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Tailoring Properties of Printed Field-Effect Transistors by Design and Material Changes

Neuper, Felix (2023)
Tailoring Properties of Printed Field-Effect Transistors by Design and Material Changes.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024054
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Due to the increasing digitalization in all areas of life and work, including digital signatures or even electronic feedbacks from single component parts or consumer articles, the question for new possibilities for quick and simple manufacturing of circuits arises. In this respect, also mass production of transistors, the core building units of electronic logics, has to be reconsidered in order to overcome the often complex production of silicon chips. In this scope, printing of electronic components has presented itself as a highly promising method within the recent years. Conductive paths, solar cells, or displays have already been integrated as printed electronics in manyfold industrial production processes.

In contrast to this, so far, no reliable processes for printed transistors in an industrial scale have been established. Organic and inorganic semiconducting materials often have properties with diametral differences: while organic materials use to be p-type semiconductors and come up with simple processability and mechanical flexibility, inorganic systems tend to be n-type semiconductors, brittle and in need of high processing temperatures. These disadvantages of inorganic, especially oxidic semiconductors however are compensated by often severely better electronic properties and increased environmental stability.

In order to achieve very low operation voltages while maintaining sufficiently high currents, it is recommended to realize channel polarization via electrolytes instead of dielectrics, as the formation of Helmholtz double layers allows for locally very high fields. By this, units can be operated at voltages typical for commercially available batteries.

Within the scope of this work new and improved methods for the processing of printed field-effect transistors were successfully implemented, contributing to the development towards large-scale production of devices with predictable properties. Starting form planar field-effect transistors with displaced gates, three possibilities for improvements have been examined: a vertical geometry, doped channels and an alternative electrolyte.

By changing from a planar to a vertical device geometry, channel lengths may become independent from the material printers’ resolutions and can be reduced to the thickness of the deposited films. By this lengths may be shrunk from a two-digit micron range to submicron values. As channel lengths are directly correlated with output currents, a severe improvement can be realized. However, in this case the channel must be porous in order to allow a large surface being covered by electrolyte. Within this work, a known system with an SnO2 channel could be improved by developing a simplified production method with quickly available materials, successfully resulting in a fully functional device.

For reliably tailoring the central property of the threshold voltage, i.e., the gate voltage at which the channel changes from an insulating to a conducting state, on a per-device level, an In2O3 precursor ink with varying chromium doping has been developed. Through this doping, the threshold voltage could be changed linearly with the dopant concentration, however under severe loss in the output current.

In a third experimental series, the usually applied composite solid polymer electrolyte has been replaced with Al2O3 . However, instead of a dielectric gating, a material with low density and many hydroxy functionalities acting as an electrolyte was created due to low temperatures during the atom layer deposition process. Depending on the humidity, the functionality of such transistors can be changed as the electrolytic properties are based on protons generated on the Al2O3 surface.

Within this work, three alternatives for the production of inorganic field-effect transistors could be successfully shown and a contribution towards the further development of this technology was made.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Neuper, Felix
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Tailoring Properties of Printed Field-Effect Transistors by Design and Material Changes
Sprache: Englisch
Referenten: Hahn, Prof. Dr. Horst ; Kübel, Prof. Dr. Christian
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xvii, 117 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 28 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024054
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24054
Kurzbeschreibung (Abstract):

Due to the increasing digitalization in all areas of life and work, including digital signatures or even electronic feedbacks from single component parts or consumer articles, the question for new possibilities for quick and simple manufacturing of circuits arises. In this respect, also mass production of transistors, the core building units of electronic logics, has to be reconsidered in order to overcome the often complex production of silicon chips. In this scope, printing of electronic components has presented itself as a highly promising method within the recent years. Conductive paths, solar cells, or displays have already been integrated as printed electronics in manyfold industrial production processes.

In contrast to this, so far, no reliable processes for printed transistors in an industrial scale have been established. Organic and inorganic semiconducting materials often have properties with diametral differences: while organic materials use to be p-type semiconductors and come up with simple processability and mechanical flexibility, inorganic systems tend to be n-type semiconductors, brittle and in need of high processing temperatures. These disadvantages of inorganic, especially oxidic semiconductors however are compensated by often severely better electronic properties and increased environmental stability.

In order to achieve very low operation voltages while maintaining sufficiently high currents, it is recommended to realize channel polarization via electrolytes instead of dielectrics, as the formation of Helmholtz double layers allows for locally very high fields. By this, units can be operated at voltages typical for commercially available batteries.

Within the scope of this work new and improved methods for the processing of printed field-effect transistors were successfully implemented, contributing to the development towards large-scale production of devices with predictable properties. Starting form planar field-effect transistors with displaced gates, three possibilities for improvements have been examined: a vertical geometry, doped channels and an alternative electrolyte.

By changing from a planar to a vertical device geometry, channel lengths may become independent from the material printers’ resolutions and can be reduced to the thickness of the deposited films. By this lengths may be shrunk from a two-digit micron range to submicron values. As channel lengths are directly correlated with output currents, a severe improvement can be realized. However, in this case the channel must be porous in order to allow a large surface being covered by electrolyte. Within this work, a known system with an SnO2 channel could be improved by developing a simplified production method with quickly available materials, successfully resulting in a fully functional device.

For reliably tailoring the central property of the threshold voltage, i.e., the gate voltage at which the channel changes from an insulating to a conducting state, on a per-device level, an In2O3 precursor ink with varying chromium doping has been developed. Through this doping, the threshold voltage could be changed linearly with the dopant concentration, however under severe loss in the output current.

