpers verwendete Ligand wird in seiner Struktur entsprechend den Materialien gewählt, aus welchen der erste Körper und die Nanopartikel aufgebaut sind. So können beispielsweise auch Liganden verwendet werden, welche an ihrem einen Ende eine Thiolgruppe tragen, die beispielsweise an ein Metall koordinieren kann, während am anderen Ende des Liganden eine ionische Gruppe vorgesehen ist, beispielsweise eine Aminogruppe oder eine Sulfonsäuregruppe, die eine Koordination an eine geladene Oberfläche bewirken kann. Sind auf einer der Oberflächen entsprechend reaktive Gruppen vorhanden, beispielsweise Hydroxylgruppen, kann der Ligand einseitig auch über ein Silan angeknüpft werden.
Besonders bevorzugt werden Nanopartikel verwendet, welche zumindest in ihrer deaktivierten Form eine von dem Kontaktmaterial verschiedene Austrittsarbeit aufweisen. Unter einer deaktivierten Form wird dabei der Zustand des Nanopartikels verstanden, in welchem es nach Einführung der Dotierung in das das Nanopartikel umgebenden organische Halbleitermaterial vorliegt. Der Unterschied in der Austrittsarbeit wird dabei möglichst groß gewählt. Bestehen die Nanopartikel beispielsweise aus einem Metall, wie Gold, und das Kontaktmaterial aus einem Metall, wie Titan, oder einem elektrisch leitfähigen Polymer, wie zum Beispiel mit Kampfersulfonsäure dotiertes Polyanilin oder mit Polystyrolsulfonsäure dotiertes Poly(dioxyethylen)thiophen, unterscheiden sich die Austrittsarbeiten der Materialien, aus denen die Nanopartikel bzw. der Kontakt bestehen. Die unterschiedlichen Austrittsarbeiten führen zu Unterschieden in den elektrischen Grenzflächenpotentialen von einigen Zehntel Volt, die wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeiten sowohl in den Nanopartikeln als auch im Kontaktmaterial über extrem kurze Entfernungen von wenigen Zehntel Nanometern ausgeglichen werden. Dadurch wirken an den Grenzflächen zwischen den Nanopartikeln und dem Kontaktmaterial hohe elektrische Feldstärken, die etwa im Bereich von 1 × 10⁷ bis 5 × 10⁷ V/cm liegen. Die hohen elektrischen Feldstärken wirken auch auf das organische Halbleitermaterial ein, weshalb sich die Breite der Potentialbarriere an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Kontaktmaterial stark verringert und sich somit die Tunnelstromstärken deutlich erhöhen. Die Folge der höheren Tunnelstromstärken ist ein verringerter Kontaktwiderstand. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Nanopartikel eine geschlossene Schicht bilden. Um eine möglichst hohe Tunnelstromstärke zu erhalten, muss jedoch eine möglichst große Differenz zwischen der Austrittsarbeit des Nanopartikel-Materials und der Austrittsarbeit des Kontaktmaterials bestehen. Durch die Einbettung einer Schicht reaktiver Nanopartikel an der Kontaktfläche zwischen organischer Halbleiterschicht und Kontaktmaterial wird daher der Kontaktwiderstand einerseits durch die Dotierung des organischen Halbleitermaterials und andererseits durch die durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten bewirkte Feldüberhöhung wesentlich verringert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bereitstellung einer Halbleitereinrichtung, welche einen im vergleich zu bisher bekannten organischen Halbleitereinrichtungen deutlich geringen Kontaktwiderstand aufweist. Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Anordnung in einer Halbleitereinrichtung, welche zumindest einen aus einem Kontaktmaterial bestehenden Kontakt und eine auf dem Kontakt angeordnete Schicht aus einem organischen Halbleitermaterial umfasst, so dass zwischen Kontakt und der Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial eine Kontaktfläche ausgebildet ist, wobei an der Kontaktfläche Nanopartikel angeordnet sind und das organische Halbleitermaterial in der Umgebung der Nanopartikel eine Dotierung aufweist.
