DE10234997C1 - Verringerung des Kontaktwiderstandes in organischen Feldeffekttransistoren mit Palladiumkontakten durch Verwendung von Phosphinen und metallhaltigen Phosphinen - Google Patents

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 Phosphins angeordnet ist. Das Phosphin 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

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 Ver­ fahren 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 jedoch eben­ falls 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 kosten­ günstiger Herstellung mikroelektronischer Halbleiterschaltun­ gen auf flexiblen Substraten. Eine Anwendung ist zum Beispiel eine dünne Folie mit integrierten Steuerelementen für Flüs­ sigkristallbildschirme. 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 Halb­ leiter im ausgeschalteten Zustand des Transistors als Isola­ tor, während sich unter dem Einfluss des Feldes einer Gatee­ lektrode im eingeschalteten Zustand des Transistors ein La­ dungsträgerkanal ausbildet. Dabei werden am Sourcekontakt e­ lektrische 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 er­ zeugten Ladungskanal fließt.

Wegen der unterschiedlichen Fermi-Niveaus von Halbleitermate­ rial 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 Energiedif­ ferenz, die durch den Übertritt von Ladungsträgern ausgegli­ chen wird. Als Folge baut sich ein Grenzflächenpotential auf, das beim Anlegen einer äußeren Potentialdifferenz einem Über­ tritt der Ladungsträger zwischen den beiden Schichten entge­ genwirkt. 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 ü­ berwunden 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 Erhö­ hung des Kontaktwiderstandes durch eine Dotierung des anorga­ nischen 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 entwe­ der zu einer Verringerung der Potentialbarriere, wodurch es einer wesentlich größeren Anzahl von Ladungsträgern möglich wird, die Potentialbarriere zu überwinden und das gegenüber­ liegende Material zu überschwemmen, oder zu einer Schmälerung der Potentialbarriere, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit für ein Tunneln von Ladungsträgern durch die Potentialbarrie­ re erhöht. In beiden Fällen verringert sich der Kontaktwider­ stand.

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 Si­ liziumnetzwerk eingebaut und wirken als Ladungsdonatoren oder Ladungsakzeptoren, wodurch sich die Dichte der freien La­ dungsträger und damit die elektrische Leitfähigkeit des Sili­ ziums im dotierten Bereich erhöht. Dies bewirkt eine Verrin­ gerung der Differenz zwischen den Fermi-Niveaus von Kontakt­ material 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 kova­ lente Bindungen mit dem Silizium eingehen, besteht keine Ge­ fahr 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 anorgani­ schen Halbleitermaterial seine Sperrfähigkeit verliert und in beiden Richtungen gut leitend wird.

Feldeffekttransistoren auf der Basis organischer Halbleiter sind für eine Vielzahl elektronischer Anwendungen von Inte­ resse, die extrem niedrige Fertigungskosten, flexible oder unzerbrechliche Substrate, oder die Herstellung von Transis­ toren und integrierten Schaltungen über große aktive Flächen erfordern. Zum Beispiel eignen sich organische Feldeffekt­ transistoren als Pixelsteuerelemente in Aktiv-Matrix-Bild­ schirmen. Solche Bildschirme werden gewöhnlich mit Feld­ effekttransistoren auf der Basis amorpher oder polykristalli­ ner Siliziumschichten hergestellt. Die für die Herstellung hochwertiger Transistoren auf der Basis amorpher oder poly­ kristalliner Siliziumschichten notwendigen Temperaturen von gewöhnlich mehr als 250°C erfordern die Verwendung starrer und zerbrechlicher Glas- oder Quarzsubstrate. Dank der rela­ tiv niedrigen Temperaturen, bei denen Transistoren auf der Basis organischer Halbleiter hergestellt werden, von gewöhn­ lich weniger als 100°C, erlauben organische Transistoren die Herstellung von Aktiv-Matrix-Bildschirmen unter Verwendung billiger, flexibler, transparenter, unzerbrechlicher Polymer­ folien mit erheblichen Vorteilen gegenüber Glas oder Quarz­ substraten.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für organische Feldeffekttran­ sistoren liegt in der Herstellung von sehr preiswerten integ­ rierten Schaltungen, wie sie zum Beispiel für die aktive Kennzeichnung und Identifizierung von Waren und Gütern zum Einsatz kommen. Diese so genannten Transponder werden gewöhn­ lich unter Verwendung von integrierten Schaltkreisen auf der Basis von einkristallinem Silizium hergestellt, was zu erheb­ lichen Kosten bei der Aufbau- und Verbindungstechnik führt. Die Herstellung von Transpondern auf der Grundlage organi­ scher Transistoren würde zu enormen Kostensenkungen führen und könnte der Transpondertechnologie zum weltweiten Durch­ bruch verhelfen.

