Hysterese und Reaktionen auf Stress in organischen Feldeffekt-Bauelementen
Final Report Abstract
Organische Feldeffekttransistoren (OFETs) können nur dann erfolgreich in Schaltkreisen eingesetzt werden, wenn Hystereseerscheinungen und Veränderung der Bauelementeparameter, hervorgerufen durch Spannungsstress und Alterung, wirksam unterdrückt werden. Für diese Zielstellung mässen die verursachenden Mechanismen bekannt sein. Insofern lag der Schwerpunkt der Arbeiten im Rahmen des Projektes darin sowohl experimentell als auch theoretisch systematisch zu untersuchen, inwieweit Trapumladungen an der Grenzflache Isolator/Halbleiter oder im Bulk, Bipolaronen-Bildung und Dissoziation oder bewegliche Ionen im Polymer oder Isolator Hysterese- und Stresseffekte verursachen. Mit der stetigen Weiterentwicklung der Synthese organischer Halbleiter stehen derzeit deutlich reinere Materialien für die Anwendung in Bauelementen zur Verfügung, so dass Hysteresen hauptsächlich durch Technologieoptimierung reduziert werden können. Entscheidend hierfür ist insbesondere die Qualität der Grenzfläche (GF) zwischen Halbleiter und Gateisolator. Für lösungsbasierte Transistoren kann die Hysterese jedoch auch von der Art des Lösungsmittels abhangen. Beide Faktoren wurden im Rahmen des Projektes untersucht. Die Ergebnisse haben eindeutig gezeigt, dass nicht die Art des Lösungsmittels sondern die Optimierung der GF Isolator/Halbleiter entscheidend für das Auftreten von Hysteresen ist. Darüber hinaus ist es im Rahmen des Projektes gelungen, die Grenzfläche so zu verbessern, dass deutlich reduzierte Grenzflächenzustände auftreten und Hysteresen sowohl in den p- als auch n-Kanal vermieden werden konnten. Die experimentellen Ergebnisse zu Stressuntersuchungen und theoretische Abschätzungen hinsichtlich verschiedener Mechanismen haben gezeigt, dass weder das Protonendiffusionsmodell, noch bewegliche Ionen und deren Reaktion oder Polaronen-Bipolaronen-Reaktionen die Ursache fär die gemessenen Tendenzen sind. Die gemessenen Transferkennlinien zeigen die typische Schwellspanungsverschiebung, welche mit der exponentiellen Zeitabhängigkeit, abgeleitet für die Trapbildung an der GF Isolator/Halbleiter, beschrieben werden kann. Einerseits ist die Trapumladung teilweise in dem Subthresholdbereich sichtbar. Andererseits konnte mit Hilfe numerischer Simulationen nachgewiesen werden, dass die nicht vollständig reversible Schwellspannungsverschiebung bei nachfolgendem positiven Stress durch die große Zeitkonstante der Trapumladung (tiefe Traps) verursacht ist. Darüber hinaus ergaben sowohl die Messungen an p- als auch n-Kanal-OFETs nahezu konstante Werte für die intrinsische Beweglichkeit und den Kontaktwiderstand während des Stress, was die oben beschriebene Aussage bestätigt, dass nur die Traperzeugung und deren Umladung als Ursache fär die Veränderungen während des stress angesehen werden konnen. Besonderheiten zeigt Gatespannungsabhängigkeit der Steilheit. Nach dem typischen Anstieg bei kleinen negativen Gatespannungen wurde ein geringerer Anstieg oder auch eine Abnahme der Steilheit, je nach verwendetem Lösungsmittel, mit nachfolgend erneuter Zunahme bei hohen negativen Gatespannungen gemessen. Mit der Verschiebung der Schwellspannung während des negativen Stress konnte eine Variation sowohl der Höhe als auch der Breite des Maximums nachgewiesen werden. Mit Hilfe numerischer Simulationen wurden die Ursachen hierfur geklärt. Wahrend die Variation der Höhe des Maximums durch die Gatespannungsabhängigkeit der Beweglichkeit verursacht wird, bewirkt die Abhängigkeit der S/D-Kontaktwiderstande von der Gatespannung die Variation Breite des Maximums. Die Berücksichtigung der Gauss-Zustandsdichte ist nur für Schottky-S/D-Kontakte notwendig, jedoch dominiert auch dann die Abhängigkeit der Beweglichkeit von der Ladungsträgerdichte.
Publications
- Multi-Frequency Transconductance Technique on OFET’s. Proceedings of Large-Area, Organic and Polymer Electronics Convention 2011 (LOPE-C 11), Frankfurt/M., June 2011, ISBN 978-3-00- 034957-7
I. Hörselmann, S. Scheinert
- Analyzing the influence of negative gate bias stress on the transconductance of solution-processed, organic fieldeffect transistors, J. Appl. Phys. 116 (2014) 074507
J. Sprogies, S. Scheinert, I. Hörselmann
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4893317) - Influence of the carrier density in disordered organics with Gaussian density of states on organic field-effect transistors, J. Appl. Phys. 115 (2014) 044507
S. Scheinert, G. Paasch
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4863180) - Influence of the carrier density in disordered organics with Gaussian density of states on organic field-effect transistors, Technology of Polymer Electronics, Rudolstadt, 20-22 May 2014
G. Paasch, S. Scheinert
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4863180)