Durch die Dotierung des Halbleitermaterials erniedrigt sich der Kontaktwiderstand zwischen dem Kontakt und der Schicht des organischen Halbleitermaterials. Der Effekt kann durch eine durch die Nanopartikel bewirkte Feldüberhöhung noch verstärkt werden.
Das organische Halbleitermaterial unterliegt an sich keinen besonderen Beschränkungen. Als geeignete Verbindungen können beispielsweise Polyene verwendet werden, wie Anthrazen, Tetrazen oder Pentazen, Polythiophene oder Oligothiophene, sowie deren substituierten Abkömmlinge, Polypyrrole, Poly-p- phenylene, Poly-p-phenylvinylidene, Naphthalindicarbonsäuredianhydride, Naphthalinimide, Polynaphthaline, Phthalocyanine, Kupfer-phthalocyanine oder Zink-phthalocyanine sowie deren substituierte, insbesondere fluorierte Abkömmlinge.
Als Kontaktmaterial sind prinzipiell alle Metalle geeignet, vorzugsweise Palladium, Gold, Platin, Nickel, Kupfer, Aluminium, wie auch elektrisch leitfähige Oxide, zum Beispiel Rutheniumoxid und Indiumzinnoxid, sowie auch elektrisch leitfähige Polymere, wie Polyacetylen oder Polyanilin.
Das Material, aus welchem die Nanopartikel bestehen, unterliegt an sich ebenfalls keinen besonderen Beschränkungen. Geeignet sind beispielsweise Edelmetalle, insbesondere Gold und Platin, metallisch leitende oder halbleitende Metalloxide, zum Beispiel RuO₂, TiO₂, SnO₂, In₂O₃ oder SnO₂. Weiter sind metallisch leitende oder halbleitende Metallchalkogenide geeignet, beispielsweise CdSe, CdTe, Te₃₉As₃₆Si₁₇Ge₇P und Ge_xSb_YTe_z. Ebenso geeignet sind Kohlenstoffmodifikationen wie Fullerene oder Graphit. Weiter können die Nanopartikel auch aus organischen Substanzen aufgebaut sein, beispielsweise den oben genannten organischen Leitern bzw. Halbleitern, insbesondere Polyanilin oder 3,4-Polyethylen-dioxythiophen.
Die Dotierung des organischen Halbleitermaterials in der Umgebung des Nanopartikels kann auf verschiedene Weise erfolgt sein. Beispielsweise kann die Dotierung eine protonierte oder deprotonierte Form des organischen Halbleitermaterials sein. Ebenso kann das organische Halbleitermaterial in der Umgebung der Nanopartikel oxidiert bzw. reduziert sein. Eine Oxidation ist besonders für organische p-Halbleiter geeignet, eine Reduktion für organische n-Halbleiter. Ferner kann die Dotierung auch durch Ausbildung eines Ladungs-Transfer- Komplexes erfolgt sein, der aus dem organischen Halbleitermaterial und dem Kontaktmaterial aufgebaut ist. Unter Ladungstrandferkomplex wird in diesem Zusammenhang ein Zustand verstanden, bei dem der organische Halbleiter Ladungsträger an ein Elektronenmangelsystem (z. B. ein Edelmetalloxid) teilweise abgibt. Das Edelmetalloxid wirkt daher als Akzeptor A und der organische Halbleiter als Donator D. An der Kontaktfläche entsteht daher ein A^-D⁺-Komplex. Entscheidend ist, dass der Elektronenübergang dabei nur unvollständig stattfindet. Ein vollständiger Elektronenübergang würde einer Oxidation des organischen Halbleiters und einer Reduktion des Edelmetalloxids entsprechen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die Nanopartikel aus einem Material, das eine zum Kontaktmaterial unterschiedliche Austrittsarbeit aufweist. Auf diese Weise kann an der Grenzfläche zwischen Kontaktmaterial und organischem Halbleiter eine Feldüberhöhung erreicht werden, wodurch die Tunnelstromstärke steigt und damit der Kontaktwiderstand weiter abgesenkt werden kann.
Besonders bevorzugt ist eine Anordnung als Feldeffekttransistor, wobei der Kontakt die Source- und/oder die Drainelektrode bildet und die Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial zwischen Source- und Drainelektrode angeordnet ist.