Eines der Hauptprobleme bei der Anwendung organischer Feldef­ fekttransistoren sind die relativ schlechten elektrischen Ei­ genschaften der Source- und Drainkontakte, das heißt deren hohe Kontaktwiderstände. Die Source- und Drainkontakte orga­ nischer Transistoren werden meist unter Verwendung anorgani­ scher 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^-1cm^-1 auf. Be­ sitzt 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 La­ dungsträgern. Source- und Drainkontakte weisen daher oft hohe Kontaktwiderstände auf, weshalb hohe elektrische Feldstärken an den Kontakten erforderlich sind, um Ladungsträger zu inji­ zieren und zu extrahieren. Beschränkend wirkt also nicht die Leitfähigkeit des Kontaktes selbst, sondern die geringe Leit­ fähigkeit der an die Kontakte angrenzenden Halbleiterberei­ che, in welche die Ladungsträger injiziert bzw. aus welchen die Ladungsträger extrahiert werden.

Um die elektrischen Eigenschaften der Source- und Drainkon­ takte 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 Kontaktma­ terial zu verringern und damit die Kontaktwiderstände zu er­ niedrigen. Andererseits hat eine hohe elektrische Leitfähig­ keit des organischen Halbleiters in der Kanalregion einen ne­ gativen 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 unab­ dingbar. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit führt außerdem dazu, dass das Verhältnis zwischen maximalem Einschaltstrom und minimalem Ausschaltstrom zu gering ausfällt. Viele Anwen­ dungen 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 organi­ schen Halbleiters erforderlich, während im Bereich der Sour­ ce- und Drainkontakte eine hohe elektrische Leitfähigkeit notwendig ist, um die Kontakteigenschaften zwischen organi­ schem 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 problema­ tisch. Die Dotiersubstanzen sind in den organischen Halblei­ tern 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 Halbleiter­ schicht, 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.

Ioannis Kymissis et al.: "High-Performance Bottom Electrode Organic Thin-Film Transistors" IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, Nr. 6, Juni 2001, S. 1060-1064 beschrei­ ben eine Halbleitereinrichtung mit vermindertem Kontaktwider­ stand, wobei auf Chrom/Gold-Elektroden zunächst eine monomo­ lekulare Schicht aus 1-Hexadecanthiol und auf dieser dann ei­ ne Schicht aus Pentazen als organisches Halbleitermaterial aufgebracht wird. Diese Anordnung ermöglicht es, den Kontakt­ widerstand für den Ladungsübertritt der Ladungsträger zwi­ schen Elektrode und Halbleiterstrecke wesentlich zu erniedri­ gen. Die an der Grenzfläche zwischen Kontakt und organischem Halbleiter angeordneten Moleküle aus 1-Hexadecanthiol wirken als Ladungstransfer-Moleküle. Sie stehen sowohl mit dem Kon­ taktmaterial 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 La­ dungsträgern 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 organischen Halbleiterschicht herbeigeführt werden, wodurch der Kontaktwiderstand deutlich verringert wird. Die Thiolgruppen des 1-Hexadecanthiols bil­ den eine kovalente Bindung zur Oberfläche der Goldkontakte aus, was eine lokale Fixierung der Moleküle bewirkt. Auch un­ ter Einwirkung eines zwischen Source- und Drainelektrode an­ gelegten Feldes wandern die Ladungstransfermoleküle daher nicht in diejenigen Abschnitte der organischen Halbleiter­ strecke, in welcher die Kanalregion ausgebildet wird.