In a third experimental series, the usually applied composite solid polymer electrolyte has been replaced with Al2O3 . However, instead of a dielectric gating, a material with low density and many hydroxy functionalities acting as an electrolyte was created due to low temperatures during the atom layer deposition process. Depending on the humidity, the functionality of such transistors can be changed as the electrolytic properties are based on protons generated on the Al2O3 surface.

Within this work, three alternatives for the production of inorganic field-effect transistors could be successfully shown and a contribution towards the further development of this technology was made.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Mit der zunehmenden Digitalisierung in allen Lebens- und Arbeitsbereichen inklusive digitaler Kennzeichnung oder gar elektronischer Rückmeldungen von einzelnen Bauteilen oder Konsumartikeln stellt sich die Frage nach neuen Möglichkeiten, Schaltungen schnell und einfach zu produzieren. In diesem Zusammenhang muss auch die Massenproduktion von Transistoren, den Grundbausteinen elektronischer Logiken, neu überdacht werden, um die vergleichsweise aufwändige Produktion von Siliziumchips zu überwinden. Hierbei hat sich das Drucken elektronischer Elemente in den letzten Jahren als vielversprechende Methode hervorgetan. Leiterbahnen, Solarzellen oder Displays sind als gedruckte Elektronik bereits vielfach in industriellen Produktionsprozessen integriert worden.

Im Gegensatz dazu konnten bisher keine verlässlichen Prozesse für gedruckte Transistoren in industriellem Maßstab etabliert werden. Organische und anorganische Halbleiter- materialien haben oft diametral unterschiedliche Eigenschaften: organische Materialien sind in der Regel p-Halbleiter und warten mit einfacher Verarbeitbarkeit und mechanischer Flexibilität auf. Anorganische Systeme sind in der Regel n-Halbleiter, spröde und bedürfen hoher Prozesstemperaturen. Diese Nachteile anorganischer, insbesondere oxidischer Halbleiter, werden jedoch durch die oftmals wesentlich besseren elektronischen Eigenschaften und besserer Umweltstabilität ausgeglichen.

Um besonders niedrige Betriebsspannungen bei trotzdem ausreichend hohen Strömen zu erreichen, empfiehlt sich, die Polarisierung des Kanals über einen Elektrolyt statt eines Dielektrikums umzusetzen, da die Ausbildung von Helmholtz-Doppelschichten lokal sehr starke Felder erlaubt. So können Bauteile mit typischen Spannungen kommerziell verfügbarer Batterien betrieben werden.

Im Rahmen dieser Arbeit konnten erfolgreich neue und verbesserte Methoden für die Darstellung gedruckter Feldeffekttransistoren umgesetzt werden, die die Entwicklung hin zu einer Produktion von Einheiten mit vorhersehbaren Eigenschaften in hohen Stückzahlen unterstützen. Ausgehend von planaren Feldeffekttransistoren mit versetzten Gattern, vwurden drei Verbesserungsmöglichkeiten untersucht: eine vertikale Geometrie, dotierte Kanäle und ein alternativer Elektrolyt.

Der Wechsel von einer planaren zu einer vertikalen Bauweise erlaubt die Kanallängen von der Auflösung der Materialdrucker unabhängig zu machen und auf die Dicken der abgeschiedenen Filme zu reduzieren. Somit können Längen von zweistelligen Mikrometern auf Submikrongröße verkleinert werden. Da die Kanallänge direkt proportional zum Strom an der Senke ist, kann hier eine deutliche Verbesserung erreicht werden. Jedoch muss hierfür der Kanal porös dargestellt werden, um eine große Oberfläche mit Elektrolyt in Kontakt bringen zu können. Hierbei wurde ein bekanntes System mit SnO2-Kanal durch eine vereinfachte Darstellungsmethode mit schnell verfügbaren Materialien verbessert und erfolgreich ein funktionales Bauteil dargestellt.

Um die wichtige Kenngröße der Schwellspannung, diejenige Gatterspannung, ab der ein Kanal vom isolierenden in den leitenden Zustand wechselt, verlässlich darzustellen und individuell einstellen zu können, wurde eine In2O3-Präkursorentinte mit variabler Chromdotierung entwickelt. Durch diese Dotierungen konnte die Schwellspannung linear zur Dotantkonzentration verändert werden, jedoch unter deutlichen Verlusten in den Ausgangsströmen.

In einer dritten Versuchsreihe wurde der üblicherweise genutzte Kompositpolymerfeststoffelektrolyt durch Al 2 O 3 ersetzt. Statt eines dielektrischen Polarisationsverhaltens resultierte jedoch aufgrund niedriger Synthesetemperaturen im Atomlagenabscheideverfahren ein Material mit geringer Dichte und vielen Hydroxyfunktionalitäten, das als Elektrolyt agiert. In Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit kann die Funktionalität der so erhaltenen Transistoren beeinflusst werden, da die Elektrolyteigenschaft auf an der Al2O3-Oberfläche generierten Protonen basiert.

Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit erfolgreich drei Alternativen für die Produktion gedruckter, anorganischer Feldeffekttransistoren aufgezeigt werden und ein Beitrag zu Weiterentwicklung dieser Technologie geleistet werden.

Deutsch
Freie Schlagworte: field-effect transistor, printed electronics, indium oxide, tin oxide, doping, vertical FET, ALD, atom layer deposition, threshold voltage
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-240542
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Gemeinschaftslabor Nanomaterialien
Hinterlegungsdatum: 06 Jun 2023 12:02
Letzte Änderung: 07 Jun 2023 05:57
PPN:
Referenten: Hahn, Prof. Dr. Horst ; Kübel, Prof. Dr. Christian
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 28 April 2023
Export:
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