Die Erfindung wird anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Gleiche Gegenstände sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schnitts senkrecht zu einer zwischen einem Kontakt und einem organischen Halbleiter gebildeten Kontaktfläche für zwei Anordnungen der Halbleiterinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der beim erfindungsgemäßen Verfahren durchlaufenen Arbeitsschritte am Beispiel der Herstellung eines Feldeffekttransistors;
Fig. 3 verschiedene mögliche Ausführungsformen für einen Feldeffekttransistor;
Fig. 4 eine schematische Darstellung, welche die ortsselektive Anbindung von Nanopartikeln zeigt.
In Fig. 1 sind die beiden möglichen Konfigurationen für die erfindungsgemäße Anordnung in einer Halbleitereinrichtung gezeigt. In Fig. 1a ist auf einem Kontakt 1, welcher aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, beispielsweise einem Metall, eine Schicht 2 aus einem organischen Halbleitermaterial angeordnet, so dass zwischen Kontakt 1 und organischem Halbleitermaterial 2 eine Kontaktfläche 3 ausgebildet ist. An der Kontaktfläche 3 sind Nanopartikel 4 angeordnet. Die Herstellung der Anordnung ist dabei in der Weise erfolgt, dass die Nanopartikel 4 auf dem Kontakt 1 auf der Kontaktfläche 3 bereitgestellt wurden und anschließend das organische Halbleitermaterial 2 aufgetragen wurde. Bei dieser Verfahrensvariante bildet also das Kontaktmaterial den im Sinne der Erfindung ersten Körper. In den die Nanopartikel 4 umgebenden Bereichen 5 ist durch die Nanopartikel 4 eine Dotierung in die Schicht 2 des organischen Halbleitermaterials eingeführt worden. Die Dotierung ist nur in den Bereichen nahe der Kontaktfläche 3 erfolgt, während in den von der Kontaktfläche 3 entfernten Bereichen der Schicht 2 aus dem organischen Halbleitermaterial keine Dotierung stattgefunden hat.
In Fig. 1b ist der Zustand dargestellt, der mit einer zweiten Verfahrensvariante erhalten wird. Der im Sinne der Erfindung erste Körper besteht dabei aus dem organischen Halbleitermaterial. Die Nanopartikel 4 wurden daher auf der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial abgeschieden. Zwischen der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial und dem in Fig. 1b oben angeordneten Kontakt 1 ist wiederum eine Kontaktfläche 3 ausgebildet. An der Kontaktfläche 3 sind Nanopartikel 4 angeordnet, welche auf der Schicht 2 aus organischem Halbmaterial aufliegen und vom Kontaktmaterial des Kontakts 1 eingebettet sind. In Bereichen 5 der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial ist eine ortsfeste Dotierung des organischen Halbleitermaterials erfolgt.
In Fig. 2a-e sind am Beispiel der Herstellung eines organischen Feldeffekttransistors schematisch die Arbeitsschritte dargestellt, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchlaufen werden. Zunächst wird, wie in Fig. 2a dargestellt, eine Gateelektrode 6 auf einem Substrat 7 definiert. Als Substrat 7 dienen vorzugsweise preiswerte, flexible Polymerfolien auf der Basis von Polyethylennaphthalat, Polyethylenterephthalat, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Epoxydharzen, Polyimiden, Polybenzoxazolen, Polyethern bzw. deren elektrisch leitfähig beschichtete Varianten sowie flexible Metallfolien, Glas, Quarz, oder elektrisch leitfähig beschichtete Gläser. Die Gateelektrode 6 besteht aus einem leitfähigen Material, insbesondere einem leitfähigen Metall, beispielsweise Aluminium, und kann z. B. durch Aufdampfen abgeschieden werden. Anschließend wird, wie in Fig. 2b dargestellt, die Gateelektrode 6 mit einem Gatedielektrikum 8 isoliert. Dazu kann beispielsweise Siliziumdioxid oder