Gold hat jedoch den Nachteil, dass es meist sehr schlecht auf anorganischen Schichten haftet, wie zum Beispiel auf Silizi­ umdioxid. Um die Haftung der Goldkontakte zu verbessern, wird daher unmittelbar vor der Abscheidung der Goldschicht oft ei­ ne dünne Schicht aus Chrom oder Titan als Haftvermittler auf­ gebracht. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die für die Er­ zeugung der Kontaktstrukturen notwendige Strukturierung der Metallschicht erschwert wird. Ferner eignen sich Thiole auch nur für bestimmte Metalle, wie Gold, als Ladungstransfermole­ küle, da nicht zu allen Metallen, die für die Herstellung von Kontakten geeignet sind, eine ausreichende Bindungsstärke er­ reicht werden kann, um ein Abdiffundieren der Thiole aus der Grenzschicht zwischen Kontakt und Halbleitermaterial zu ver­ hindern.

Aus WO 01/01502 A2 sind weitere für den organischen Ladungs­ transfer geeignete Verbindungen wie beispielsweise 4,4'- substituiertes Phenyl oder Biphenyl und deren funktionelle Gruppen bekannt. Schließlich beschreibt die US 5,903,101 die Behandlung von ITO-Kontakten einer organischen Elektrolumi­ neszenzanzeige mit einem Kopplungsagens, bei dem sich Titan in der Hauptkette und im Übrigen aber auch Phosphor, nämlich Phosphor-Sauerstoffverbindungen, in der Seitenkette befinden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleitereinrichtung mit einer Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermate­ rial, einem ersten Kontakt zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterstrecke und einem zweiten Kontakt zum Extra­ hieren von Ladungsträgern aus der Halbleiterstrecke zur Ver­ fügung zu stellen, welche einen niedrigen Kontaktwiderstand für den Übertritt von Ladungsträgern zwischen Kontakt und Halbleiterstrecke aufweist.

Die Aufgabe wird bei einer Halbleitereinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, indem zwischen erstem Kontakt und der Halbleiterstrecke und/oder zwischen zweitem Kontakt und der Halbleiterstrecke eine monomolekulare Schicht eines Phosphins angeordnet ist.

Phosphine können mit einer großen Anzahl von Metallen, welche als Material für Kontakte in dem oben beschriebenen Halblei­ tereinrichtungen verwendet werden, äußerst stabile Komplexe ausbilden. Wird das Phosphin auf die Fläche der Kontakte auf­ gebracht, welche später die Kontaktfläche zur Halbleiterstre­ cke bildet, werden die Moleküle daher unter Ausbildung eines Komplexes an die Oberfläche koordiniert. Dies sichert einer­ seits einen guten Kontakt zum Material der Kontakte und ande­ rerseits eine Fixierung der Phosphinmoleküle an der Kontakt­ fläche, 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 Halblei­ termaterial aufgebaut ist. Die Ladungsträger, Elektronen bzw. Löcher, werden am ersten Kontakt in die Halbleiterstrecke in­ jiziert, durchlaufen die Halbleiterstrecke und werden am zweiten Kontakt wieder aus der Leiterstrecke extrahiert. Als organisches Halbleitermaterial können an sich alle organi­ schen Materialien verwendet werden, welche Halbleitereigen­ schaften aufweisen. Beispiele für geeignete Verbindungen sind kondensierte Aromaten, wie Antrazen, Tetrazen oder Pentazen, polymere aromatische Verbindungen, wie Polyvinylene oder Po­ lynaphthalinderivate, elektrisch halbleitende Verbindungen auf der Basis von Polythiophen, zum Beispiel Poly-3-hexyl­ thiophen-2,5-diyl, oder elektrisch halbleitende Verbindungen auf der Basis von Polyvinylthiophen oder Polyanilin. Neben den genannten Verbindungen können auch andere organische Halbleiterverbindungen verwendet werden. Die organischen Halbleitermaterialien können eine Dotierung aufweisen. Dabei sollte jedoch sichergestellt sein, dass die Dotierung nicht im organischen Halbleitermaterial wandert bzw. diffundiert. Die Halbleiterstrecke kann homogen aus nur einem organischen Halbleitermaterial bestehen. Es ist aber auch möglich, eine Halbleiterstrecke vorzusehen, die aus verschiedenen Abschnit­ ten besteht, die aus jeweils verschiedenen organischen Halb­ leitermaterialien aufgebaut sind.

