有机磁阻装置及其应用 |
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| 申请号 | CN200780014682.X | 申请日 | 2007-04-18 | 公开(公告)号 | CN101427145B | 公开(公告)日 | 2012-12-12 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | R·帕特佐尔德; G·施米德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种有机磁阻装置，包括至少一个构造为晶体管的、具有至少三个层(2，3，4，5，6；3，4，7)和至少三个不同的电触头(2，5，6；7)的有机 电子 薄层构件以及至少一个 磁场 产生设备，其中，对于源极(5)和漏极(6)能够使用相同或者也不同的材料，所述有机磁阻装置设置成使所述磁场产生设备在有机电子薄层构件中产生磁 阻变 化，其中，作为所述源极(5)和漏极(6)的材料使用钯，或金，或铂，或 铜 ，或 钛 ，或 铝 ，或樟脑磺酸掺杂的聚苯胺，或聚苯乙烯磺酸掺杂的聚噻吩。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种有机磁阻装置，包括至少一个构造为晶体管的、具有至少三个层(2，3，4，5，6； |
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| 说明书全文 | 有机磁阻装置及其应用技术领域[0001] 本发明涉及一种有机磁阻装置和应用。这些传感器例如用作用于以磁性的层状结构(AMR/GMR/TMR)为基础进行位置测量和电流测量的传感器，或者用作用于进行磁场(罗盘)测量的传感器，或者用作霍耳传感器。 背景技术[0002] 已公开一系列的具有磁阻效应的薄层构件。与在单层系统中出现的传统的“AMR(各向异性磁电阻)”效应相比较，它们的敏感性明显地特别是提高，尤其提高了至少一个数量级。所谓的GMR(巨磁电阻)效应和TMR(隧道磁电阻)效应是它们的主要代表。 [0003] 例如在由J.Wecker、R.Richter和Kinder所著的，发表在“Physik in unserer Zeit(当代物理)”，2002，第33年度，第5册第210页，文章“Sandwiches mit riesigem Magnetwiderstand(具有巨磁阻的层状结构)”中描述了这些效应。 [0004] 这些效应在多方面可使用的装置中得到应用。其中以磁阻效应为基础的构件可特别广泛的应用，因为例如可无接触地和简单地测量电流。 [0005] 然而在到迄今为止所公开的传感器装置中存在着下述缺点，即它们的生产成本高，并且主要是由脆性和/或刚性的材料制成。 发明内容[0006] 因此本发明的任务是，提供一种具有磁阻效应的薄层传感器装置，它可成本有利、大面积和/或大量生产，和/或包括易弯曲或者柔性的层。 [0007] 这个任务的解决办法和本发明的主题是：一种有机磁阻装置，包括至少一个构造为晶体管的、具有至少三个层和至少三个不同的电触头的有机电子薄层构件以及至少一个磁场产生设备，其中，对于源极和漏极能够使用相同或者也不同的材料，所述有机磁阻装置设置成使所述磁场产生设备在有机电子薄层构件中产生磁阻变化，其特征在于，作为所述源极和漏极的材料使用钯，或金，或铂，或铜，或钛，或铝，或樟脑磺酸掺杂的聚苯胺，或聚苯乙烯磺酸掺杂的聚噻吩。此外，本发明的主题还包括这种装置的应用，用于线性运动、旋转运动的位置测量、角度测量、通过由电流产生的磁场进行的电流测量和/或磁场测量(罗盘)。 [0009] 按照本发明的有利的方案，所述有机电子薄层构件是晶体管元件。这是特别有利的，因为在晶体管中，空穴集中的数量和分布可通过源电压/漏电压(载流子注入)或者通过源极门电压(在半导体-门极电介质界面上的正载流子的积累)进行控制。