ein nichtleitendes Polymer verwendet werden. Auf dem Gatedielektrikum 8 wird anschließend eine Schicht 2 aus einem organischen Halbleitermaterial abgeschieden. Die in Fig. 2c gezeigte Anordnung weist die Schicht 2 des organischen Halbleitermaterials eine freiliegende Fläche 9 auf. Auf der Fläche 9 der Schicht 2 aus dem organischen Halbleitermaterial wird anschließend in Abschnitten 10a, 10b, welche später die Kontaktflächen 3a, 3b bilden, Nanopartikel 4 abgeschieden und ggf. aktiviert. Es sind hier mehrere Vorgehensweisen möglich. So können die Nanopartikel 4 direkt auf den Abschnitten 10a, 10b abgeschieden werden, indem beispielsweise eine Lösung oder Suspension der Nanopartikel 4 auf den Abschnitten 10a, 10b aufgetragen und anschließend das Lösungsmittel verdampft wird. Die Nanopartikel 4 können dabei in bereits aktivierter Form abgeschieden werden, oder anschließend an ihre Abscheidung, beispielsweise durch Behandlung mit Wasserstoff oder einem Oxidationsmittel in eine aktivierte Form überführt werden. Es ist aber auch möglich, zunächst eine kolloide Vorstufe der Nanopartikel 4 abzuscheiden, welche dann unter Ausbildung der Nanopartikel 4 koagulieren. Auch hier können die Nanopartikel 4 direkt in einer aktivierten Form erhalten werden oder in einem weiteren Schritt mit einer entsprechenden aktivierenden Verbindung aktiviert werden. Durch die Nanopartikel 4 erfolgt eine Dotierung der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial in den den Kontaktflächen 10a, 10b benachbarten Bereichen 5a, 5b. Abschließend werden Kontakte als Sourceelektrode 11 und Drainelektrode 12 abgeschieden, die bevorzugt aus einem Metall, insbesondere Aluminium, bestehen. Die Dotierung hat nur in den Bereichen 5a, 5b an den Kontaktflächen 3a, 3b stattgefunden, während die Kanalregion 13, in der unter Einwirkung des von der Gateelektrode 6 erzeugten Feldes ein Ladungsträgerkanal erzeugt wird, frei von Dotierungen bleibt. Bei dieser Ausführungsform eines organischen Feldeffekttransistors werden die Nanopartikel 4 auf Abschnitten 10a, 10b der Fläche 9 der organischen Halbleiterschicht 2 abgeschieden. Es wird daher eine Anordnung erhalten, wie sie bei Fig. 1b beschrieben wurde.
In Fig. 3 sind Querschnitte durch weitere Ausführungsformen von Feldeffekttransistoren gezeigt, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können und die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung umfassen. Bei den in den Fig. 3a und 3b dargestellten Anordnungen wurden bei der Herstellung des Feldeffekttransistors die Nanopartikel auf Abschnitten der Fläche der organischen Halbleiterschicht abgeschieden, während bei den in den Fig. 3c, 3d und 3e gezeigten Konfigurationen die Nanopartikel auf den Kontakten abgeschieden wurden.
Bei der in Fig. 3a gezeigten Anordnung wurde auf dem Substrat 7 zunächst eine Schicht 2 aus einem organischen Halbleitermaterial abgeschieden. Auf der Schicht 2 sind in Abschnitten 10a, 10b der Fläche 9 der organischen Halbleiterschicht 2, welche die Kontaktflächen 3a, 3b bilden, Nanopartikel 4 angeordnet. Durch die Nanopartikel 4 wird eine Dotierung der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial in den den Kontaktflächen 3a, 3b benachbarten Bereichen 5a, 5b bewirkt, während die Kanalregion 13 undotiert verbleibt. Auf den Abschnitten 5a, 5b sind als Kontakte die Sourceelektrode 11 und die Drainelektrode 12 angeordnet. Auf der Sourceelektrode 11, der Drainelektrode 12 sowie der freiliegenden Fläche der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial ist ein Gatedielektrikum 8 zur Isolation aufgebracht, auf welchem wiederum eine Gateelektrode 6 angeordnet ist.