Die für die Herstellung der Halbleiterstrecke der erfindungs­ gemäßen Halbleitereinrichtung verwendeten Materialien sind einfach zugänglich und können teilweise auch von kommerziel­ len Anbietern bezogen werden. Die organischen Halbleitermate­ rialien bzw. Vorstufen für die Herstellung der organischen Halbleitermaterialien sind meist in organischen Lösungsmit­ teln gut löslich und können daher in gelöster Form bzw. als Suspension bereitgestellt und in flüssiger Form auf ein Sub­ strat aufgebracht werden. Auf diese Weise kann die Halblei­ terstrecke der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung bei­ spielsweise durch einfache Druckverfahren erzeugt werden, was die Herstellung des Halbleiterelements wesentlich vereinfacht und verbilligt. Die Abscheidung des organischen Halbleiterma­ terials 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 auf­ weisen. 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 Polyme­ re, wie Polyacetylen oder Polyanilin. Das Material für die Kontakte sollte zum Phosphin eine stabile Bindung ausbilden können, um das Phosphin an die Oberfläche zu binden. Metalle bilden mit Phosphinen im Allgemeinen stabile Komplexe, wes­ halb die Kontakte bevorzugt aus Metallen aufgebaut sind.

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 je­ doch wesentlich besser auf Unterlagen aller Art, so dass die zusätzliche Verwendung eines Haftvermittlers, wie Chrom oder Titan, nicht erforderlich ist. Phosphine zeigen eine sehr gu­ te Haftung auf Palladiumoberflächen, so dass keine Wanderung dieser Verbindungen im elektrischen Feld erfolgt. Werden Phosphine auf Palladium aufgebracht, kommt es zur Bildung ei­ nes stabilen Metallkomplexes und damit zur Fixierung der Mo­ leküle auf der Palladiumoberfläche durch Komplexbildung. Thi­ ole 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 Über­ tritt der Ladungsträger zwischen Kontakt und Halbleiterstre­ cke zu erreichen, sollte die Schicht des Phosphins möglichst dünn ausgeführt werden. Bevorzugt ist die Schicht des Phosphins als selbstorganisierende monomolekulare Schicht ausgebildet. In diesem Fall wird die Oberfläche des Kontakts mit einer monomolekularen Schicht belegt, wobei das Phosphin über den Phosphor an die Oberfläche des Kontakts koordiniert wird. Ist die Oberfläche des Kontakts vollständig belegt, wird keine weitere Verbindung mehr adsorbiert und überschüs­ siges Phosphin kann beispielsweise mit einem geeigneten Lö­ sungsmittel weggespült werden.

Die für die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung geeigneten Phosphine können eine äußerst vielfältige Struktur aufweisen. Der für den Übertritt der Ladungsträger zwischen Kontakt und Halbleiterstrecke herrschende Kontaktwiderstand kann durch Variation der Struktur des Phosphins in weiten Grenzen verän­ dert und auf die Materialien, z. B. der Halbleiterstrecke ab­ gestimmt werden. Geeignet sind bereits vergleichsweise ein­ fach aufgebaute Phosphine, wie PH₃ oder PF₃. Weiter eignen sich Alkylphosphine, wobei die an den Phosphor gebundenen Al­ kylgruppen gleich oder verschieden sein können und vorzugs­ weise 1 bis 20, insbesondere bevorzugt 1 bis 8 Kohlenstoff­ atome umfassen. Beispiele für geeignete Alkylgruppen sind Me­ thyl-, Ethyl- Propyl- Butyl-, Pentyl-, Hexyl-, Heptyl- und Octylgruppen, wobei diese Gruppen geradkettig oder verzweigt sein können. Geeignet sind auch zyklische Alkylgruppen, wie z. B. Cyclopentyl- oder Cyclohexylgruppen. Die Alkylgruppen können auch ein oder mehrere Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindungen enthalten, die isoliert oder konjugiert zu­ einander angeordnet sein können. Beispiel für eine geeignete ungesättigte Alkylgruppe (Alkenylgruppe) ist die Vinylgruppe. In den genannten Gruppen können auch ein oder mehrere Wasser­ stoffatome durch Halogenatome, wie Fluor, oder Pseudohaloge­ nide, wie eine Nitrilgruppe, ersetzt sein. Auch andere Grup­ pen sind geeignet, z. B. eine Aminogruppe. Beispiele für ge­ eignete Phosphine sind Tris(2-cyanoethyl)phosphin oder Tris(diethylamino)phosphin. Geeignet sind ferner Arylphosphi­ ne, wobei die Arylgruppe beispielsweise ausgewählt wird aus der Gruppe, die gebildet ist aus Phenyl, Anisyl, p- Methylphenyl, p-Sulfonsäurephenyl. Die an den Phosphor gebun­ denen Arylgruppe können gleich oder verschieden sein. Ein Beispiel für ein geeignetes Arylphosphin ist Diphenylphosphi­ nobenzoesäure. Auch in den Arylgruppen können ein oder mehre­ re der Wasserstoffatome durch Halogenatome oder Pseudohaloge­ nide ersetzt sein. Beispiele für derartige Arylgruppen sind Fluorphenyl oder Perfluorphenyl. Weiter sind auch chelatisie­ rende Phosphine mit zwei oder mehreren Phosphinsubstituenten geeignet, wie 1,2-bis-(Diphenylphosphino)ethan, cis-1,2-bis- (Diphenylphosphino)ethylen, bis-(Diphenylphosphino)methan, 1,1,1-Tris(diphenylphosphinomethyl)ethan, Bis(dimethylphosphino)methan. Ferner können auch Phosphine verwendet werden, die sowohl Alkyl-, wie auch Arylgruppen um­ fassen.