通过这一措施，可容易地得到可处理的测量信号。起动电压的移动、在晶体管的线性或者饱和区域中的电流变化是这种测量参数的实例，这些测量参数可根据有机晶体管上的门电压进行调节。 [0010] 有机电子薄层构件的制造可通过压制方法，甚至至少在部分步骤中按照连续的压制方法可大批量地进行。 [0011] 有机电子构件包括至少三个层，两个能导电的层和一个有机薄层。在这种情况中，“层”的概念不是狭义地解释为单独的层，而是指的一种功能性。因此，其中一个能导电的层完全可以通过掺杂中间层代替，其中，对于在薄层构件中计数层时只在这样的位置处只算为一层，但从功能性上讲在该层中包含有两层。 [0012] 每层都可以掺杂任意的掺杂物。所设想的掺杂物和掺质例如在Applied Physics Letter(应用物理通讯)88，152107(2006)和在Journal of Applied Physics(应用物理杂志)94卷，1号第359页中有描述。 [0013] 有机的薄层可以是半导体的、导体的或者是绝缘的。其中，这些概念没有严格的界限，而是连续地转换。然而在有机电子构件的内部划分却是明确的，因为可与其余的层有关联地明确地说明，有机电子薄层构件的层中的哪个层是起半导体、导体或者绝缘的作用。 [0014] 三层中的每一层可通过任意的辅助层补充，有机电子构件既可以封装地存在，也可以不封装地存在。 [0015] 有机薄层的特别的优点例如是，可将这些层作为薄膜涂覆，例如涂覆在一种作为载体物质的薄膜基底上，总体地产生一种也能大面积生产的柔性的和可弯曲的装置。 [0016] 所使用的基底材料非常多样。在此示例地列出的有由金属(铜、镍、金、铁板等)、塑料(聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚醚、聚苯并噁唑等)或者纸构成的柔性薄膜。 [0017] 以稠合的芳香物质(蒽、并四苯、并五苯)为基础的P半导体、聚噻吩(聚-3-烷基噻吩、聚乙烯基噻吩)、聚吡咯以及酞菁或者卟啉的金属有机配合物(Cu)适宜用作有机的半导体。用于n半导体的例子是全氟化的并四苯、全氟化的铜-酞花青或者萘四羧酸酐以及它的衍生物。 [0019] 聚苯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚醚、聚苯并噁唑由于它们具有潜在的可压性而特别合适。由于它们的化学稳定性和它们的良好的可加工性，以氟化的多烯烃为基础的聚合的铁电体，如聚乙烯基茚二氟化物、聚三氟乙基(Polytrifluoretyle)或者它们的共聚物或者三聚物也特别适合。以自有机化的单层为基础的电介质也特别适合，因为在此控制电压仅在很小的伏特范围内。 [0020] 金属(Pd、Au、Pt、Ni、Cu、Ti等)由于它们具有低欧姆的电阻，适合用于制造电极以及元件和晶体管之间的连接导线。有机的掺杂半导体，如樟脑磺酸掺杂的聚苯胺或者聚苯乙烯磺酸 掺杂的聚噻吩也可用于要求较低的情况。 [0021] 其中，源极和漏极之间的通道也可用多个有机的半导体材料制造。通过光阻掩膜的遮蔽和对基底流出角(Quellenwinkel)的调节在析出时可在通道中产生具有至少两个有机半导体的结构。对孔注入进行控制的另一途径在于利用不同的材料，或者对源极和漏极电极进行工艺处理(例如：源＝Au，漏＝Al或者反过来；源/漏＝PEDOT，但是源极电极通过氟等离子体来处理)。 [0022] 源/漏电极也可通过其它的材料，例如通过硫醇、磷化氢或者异腈进行功能化。 [0023] 从有机电子薄层构件如二极管，也就是从作为有机电子构件的具有两个不同的电触头的构件到具有至少三个不同电触头的有机晶体管的过渡，使得在设计信号传输时自由度提高若干个数量级成为可能。此外，反应的形式(例如起动电压的移动)可以更高的集成水准到周围的电子装置中(传统的硅工艺技术，或者以有机为基础)。 [0024] “有机材料”的概念应理解为除了传统的以锗、硅等为基础的半导体材料以外的所有类型的有机的、金属有机物的和/或无机物的塑料。