Eine Modifikation des in Fig. 3a dargestellten Feldeffekttransistors ist in Fig. 3b gezeigt. Auf dem Substrat 7 ist eine Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial angeordnet. Auf den Abschnitten 10a, 10b der Fläche 9 der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial sind Nanopartikel 4 angeordnet, durch welche eine Dotierung in den Bereichen 5a, 5b der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial eingeführt ist. Auf den Abschnitten 10a, 10b sind als Kontakte die Sourceelektrode 11 und die Drainelektrode 12 angeordnet. Im Bereich der Kanalregion 13 ist ein Gatedielektrikum 8 auf die Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial aufgebracht, durch welches die Gateelektrode 6 isoliert wird.
In den in den Fig. 3c bis 3d dargestellten Feldeffekttransistoren sind die Nanopartikel während der Herstellung des Transistors auf den Kontakten bereitgestellt worden. Die Anordnung entspricht daher der in Fig. 1b gezeigten Konfiguration.
In Fig. 3c ist auf einem Substrat 7 eine Gateelektrode 6 angeordnet, welche durch ein Gatedielektrikum 8 isoliert ist. Auf dem Gatedielektrikum 8 sind Sourceelektrode 11 und Drainelektrode 12 als Kontakte angeordnet, welche jeweils Kontaktfläche 3a, 3b zur auf der Sourceelektrode 11 und der Drainelektrode 12 angeordneten Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial ausbilden. An der Kontaktfläche 3a, 3b sind Nanopartikel 4 angeordnet, durch welche eine Dotierung in den den Kontaktflächen 3a, 3b benachbarten Bereichen 5a, 5b der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial eingeführt wurde. Es erfolgt nur eine Dotierung benachbart zu den Kontaktflächen 3a, 3b, während der Bereich der Kanalregion 13 undotiert verbleibt, weshalb Leckströme weitgehend unterdrückt werden.
Eine Anordnung eines Feldeffekttransistors, bei welchem die Sourceelektrode 11 und die Drainelektrode 12 direkt auf dem Substrat 7 aufgebracht sind, ist in Fig. 3d gezeigt. Auf den die Kontaktflächen 3a, 3b bildenden Abschnitten 10a, 10b der Sourceelektrode 11 bzw. der Drainelektrode 12 sind wiederum Nanopartikel 4 angeordnet, welche in den sich an die Kontaktflächen 3a, 3b anschließenden Bereichen 5a, 5b der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial eine Dotierung bewirken. Der Bereich der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial, welcher zwischen Sourceelektrode 11 und Drainelektrode 12 angeordnet ist, und welcher die Kanalregion 13 umfasst, ist frei von Dotierungen und Nanopartikeln. Auf der Schicht 2 aus organischem Halbleitermaterial ist wiederum ein Gatedielektrikum 8 angeordnet, und auf diesem die Gateelektrode 6.
Eine weitere Anordnung, bei welcher Sourceelektrode 11, Drainelektrode 12 und Gateelektrode 8 in einer Ebene angeordnet sind, ist in Fig. 3e dargestellt. Dieser Dünnfilmtransistor erfordert nur drei Schritte für die Abscheidung der einzelnen Schichten und ist von H. Klauk, D. J. Gundlach, M. Bonse, C.