Keil, Hans-Peter (2013)
Modellierung nasschemisch hergestellter anorganischer Zinkoxid-Dünnfilmtransistoren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der klassischen Mikroelektronik ist das Ziel die Entwicklung von immer kleineren und schnelleren Transistoren auf Siliziumbasis für die Herstellung von immer performanteren Hochleistungsschaltungen mit zunehmender Integrationsdichte wie beispielsweise Zentralprozessoren für Computer (engl. central processing unit, CPU). Zusätzlich gibt es zur Zeit eine zweite Entwicklung, die sich mit der Herstellung von möglichst preisgünstiger Elektronik befasst, bei der die Geschwindigkeit und die Integrationsdichte der Transistoren nur eine untergeordnete Rolle spielen. Hierzu sollen die Herstellungsprozesse der klassischen Siliziumtechnik, wie die Lithographie, Dotierung und Aufdampfverfahren, die zumeist unter Hochvakuum stattfinden, ersetzt werden. Statt diesen hochentwickelten aber auch sehr aufwändigen und damit teuren Verfahren sollen für die Herstellung der Halbleiterschaltungen Druckverfahren wie der Tintenstrahldruck oder das Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren eingesetzt werden wie sie im Zeitungsdruck verwendet werden. Diese Beschichtungsverfahren können aber nur angewendet werden, wenn das zu übertragende Material in einem Lösungsmittel gelöst werden kann, das weder toxisch noch hochaggressiv ist, da einerseits die Bediener einer solchen Druckmaschine den Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt werden und andererseits die Druckeinrichtung selbst nicht von dem Lösungsmittel beschädigt werden darf. Für die Verarbeitung mit nasschemischen Verfahren sind aktuell zwei Materialgruppen vorgesehen. Dies sind zum einen organische Halbleiter, die sich zumeist sehr gut in Lösung verarbeiten lassen und neben den halbleitenden Eigenschaften durch ihre mechanische Flexibilität neue Anwendungen und Produkte wie zum Beispiel biegsame Displays ermöglichen. Zum anderen sind dies Metalloxid-Halbleiter. Durch chemische Modifikationen können diese als lösbarer Präkursor verarbeitet werden. Nach der Beschichtung des Trägersubstrats kann durch thermische Nachbehandlung der Präkursor in die Ursprungsform zurückgewandelt werden. Dabei sind moderate Verarbeitungstemperaturen (200°C) ausreichend. Ein Halbleiter, der durch seine optische Transparenz und die erwartete relativ hohe Ladungsträgermobilität -- vergleichbar mit amorphem Silizium -- als besonders interessant gilt, ist Zinkoxid (ZnO). Durch die nasschemische Verarbeitung und die nur moderate thermische Nachbehandlung finden keine Sinterprozesse bzw. kein Kristallwachstum statt. Es entsteht kein einkristalliner Halbleiter; stattdessen bildet sich eine nanokristalline Schicht aus, die aus vielen kleinen Halbleiterkristallen zusammengesetzt ist. Der Durchmesser dieser zumeist kugelförmigen Körner liegt dabei in der Regel bei wenigen Nanometern. Damit weisen diese Schichten andere Eigenschaften auf als einkristalline Halbleiter. Um Halbleiterschaltungen vor der eigentlichen Herstellung an einem Computer simulieren und deren Funktion überprüfen zu können, werden Modelle benötigt. Diese Modelle müssen die elektronischen Eigenschaften und das Verhalten dieser Bauteile möglichst genau beschreiben. Aufgrund des nanokristallinen Aufbaus des hier beschriebenen Halbleiters sind existierende Modelle, die für einkristalline Halbleiterschichten entwickelt wurden, ungeeignet. Es werden neue Modelle benötigt, die die besonderen Eigenschaften dieser Schichten berücksichtigen. Dabei können einfache mathematische Modelle verwendet werden, die nur die elektrische Charakteristik durch Formeln nachbilden und durch Anpassungsparameter auf die Kennlinien dieser Bauteile angepasst werden. Da diese Modelle aber die zugrundeliegenden Ladungstransportprozesse und die physikalischen Effekte in diesen Schichten nicht berücksichtigen, eignen sie sich nur bedingt für die Simulation dieser Halbleiterschichten. In dieser Arbeit wurde deshalb ein Modell entwickelt, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht soweit wie möglich aus physikalischen und zumeist messbaren Größen berechnet werden und die besonderen Eigenschaften dieser Schichten berücksichtigt wurden. Hierzu wurden zuerst umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Ladungstransport und die Einflüsse auf die Ladungsträgermobilität dieser Schichten zu analysieren. Anschließend wurde ein existierendes Modell für ZnO-Halbleiterschichten mit wenigen Korngrenzen erweitert und so ein Modell entwickelt, das an die besonderen morphologischen und physikalischen Eigenschaften nasschemisch hergestellter ZnO-Halbleiterschichten angepasst ist.

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