Pankalla, Sebastian (2014)
Modellierung der technologiebasierten Einflüsse auf das Bauteilverhalten gedruckter organischer Transistoren.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die klassische Mikroelektronik verwirklicht immer kleinere und schnellere Transistoren für immer performantere Anwendungen wie Zentral- und Grafikprozessoren. Die Herstellungsprozesse dieser siliziumbasierten Technologie stellen Vakuum- und Reinraumprozesse dar. Die gedruckte organische Elektronik realisiert im Gegensatz dazu preiswerte und großflächige Anwendungen durch Massenfertigungsverfahren wie der Drucktechnik. Hierfür stehen verschiedene Druckverfahren (konventionelle und digitale Druckverfahren) für eine breite Auswahl geeigneter funktionaler Materialien zur Verfügung. Die Druckqualität wird maßgeblich bestimmt durch die verwendeten Druckverfahren, Substrate und Materialien, die aufeinander angepasst werden müssen, da sonst schwankende Bauteilverhalten, Genauigkeiten und Auflösung des Druckergebnisses sowie Beschaffenheit der abgeschiedenen Schichten (Morphologie, Topographie) resultieren. Um jedoch elektronische Schaltungen auf Basis gedruckter organischer Transistoren mit hinreichend hoher Ausbeute entwickeln zu können, ist ein stabiler und zuverlässiger Herstellungsprozess notwendig. Durch Analyse und Beschreibung, welche Prozessschritte bei der Herstellung eines organischen Transistors den Ladungstransport durch diesen und somit dessen Bauteilverhalten bestimmen, können Modelle für die Schaltungssimulation erstellt werden, die den physikalischen Prinzipien und Prozesseinwirkungen Rechnung tragen. Hierfür sind in dieser Arbeit die Einflüsse, die einzelne Prozessschritte während der Herstellung druckbarer organischer Transistoren auf das Bauteilverhalten ausüben, untersucht worden. Der Transportweg der Ladungsträger durch den Transistor ist verfolgt worden und wie dieser durch prozessbedingte Effekte beeinträchtigt wird. Durch eine physikalische Beschreibung konnte ein analytisches Modell, sowie durch Finite-Elemente-Simulationen ein numerisches Modell aufgestellt werden. Für den Ladungstransport müssen Ladungen aus einem elektrischen Kontakt in den organischen Halbleiter injiziert werden. Bei dem in dieser Arbeit verwendeten Aufbau für organische Transistoren bildet sich zwischen den Metall-Kontakten (Elektroden) und dem Halbleiter eine Schottky-Barriere aus. Die Höhe der Schottky-Barriere ist materialspezifisch und wird im Prozess lediglich durch ein Self-Assembeled-Monolayer angepasst. Den Einfluss der Schottky-Diode auf das Bauteilverhalten lässt sich durch den Kontaktwiderstand quantifizieren. Eine Plasmavorbehandlung der Elektroden vor Aufbringen des Halbleiters auf das Substrat kann den Kontaktwiderstand um mehrere Größenordnungen verringern. Durch FE-Simulationen konnte gezeigt werden, dass Verunreinigungen auf der Metall-Elektrode, die durch den plasmaunterstüzten Reinigungsprozess verringert werden, die Injektion der Ladungsträger maßgeblich beeinträchtigen. Weiterhin begünstigt die Plasmabehandlung die Ausbildung einer homogenen Halbleiterschicht in der Nähe der Metall-Elektroden. Durch Transistor-Modellstrukturen für die Finite-Elemente-Simulation ist gezeigt worden, dass sich insbesondere die Morphologie des Halbleiters an der Metall-Halbleiter-Grenzschicht auf den Kontaktwiderstand und somit die Injektion auswirkt. Sobald Ladungsträger in den Transistorkanal injiziert worden sind, tragen sie zu einem Stromfluss im Transistor bei. Da sich der Aufbau organischer Transistoren von dem auf Siliziumbasis hergestellten unterscheidet, ist das elektrische Potential im Transistor analytisch hergeleitet worden und ein Ausdruck in geschlossener Form aufgestellt worden. Dieser ist in einer Monte-Carlo-Simulationsumgebung verwendet worden, um den individuellen Ladungsträgertransport zu simulieren. Durch diese allgemein gültige Simulationsumgebung sind Strom-Spannungs-Charakteristika simuliert worden. Übereinstimmungen mit den experimentell beobachteten Kennlinien konnten für die Ausgangs- und Transferkennlinie gezeigt werden. Für erstere konnte sowohl der lineare Bereich als auch der Sättigungsbereich der Kennlinie, für letztere der zu erwartende steile Anstieg im Strom simuliert werden. Bei der Simulation des zeitlichen Schaltverhaltens des Transistors steigt die Anzahl der Ladungsträger an der Drain-Elektrode bei einem angelegten Spannungspuls schnell an. Langsamere Ladungsträger führen jedoch dazu, dass die Anzahl der Ladungsträger mit der Zeit langsam abklingt. Dass der Ladungsträgertransport im Transistor von der Art der Herstellung der funktionalen Schichten abhängt, lässt sich an der Geschwindigkeitsverteilung der Ladungsträger identifizieren. Durch Aufbringen des Halbleiters durch Drucken an Stelle von Spin-Coating ändert sich die Morphologie der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Dielektrikum derart, dass mehr langsamere Ladungsträger am Transport teilnehmen. Die Herstellungsmethode des Dielektrikums zeigt keinen Einfluss. Die Ladungsträger werden jedoch nicht nur durch die Morphologie an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Dielektrikum beeinträchtigt, sondern auch durch Verunreinigungen und strukturelle Defekte, sodass sich Ladungsträgerfallen ausbilden. Bei den Transistoren in der vorliegenden Arbeit befinden sich diese Ladungsträgerfallen sowohl an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Dielektrikum, als auch z.T. im Dielektrikum selbst. In den in dieser Arbeit verwendeten organischen Transistoren findet Ladungsträgertransport jedoch nicht nur im organischen Halbleiter, sondern auch im organischen Dielektrikum statt und führt zu unerwünschen Leckströmen, die das Dielektrikum zerstören können und zu einem Leistungsverbrauch führen. Durch Finite-Elemente-Simulationen konnten Modellstrukturen für den Leckstrom durch das Dielektrikum entwickelt werden, die die Prozesse bei der Herstellung der Transistoren abbilden. Die Herstellung der in dieser Arbeit verwendeten Transistoren führt trotz optimierter Injektion und Grenzflächen der funktionalen Schichten nach wie vor zu fluktuierenden elektrischen Bauteilparametern. Damit trotz variierenden Bauteilverhaltens Schaltungen konzipiert werden können, die im Rahmen vorher festgelegter Randbedingungen arbeiten, ist eine Monte-Carlo-Schaltungssimulationsumgebung aufgebaut worden, mittels derer ein Parameterfenster für in Schaltungen verwendete Transistoren aufgestellt werden kann. Transistoren, deren elektrische Parameter sich innerhalb dieses Fensters bewegen, führen dann zu Schaltungen mit definiertem Schaltungsverhalten. Somit sind in der vorliegenden Arbeit die Prozesseinflüsse auf das elektrische Bauteilverhalten eines druckbaren organischen Transistors analytisch und numerisch beschrieben worden, aber auch, wie trotz schwankenden Bauteilverhaltens robuste Schaltungen aufgebaut werden können.

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