也可以使用填充塑料和混合材料。此外，“有机材料”的概念也不应局限于含碳的材料，而是也可以是如硅树脂这样的材料。此外，除了聚合物质和寡聚物质以外，还可以使用所谓的“小分子”材料。附图说明 [0025] 下面借助三个附图对本发明进行更加详细的说明。这三个附图示出适合本发明的典型的晶体管结构。 具体实施方式[0026] 图1示出有机场效应晶体管(OFET)的倒置结构。在该结构中可以看到，在基底1上，下面的电极层2嵌入到绝缘体3中。在绝缘体层3的上面设置有由有机材料构成的半导体层4，源/漏电极5、6就嵌入到这个半导体层4中。在这种情况中，电流通道在门极电介质，绝缘体层3中在源/漏之间形成。 [0027] 图2示出原理上相同的结构。这个结构除了源/漏电极5、6没有嵌入到有机的半导体层中，而是设置在其上，其他方面几乎是相同的。 [0028] 最后图3示出另一种结构：在基底1上设有能导电的并且被结构化的层7，在该层中形成了不同的源/漏电极5、6和门极2。该层的门极2选择性地被绝缘体层3、门极电介质所包围。具有所有的电极结构5、6和2的整个导电层7都嵌入到半导电的有机层4中。 [0029] 在图1和图2中示出了在底部门结构中以有机为基础的晶体管的典型结构。图3示出了具有简化的电极结构的晶体管。 [0030] 也可以实现相对图1倒置的晶体管结构(顶部门装置)。 [0031] 为了制造这种OMR(有机磁电阻)装置，特别是至少一个具有至少三个层和至少三个不同的电触头的有机电子薄层构件例如可采取下述步骤进行： [0032] 实例1： [0033] 一种柔性的聚萘二酸乙二酯薄膜用作制造有机场效应晶体管的基底。在丙酮和异丙醇中清洗薄膜后，在该薄膜上沉积薄层钛，并且借助光刻和湿化学酸洗在稀释的氢氟酸中进行结构化，以确定晶体管的门电极。然后借助阴极射线喷射，析出薄层氧化硅作为用于晶体管的门极电介质，并且借助光刻和湿化学酸洗进行结构化。然后或者是通过热蒸发，通过电子射线蒸发，或者借助阴极射线喷射析出钯，并且借助光刻和在由盐酸和硝酸构成的强稀释的混合液中进行酸洗，以确定晶体管的源极触头和漏极触头。然后将基底放入二苯基磷在二甲苯中的5％的溶液中浸渍5分钟，为的是在钯表面上析出单层的磷化氢。多余的磷化氢用己烷冲洗掉。在基底干燥以后，借助热蒸发析出薄层并五苯，用作有机半导体层。 [0034] 实例2： [0035] 将30nm厚的钛层或铝层蒸镀或者溅射在玻璃板上，并且用光刻进行结构化。这个层用于产生门电极和晶体管之间的连接导线的部分。将100nm的聚乙烯溶液离心涂镀到这个层上，并且用光刻进行结构化。将这个层中的空穴用作源-漏极层和门极层之间的“通路(Vias)”。然后蒸镀30nm的金，并且用光刻进行结构化。这个层用于产生源极电极和漏极电极和其它的连接导线。为了完善晶体管结构，蒸镀30nm的并五苯。代替地，也可以原始化合物中析出并五苯。为了在其它的处理步骤中对敏感的半导体层进行保护，析出2μm厚的聚对二甲苯苯层，并且用光刻进行结构化。 [0037] 代替钛、铝或者金电极，也可以使用聚合物基的PEDOT:PSS电极。通常这些电极是由一种掺杂的有机半导体构成。 [0038] 代替聚乙烯酚，也可使用其它的聚合物电介质(聚酰亚胺、聚丙烯酸脂等)。优选将这些电介质析出到铝门电极或者钛门电极上。无机的电介质，如SiO2、SiN或者Al2O3也是本发明考虑之列。 [0039] 在实例1中所说明的晶体管结构中，还可以增加一个或者多个布线层，以便能使结构更加紧凑或更加紧密。也可将用光刻结构化的聚乙烯基酚层用作中间金属电介质。实施例的所有电介质为此都是合适的。 [0040] 正如已提到的，特别是也可通过压制方法进行大批量的生产。这些方法可能包括连续的处理步骤。 [0041] 本发明使以磁阻效应为基础的新式构件的一系列有利的应用成为可能。 |
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