-C. Kuo und T. N. Jackson, Appl. Phys. Lett. 76, 2000, 1692-1694 vorgeschlagen worden. Zunächst wird auf einem Substrat 7 eine Sourceelektrode 11, eine Drainelektrode 12 und eine Gateelektrode 6 aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, beispielsweise Aluminium, in einem gemeinsamen Arbeitsschritt definiert. Anschließend wird die Gateelektrode 6 mit einem Gatedielektrikum 8 isoliert. Auf die freiliegenden Abschnitte 10a, 10b der Sourceelektrode 11 und der Drainelektrode 12, welche später die Kontaktflächen 3a, 3b bilden, werden Nanopartikel 4 in aktivierter Form bereitgestellt. Auf diese sowie die freiliegenden Flächen des Gatedielektrikums 8 wird anschließend die Schicht 2 des organischen Halbleitermaterials abgeschieden. Durch die Wirkung der aktivierten Nanopartikel 4 werden in der Schicht aus organischem Halbleitermaterial 2 Bereiche 5a, 5b erzeugt, welche eine Dotierung und damit eine höhere Leitfähigkeit aufweisen.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Halbleitereinrichtung ist es wesentlich, dass die Nanopartikel zumindest in den Abschnitten aufgebracht werden, welche später die Kontaktflächen zwischen Kontaktmaterial und organischem Halbleitermaterial bilden. Bevorzugt werden die Nanopartikel daher selektiv nur in den Abschnitten aufgebracht, die später die Kontaktflächen bilden. Eine Möglichkeit, mit der die Nanopartikel selektiv in den gewünschten Abschnitten fixiert werden können ist in Fig. 4 gezeigt. Die Anbindung der Nanopartikel 4 an die Fläche 10 des Kontakts 1 erfolgt dabei über einen Liganden 14, welcher zwei Bindungsstellen aufweist. Diese Anbindung der Nanopartikel 4 an die Fläche 10 des Kontakts 1 erlaubt eine räumlich selektive Abscheidung von Nanopartikeln 4 auf der Oberfläche eines Substrats. Fig. 4 zeigt einen Kontakt 1, welcher beispielsweise aus einem Metall besteht. An das Metall können sich beispielsweise Thiolgruppen koordinieren. Zu beiden Seiten des Kontakts 1 schließen sich Bereiche 15 an, die aus einem Material bestehen, an welches Thiolgruppen nicht koordinieren. Wird nun auf der Fläche 16, welche Abschnitte 10 umfasst, die vom Kontakt 1 gebildet werden, sowie Abschnitte, die von den Bereichen 15 gebildet werden, eine Lösung des Liganden 14 aufgetragen, so werden selektiv nur die Bereiche mit dem Liganden 14 belegt, welche der Kontaktfläche 10 entsprechen, während die Oberfläche der Bereiche 15 unbelegt bleiben. Der Ligand 14 weist zu diesem Zweck zwei endständige Gruppen auf, welche beispielsweise an Metalle koordinieren können. In der Figur trägt der Ligand 14 an seinem einen Ende eine Thiolgruppe, während am anderen Ende eine Aminogruppe vorgesehen ist. Der Ligand 14 koordiniert nun selektiv mit seiner Thiolgruppe an der Fläche 10 des Kontakts 1. Die am anderen Ende des Liganden 14 angeordneten Aminogruppen ragen von der Fläche 10 weg. Dadurch ist die Fläche 10 nun mit Aminogruppen belegt, was eine deutliche chemische Differenzierung zwischen den Bereichen der Fläche 16, welche von den Bereichen 15 gebildet werden und der Fläche 10 des Kontakts 1 bewirkt. Wird nun eine Suspension von Nanopartikeln 4 aufgetragen, welche eine Bindung zu Aminogruppen ausbilden können, werden die Nanopartikel 4 selektiv in den Bereichen des Kontakts 1 auf der Fläche 10 gebunden, während die Bereiche 15 frei von Nanopartikeln 4 bleiben. Wird anschließend das organische Halbleitermaterial aufgetragen, werden die Nanopartikel 4 an der von der Fläche 10 gebildeten Kontaktfläche zwischen Kontakt 1 und der Schicht aus organischem Halbleitermaterial fixiert.