Phosphine bilden sehr stabile Komplexe mit Metallen, insbe­ sondere Palladium und Platin aus. In Lösung stellt sich ein reversibles Gleichgewicht ein:

Pd(PPh₃)₄ ↔ Pd(PPh₃)₃ + PPh₃ ↔ Pd(PPh₃)₂ + 2PPh₃

Dieses Gleichgewicht ermöglicht die Ausbildung einer Metall- Metall-Bindung. Für diese Umsetzung sind Komplexe wie Pd(PPh₃)₄ oder Pd(CO)(PPh₃)₃ geeignet. Auf diese Weise lassen sich aber auch gezielt Komplexe aufbringen, die andere Metal­ le enthalten als das Metall des Kontaktes. Geeignet sind bei­ spielsweise Komplexe von Platin oder Nickel. Beispiele für geeignete Komplexe sind Pt(PPh₃)₄ oder Pt(CO)(PPh₃)₃ oder auch NiCl₂(dppe)₂. Auf diese Weise lassen sich auch Fremdmetalle in die Kontaktfläche zwischen Kontakt und Halbleiterstrecke einführen.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung lässt sich sehr ein­ fach in komplexere Bauelemente integrieren. So wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die oben beschriebene Halbleitereinrichtung durch eine Gateelektrode und ein Gate­ dielektrikum zu einem Transistor ergänzt. Der erste Kontakt der Halbleitereinrichtung bildet dann den Sourcekontakt, wäh­ rend der zweite Kontakt die Drainelektrode bildet. Unter dem Einfluss des von der Gateelektrode erzeugten Feldes wird dann zwischen Source- und Drainelektrode ein Ladungskanal ausge­ bildet, in welchem ein Ladungsträgertransport stattfindet. Für die Gateelektrode können die gleichen Materialien verwen­ det werden, wie sie weiter oben für den ersten und zweiten Kontakt beschrieben worden sind. Zur Isolation der Gatee­ lektrode können übliche Materialien verwendet werden, wie Si­ liziumdioxid, Aluminiumoxid oder ein isolierendes Polymer, wie Polystyrol, Polyethylen, Polyester, Polyurethan, Polycar­ bonat, Polyacrylat, Polyimid, Polyether, Polybenzoxazole oder Gemische dieser Verbindungen.

Das erfindungsgemäße Halbleiterelement lässt sich sehr kos­ tengünstig aus gut zugänglichen Materialien herstellen und eignet sich daher insbesondere für eine Anwendung in Vorrich­ tungen, welche einem hohen Kostendruck unterliegen, wie zum Beispiel RF-ID-Etiketten für die Kennzeichnung von Waren.

Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Halbleitereinrichtung, wo­ bei auf einem Substrat ein erster und/oder ein zweiter Kon­ takt bereitgestellt wird, welcher eine freiliegende Kontakt­ fläche aufweist. Auf der freiliegenden Kontaktfläche wird ein Phosphin oder ein metallhaltiges Phosphinderivat aufgebracht, so dass auf der Kontaktfläche eine Schicht des Phosphins er­ halten wird. Schließlich wird ein organisches Halbleitermate­ rial in der Weise abgeschieden, dass zwischen erstem Kontakt und zweitem Kontakt eine Halbleiterstrecke aus dem organi­ schen 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 Silizi­ umwafer. Bevorzugt werden jedoch flexible Substrate verwen­ det, wie zum Beispiel Kunststofffolien aus zum Beispiel Po­ lystyrol, Polyethylen, Polyester, Polyurethan, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyimid, Polyether oder Polybenzoxazolen oder auch Papier. Auf dem Substrat können auch bereits Bauelemente der Halbleitereinrichtung definiert sein, wie zum Beispiel eine Gateelektrode, welche mit einem entsprechenden Gatedie­ lektrikum isoliert ist. Anschließend werden auf dem Substrat der erste und zweite Kontakt definiert, wobei übliche Metho­ den für die Abscheidung und Strukturierung verwendet werden. Das Metall, aus welchem die Kontakte aufgebaut sind, kann beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfen oder mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschieden werden. Andere Verfah­ ren können jedoch ebenfalls angewandt werden. Die Metall­ schicht wird anschließend strukturiert, beispielsweise durch fotolithografische Verfahren. Das Phosphin wird anschließend auf die Kontakte aufgebracht, wobei hier an sich beliebige Verfahren verwendet werden können. So kann das Phosphin bei­ spielsweise aus der Gasphase aufgebracht werden, indem ein mit dem Phosphin gesättigter Luftstrom über die Oberfläche der Kontakte geleitet wird, so dass die Phosphinmoleküle an der Oberfläche des Kontakts gebunden werden. Bevorzugt wird das Phosphin jedoch als Lösung auf die Kontakte aufgebracht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Phosphin ei­ nen sehr niedrigen Dampfdruck aufweist. Dazu wird zunächst eine Lösung des Phosphins 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 den Phosphor unter Ausbildung eines Metallkomplexes mit dem Metall des Kontaktes gebunden werden. Überschüssiges Lösungsmittel und Phosphin kann anschließend entfernt werden, beispielsweise durch Spülen oder Abschleudern. Die Lösung des Phosphins kann mit üblichen Verfahren auf die Kontakte aufgebracht werden. Geeignet sind beispielsweise Sprüh- oder Tauchverfahren. E­ benso kann die Lösung des Phosphins auf die Oberfläche des Substrats und der Kontakte aufgeschleudert werden, wobei die Phosphinmoleküle selektiv an die Oberfläche der metallischen Kontakte gebunden werden. Schließlich ist es auch möglich, das Phosphin durch ein Druckverfahren auf die Kontakte aufzu­ bringen. Nachdem die Kontakte mit der Lösung des Phosphins bedruckt sind, muss anschließend überschüssiges Lösungsmittel entfernt werden, beispielsweise durch Verdampfen. Um die Schicht des Phosphins nicht zu dick zu gestalten, muss dabei mit entsprechend verdünnten Lösungen gearbeitet werden. Der Begriff "Lösung" ist in diesem Fall weit auszulegen. Es ist nicht erforderlich, dass das Phosphin in vollständig gelöster Form als klare Lösung vorliegt. Es ist ebenfalls möglich, die Lösung in einer pastösen Form bereitzustellen. Die Anforde­ rungen an die Konsistenz der Lösung werden Wesentlich von den Anforderungen bestimmt, die sich aus dem Verfahren ergeben, mit dem die Lösung auf den Flächen der Kontakte aufgebracht wird. Abschließend wird der organische Halbleiter abgeschie­ den, so dass eine Halbleiterstrecke zwischen erstem und zwei­ tem Kontakt erhalten wird. Dazu werden ebenfalls übliche Ver­ fahren verwendet. So kann beispielsweise Pentazen durch Sub­ limation im Vakuum abgeschieden werden. Es ist aber auch mög­ lich, den organischen Halbleiter in gelöster Form aufzubrin­ gen. Geeignet ist beispielsweise eine Lösung von R,R-Poly-3- Hexylthiophen in Chloroform. Dazu kann die Lösung des organi­ schen Halbleiters beispielsweise aufgesprüht oder aufge­ schleudert werden. Ebenso ist es möglich, den organischen Halbleiter durch Drucktechniken aufzubringen.

