Hochratenprozesse für organische Halbleiterbauelemente

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Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss des Abscheideprozesses auf die Eigenschaften eines organischen Halbleiterbauelements untersucht. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf der Abscheidung der Deckelektrode. Diese stellt den energieintensivsten Prozessschritt bei der Herstellung einer organischen Leuchtdiode (OLED) dar und kann zu Degradationseffekten im Bauelement führen, wie hier nachgewiesen wird.
Untersucht wurden sowohl transparente Kontakte aus kathodenzerstäubtem, Aluminium dotiertem Zinkoxid (AZO), als auch opake Elektroden aus physikalisch-thermisch abgeschiedenen Aluminium. Das Ziel der Untersuchungen bestand darin, Verfahren mit möglichst hohen Beschichtungsraten zu entwickeln, deren Abscheidung keinen nachteiligen Einfluss auf darunter liegende Schichten nimmt.

Der Prozess der Kathodenzerstäubung kann zur Belastung der Bauteile durch UV- und thermische Strahlung führen. Darüber hinaus kommt es zur Emission von Partikeln mit hoher kinetischer Energie aus dem Target. Diese Effekte erhöhen die Diffusionsfähigkeit der zerstäubten Partikel auf der Substratoberfläche, können aber auch die chemischen und morphologischen Eigenschaften der organischen Halbleiterschichten nachteilig beeinflussen. Im Gegensatz zu Indiumzinnoxid ist es beim hier verwendeten AZO erforderlich, ein Mindestmaß an Oberflächendiffusion auf dem Substrat zuzulassen um elektrisch leitfähige Schichten herzustellen.
Um eine Rückwirkung der Kathodenzerstäubung auf die darunter liegenden organischen Schichten zu unterbinden wurden die Degradationsmechanismen separat untersucht und eine graduelle Prozessführung entwickelt. Dabei wurde mit der Abscheidung einer schlecht leitfähigen, aber schonend abscheidbaren Schicht auf den organischen Halbleitern begonnen. Die Prozessparameter wurden im Verlauf des Schichtwachstums kontinuierlich in Richtung energiereicher Partikel verändert, wodurch leitfähigere Schichtstrukturen entstanden. Die bereits abgeschiedenen Teile der graduellen Schicht fungierten dabei als Barriere zwischen den organischen Molekülen und dem stetig leitfähiger werdenden Bereichen der Deckelektrode. Dies ermöglichte die Herstellung der weltweit ersten OLED mit einem AZO-Deckkontakt, abgeschieden aus einer planaren Magnetronkathode.

Im Bereich opaker Bauelemente wird überwiegend Aluminium als Deckelektrode verwendet, welches mittels physikalisch thermischer Gasphasendepositon (PVD) abgeschieden wird. Bei diesem Prozess entsteht sehr viel Wärmestrahlung welche sich nachteilig auf die elektrooptische Effizienz der OLEDs auswirken kann.
Um diesen Prozess zu untersuchen wurde zunächst der Einfluss thermischer Energie auf die morphologischen und elektrischen Eigenschaften dünner organischer Schichten quantifiziert. Unter Berücksichtigung dieser Rahmenbedingungen war es anschließend möglich, apparative und verfahrenstechnische Optimierungs- maßnahmen durchzuführen, die eine Einflussnahme der Abscheideparameter auf das Bauteil nahezu vollständig unterbinden.

Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass eine höhere Abscheiderate nicht nur den Durchsatz steigert, sondern auch die thermische Belastung der Bauteile insgesamt reduziert. Diese Ergebnisse führten zur Neuentwicklung eines PVD-Systems mit sehr hoher Abscheiderate. Es basiert auf dem Verfahren der Flashsublimation und reduziert die Beschichtungszeit einer 100 nm dicken Aluminiumschicht von 4 Minuten auf etwa 10 Sekunden.
Infolge der Veränderungen im PVD-Prozess konnte die Bildung von Mikrokristallen im abgeschiedenen Aluminium nachgewiesen werden. Die Auswirkungen dieser Kristallisation auf die morphologischen und elektrischen Eigenschaften der Aluminiumschicht wurden ebenso untersucht, wie der Einfluss des Hochratenprozesses auf die elektrooptischen Eigenschaften der OLED. Durch geeignete Prozessführung gelang es, eine Rückwirkung der Hochratenabscheidung des Deckkontakts auf die Funktion der OLED vollständig zu unterbinden.
Darüber hinaus konnte das Verfahren der Hochratenabscheidung auf alle organischen und anorganischen Schichten einer OLED übertragen werden. Damit konnte der Anwendungsbereich der Flashsublimation erstmalig über die Materialklasse reiner Metalle hinaus erweitert werden. Die kurzzeitige, intensive Zufuhr thermischer Energie kann dabei Einfluss auf die chemische Struktur der Moleküle selbst nehmen. Für das Elektronentransportmaterial Alq3 wurde beispielsweise eine Isomerisierung des Moleküls in Abhängigkeit der Prozessparameter nachgewiesen.
Der Beginn und die Zeitspanne der Abscheidung während des Prozesses sind bei diesem Verfahren abhängig vom angelegten Temperaturgradienten und der spezifischen Phasenübergangstemperatur des abzuscheidenden Materials. Befüllt man den Tiegel zeitgleich mit verschiedenen Materialien, so lassen sich bei geringen Temperaturgradienten separate Schichten herstellen. Erhöht man den Gradienten, entstehen Schichten gradueller Durchmischung, deren Konzentrationsverhältnis sich aus dem Versatz der Abscheidezeiträume ergibt. Am Beispiel von Alq3 und DCM konnte zudem nachgewiesen werden, dass bei hohen Temperaturgradienten eine einzige, homogen durchmischte bzw. dotierte Schicht entsteht.
Unter Berücksichtigung der spezifischen Phasenübergangstemperaturen erlaubt das hier entwickelte Verfahren die Abscheidung einer OLED aus a-NPD, Alq3, LiF und Al in einem einzigen Herstellungsschritt. Die gesamte Herstellungszeit des Halbleiterbauelements reduziert sich dabei von mehreren Stunden auf etwa zwei Minuten.