Beispiel

Auf ein Substrat, das z. B. aus Glas oder Polyesterfolie besteht, wird nach dem Reinigen der Substratoberfläche eine Schicht Aluminium aufgebracht und strukturiert, um die Gateelektrode zu definieren. Die Abscheidung erfolgt beispielsweise durch thermisches Verdampfen, Kathodenstrahlzerstäubung oder Drucken. Die Strukturierung kann zu Beispiel durch Fotolithographie, chemisches Ätzen, Abheben oder Drucken erfolgen. Nachfolgend wird eine Schicht Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder isolierendes Polymer als Gate-Dielektrikum abgeschieden und strukturiert. Danach wird eine Schicht des organischen Halbleiters aus der Lösung durch Drucken oder Aufschleudern abgeschieden. Dazu wird ein 5%-ige Lösung von regio-regulärem Poly(3-octyl)thiophen in Chloroform mit 2000 Upm aufgeschleudert und bei 60°C getrocknet. Anschließend wird aus einer zweiten Lösung in den Kontaktbereichen eine dünne Schicht Gold-Nanopartikel, die durch eine H₂O₂-Lösung oder eine Br₂-Lösung aktiviert werden, auf die organische Halbleiterschicht aufgedruckt, mit anschließender Austreibung des Lösungsmittels bei 100°C. Nachfolgend wird über die Nanopartikel-Schicht eine Schicht Palladium aufgebracht, um die Source- und Drainkontakte zu definieren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, welche zumindest einen ersten Körper und einen zweiten Körper umfasst, die eine gemeinsame Kontaktfläche (3) ausbilden, wobei einer der Körper (2) aus einem organischen Halbleitermaterial und der andere Körper (1) aus einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial aufgebaut ist, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen von aktivierten Nanopartikeln (4) auf zumindest einem Abschnitt (10) einer Fläche (9) des ersten Körpers,

- Abscheiden des zweiten Körpers auf dem Abschnitt (10) der Fläche (9) des ersten Körpers unter Ausbildung der Kontaktfläche (3), wobei durch die aktivierten Nanopartikel (4) in Bereiche (5) des organischen Halbleitermaterials, welche die Nanopartikel (4) umgeben, eine Dotierung eingeführt wird, und die aktivierten Nanopartikel (4) in eine deaktivierte Form übergehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nanopartikel (4) in aktivierter Form auf dem zumindest einen Abschnitt (10) der Fläche (9) des ersten Körpers abgeschieden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei inaktive Nanopartikel (4) auf dem zumindest einen Abschnitt (10) der Fläche (9) des ersten Körpers abgeschieden werden und die abgeschiedenen Nanopartikel (4) aktiviert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die aktivierten Nanopartikel (4) in einer oxidierten oder einer reduzierten Form vorliegen und zur Einführung der Dotierung die aktivierten Nanopartikel (4) in eine reduzierte oder eine oxidierte Form überführt werden, wobei das organische Halbleitermaterial in der Umgebung (5) der Nanopartikel (4) oxidiert oder reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Nanopartikel (4) mit einem Oxidationsmittel oder einem Reduktionsmittel aktiviert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nanopartikel (4) einen basischen oder sauren Dopanten umfassen, welcher in das organische Halbleitermaterial in der Umgebung (5) der Nanopartikel (4) diffundiert und eine Deprotonierung oder Protonierung des organischen Halbleitermaterials bewirkt, wobei die Nanopartikel (4) eine zum Dopanden entgegengesetzte Basizität aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in zumindest dem zumindest einen Abschnitt (10) der Fläche (9) des ersten Körpers Bindungsstellen bereitgestellt werden, an welche die Nanopartikel (4) selektiv koordinieren.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Nanopartikel (4) zumindest in ihrer deaktivierten Form eine von dem Kontaktmaterial verschiedene Austrittsarbeit aufweisen.

9. Anordnung in einer Halbleitereinrichtung, welche zumindest einen aus einem Kontaktmaterial bestehenden Kontakt (1) und eine auf dem Kontakt (1) angeordnete Schicht (2) aus einem organischen Halbleitermaterial umfasst, so dass zwischen Kontakt (1) und der Schicht (2) aus dem organischen Halbleitermaterial eine Kontaktfläche (3) ausgebildet ist, wobei an der Kontaktfläche (3) Nanopartikel (4) angeordnet sind und das organische Halbleitermaterial in der Umgebung (5) der Nanopartikel (4) eine Dotierung aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Dotierung eine protonierte oder deprotonierte Form des organischen Halbleitermaterials ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Dotierung eine oxidierte oder reduzierte Form des organischen Halbleitermaterials ist.

12. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Dotierung ein Ladungstransferkomplex ist, der aus dem organischen Halbleitermaterial und dem Kontaktmaterial aufgebaut ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Nanopartikel aus einem Material bestehen, das eine zum Kontaktmaterial unterschiedliche Austrittsarbeit aufweist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Anordnung ein Feldeffekttransistor ist, und der Kontakt (1) die Source- (11) und/oder die Drainelektrode (12) bildet und die Schicht (2) aus dem organischen Halbleitermaterial zwischen Source- (11) und Drainelektrode (12) angeordnet ist.