Beim oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung der erfin­ dungsgemäßen Halbleiteranordnung kann das Phosphin selbst auf die gereinigte Fläche des Kontakts aufgebracht werden, der beispielsweise aus Palladium besteht. Es ist aber auch mög­ lich, das Phosphin gebunden in einem Metallkomplex auf die Fläche des Kontakts aufzubringen. Wie bereits beschrieben stellt sich in Lösung ein Gleichgewicht ein, in dem die an das Metallatom gebundenen Phosphinliganden abdissoziieren können. Dies ermöglicht es, dass die Phosphinliganden entwe­ der direkt mit dem Metallatomen des Kontakts einen Komplex ausbilden, oder dass zum Beispiel der verbleibende Metallkom­ plex eine Metall-Metall-Bindung zu einem Metallatom ausbil­ det, dass an der Oberfläche des Kontakts angeordnet ist. In den Metallkomplexen können die Phosphine sowohl nur an das zentrale Metallatom gebunden sein, wie auch verbrückend wir­ ken. Beispiele für geeignete Metallkomplexe sind nachfolgend gezeigt.

Bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform des Verfah­ rens wurden zunächst die Kontakte abgeschieden, und auf die­ sen, nach einer Behandlung mit dem Phosphin, die Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial aufgebracht. An sich könn­ te auch zunächst die Schicht aus dem organischen Halbleiter­ material abgeschieden werden und erst auf dieser die Kontakte definiert werden. Im Allgemeinen ist es jedoch schwierig, ei­ ne Strukturierung der Kontakte durchzuführen, wenn diese auf der Schicht des organischen Halbleitermaterials angeordnet sind. Dies wirkt sich nachteilig auf die Leitfähigkeit bzw. die Ladungsträgerbeweglichkeit der organischen Halbleiter­ schicht sowie auf die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der dargestellten Halbleitereinrichtungen aus. Bevorzugt wer­ den daher zunächst die Kontakte hergestellt und erst an­ schließend auf den Kontakten das organische Halbleitermateri­ al abgeschieden, um auf diese Weise die organische Halblei­ terstrecke zu definieren.

Die Erfindung wird im Weiteren unter Bezugnahme auf eine bei­ gefügte 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. 1 zeigt eine Abfolge der Verfahrensschritte, die bei der Herstellung eines Feldeffekttransistors durchlaufen werden, welcher die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung umfasst. Zunächst wird, wie in Fig. 1A gezeigt, auf einem Substrat 1 eine Gateelektrode 2 definiert. Dazu wird auf dem Substrat 1, beispielsweise einer Polymerfolie, eine Schicht aus z. B. Pal­ ladium abgeschieden und anschließend durch fotolithografische Techniken strukturiert. Die Gateelektrode 2 wird anschließend isoliert, indem als Gatedielektrikum 3 eine Schicht aus bei­ spielsweise Siliziumdioxid aufgebracht wird. Man erhält da­ durch die in Fig. 1B dargestellte Anordnung. Auf dem Gatedie­ lektrikum 3 werden nun die Sourceelektrode 4 und die Draine­ lektrode 5 definiert. Dazu wird, wie bei der Darstellung der Gateelektrode 2 beschrieben, zunächst eine Schicht aus z. B. Palladium abgeschieden und diese dann durch fotolithografi­ sche Techniken strukturiert, um wie in Fig. 1C dargestellt, Abschnitte aus Palladium zu erhalten, welche der Sourcee­ lektrode 4 und der Drainelektrode 5 entsprechen. Auf die aus den Oberflächen der Sourceelektrode 4, der Drainelektrode 5 und des Gatedielektrikums 3 gebildete Oberfläche wird nun ei­ ne Lösung eines Phosphins in einem geeigneten Lösungsmittel aufgebracht und für eine bestimmte Zeitdauer dort belassen, so dass die Phosphinmoleküle aus der Lösung an die freilie­ genden Flächen der Sourceelektrode 4 und der Drainelektrode 5 diffundieren können und dort gebunden werden. Abschließend wird überschüssiges Lösungsmittel sowie ungebundenes Phosphin entfernt, beispielsweise durch Spülen mit einem geeigneten Lösungsmittel und anschließendem Trocknen, beispielsweise ei­ nem Stickstoffstrom. Man erhält, wie in Fig. 1D dargestellt, eine Anordnung, in der an den Oberflächen der Sourceelektrode 4 und der Drainelektrode 5 Phosphinmoleküle gebunden sind, die eine monomolekulare Schicht 6 ausbilden. Abschließend wird, wie in Fig. 1E dargestellt, eine Schicht aus einem or­ ganischen Halbleiter 7 aufgebracht, welcher die mit der mono­ molekularen Schicht 6 versehenen Source- und Drainelektrode (4, 5) sowie den zwischen diesen Elektroden angeordneten Ab­ schnitt des Gatedielektrikums 3 bedeckt.

Beispiel 1

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 Transisto­ ren zu definieren. Anschließend wird durch Kathodenstrahlzer­ stäubung eine dünne Schicht Siliziumdioxid als Gatedielektri­ kum für die Transistoren abgeschieden und durch Fotolithogra­ fie sowie nasschemisches Ätzen strukturiert. Danach wird Pal­ ladium entweder durch thermisches Verdampfen, durch Elektro­ nenstrahlverdampfen oder mittels Kathodenstrahlzerstäubung abgeschieden und ebenfalls durch Fotolithografie sowie nass­ chemisches Ätzen in einem stark verdünnten Gemisch aus Salz­ säure und Salpetersäure geätzt, um die Source- und Drainkon­ takte der Transistoren zu definieren. Das so vorbereitete Substrat wird für 5 Minuten in eine 5%-ige Lösung von Triphenylphosphin in Xylol getaucht, um die Palladiumoberflä­ chen mit einer Monolage aus Triphenylphosphin zu bedecken. Überschüssiges Triphenylphosphin wird in einem Spülschritt mit Hexan abgespült. Nach dem Trocknen des Substrats wird mittels thermischen Verdampfens eine dünne Schicht Pentazen als organische Halbleiterschicht abgeschieden.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch anstelle einer Lö­ sung von Triphenylphosphin in Xylol eine handelsübliche Lö­ sung von Trimethylphosphin in Toluol verwendet wurde.

Beispiel 3

Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch anstelle von Triphenylphosphin Tetrakis(triphenylphosphino)palladium(0) verwendet wurde.

Beispiel 4

Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch anstelle von Triphenylphosphin Tetrakis(triphenylphosphino)platin(0) ver­ wendet wurde.

Claims (9)

1. Halbleitereinrichtung mit einer Halbleiterstrecke aus ei­ nem organischen Halbleitermaterial, einem ersten Kontakt zum Injizieren von Ladungsträgern in die Halbleiterstrecke und einem zweiten Kontakt zum Extrahieren von Ladungsträgern aus der Halbleiterstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Kontakt und der Halbleiterstrecke und/oder zwischen zweitem Kontakt und der Halbleiterstrecke eine Schicht eines Phosphins 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 Phosphins als selbstorganisierende monomoleku­ lare Schicht ausgebildet ist.

4. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei das Phospin als Metallkomplex in der Schicht des Phosphins vorliegt.

5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Metall­ komplex Palladium(0) oder Platin(0) als Metall enthält.

6. Halbleitereinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei die Halbleitereinrichtung durch eine Gatee­ lektrode und ein Gatedielektrikum zu einem Feldeffekttransis­ tor ergänzt ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei auf einem Substrat ein erster und/oder ein zweiter Kontakt bereitgestellt wird, wel­ che eine freiliegende Kontaktfläche aufweist, auf der frei­ liegenden Kontaktfläche ein Phosphin oder ein metallhaltiges Phosphinderivat aufgebracht wird, so dass auf der Kontaktflä­ che eine Schicht des Phosphins erhalten wird, und ein organi­ sches Halbleitermaterial abgeschieden wird, so dass zwischen erstem Kontakt und zweitem Kontakt eine Halbleiterstrecke aus einem organischen Halbleitermaterial erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Phosphin als Lösung auf der Kontaktfläche des ersten und/oder des zweiten Kon­ takts aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das Phosphin in Form eines Metallkomplexes aufgebracht wird