Nanoskalige OFETs für die Anwendung in Schaltkreisen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptanliegen des Projektes bestand in der Optimierung der mit Hilfe der hochauflösenden Stencil-Masken präparierten, nanoskaligen, organischen p- und n-Kanal-Feldeffekttransistoren für die Anwendung in Schaltungen. Untersuchungen zum Kompaktmodell und dynamische Messungen konnten erfolgreich an den p-Kanal-Transistoren durchgeführt werden. Für die n-Kanal-Transistoren hingegen lag der Schwerpunkt auf der systematischen Untersuchung der Kontaktwiderstände. Im Rahmen des Projektes konnte gezeigt werden, dass stationäre Kennlinien der präparierten p-Kanal-OTFTs sowohl mit dem Kompaktmodell von Marinov / Deen als auch mit einem einfachen SPICE-Modell gut beschrieben werden können. Hinsichtlich des dynamischen Verhaltens dieser Transistoren wurde nachgewiesen, dass die aus der Literatur bekannten Kapazitätsmodelle modifiziert werden müssen. Im Rahmen des Projektes wurden spannungsabhängige Ausdrücke für die Gate-Source- und Gate-Drain-Überlappungskapazitäten entwickelt und durch Anpassung an die Messungen der p-Kanal-Transistoren verifiziert. Auf dieser Basis konnte theoretisch der Einfluss der für organische Transistoren häufig auftretenden Gatespannungsabhängigkeit der Beweglichkeit untersucht und gezeigt werden, dass es insbesondere in Materialien mit geringer Beweglichkeit schwierig ist, eine quasistatische CV-Kurve für die Bestimmung von Materialparametern zu messen. Für die n-Kanal-Transistoren waren sowohl experimentell als auch theoretisch die Ursachen für die starke Abhängigkeit der S/D-Kontaktwiderstände von der Dicke der aktiven Schicht zu klären. Erste Messungen an diesen Transistoren und die begleitend durchgeführten zweidimensionalen (2D) Simulationen hatten gezeigt, dass die im Projekt geplanten TLM (transmission line method) Messungen nicht ausreichen, um die Ursachen der Kontaktwiderstände klären zu können, so dass die deutlich aufwändigere, jedoch detailliertere Ergebnisse liefernde GFP-Methode (gated four-probe method) angewendet wurde. Darüber hinaus wurde überprüft, ob sich der Kontaktwiderstand mit dem Current-Crowding-Modell beschreiben lässt. Für die Untersuchungen mit Hilfe der 2D-Simulation lieferten die mit der GFP-Methode gemessenen Potentiale nahe Source und Drain eine wichtige Ergänzung zu den gemessenen Transferkennlinien der Transistoren. Durch Anpassung simulierter an gemessene Transferkennlinien konnte gezeigt werden, dass Dipole an den S/D-Metall-Halbleiterkontakten Ursache für die starke Abhängigkeit der Kontaktwiderstände von der Schichtdicke sind. Der gemessene Potentialverlauf konnte damit jedoch nicht hinreichend genau beschrieben werden und lieferte damit einen wichtigen Anhaltspunkt für weitere Untersuchungen. Diese haben im Ergebnis gezeigt, dass neben den Dipolen Korngrenzen in der halbleitenden Schicht berücksichtigt werden müssen. In der Simulation wurden diese regelmäßig entweder senkrecht oder parallel zur Isolatorgrenzfläche angeordnet und modellmäßig mit Gaußverteilten Traps beschrieben. Erfolgreich hinsichtlich des Potentialverlaufs waren die Simulationen mit der parallelen Anordnung, wenn auch geringfügig unterschiedliche Parameter für die Anpassung der Potentiale nahe Source bzw. Drain verwendet werden mussten. Letzteres kann damit begründet werden, dass im realen Transistor exakt parallel angeordnete Korngrenzen nicht auftreten, sondern diese eher ungeordnet verteilt sind. Mit Hilfe der experimentellen Daten aus der GFP-Methode konnten die Kontakteigenschaften der n-Kanal-Transistoren detailliert bestimmt werden. Als Ursache für die Spannungsabhängigkeit des Kontaktwiderstandes konnten dadurch raumladungsbegrenzte Ströme identifiziert werden, im Gegensatz zu der weitverbreiteten Annahme von thermischer Injektion über eine Schottky-Barriere an der Metall/Halbleiter-Grenzfläche. In Übereinstimmung mit dieser Annahme tritt diese Spannungsabhängigkeit nur bei dickeren Halbleiterschichten und bei hohen Spannungen auf, während der Kontaktwiderstand sonst ohmsch ist. Temperaturabhängige Messungen wurden dazu genutzt, Rückschlüsse auf den Ladungstransport im Kanal der Transistoren und unter den Kontakten zu ziehen. Es konnte gezeigt werden, dass die Beobachtungen in Widerspruch zu essentiellen Annahmen von für organische Dünnschichttransistoren populären Transportmodellen stehen. Stattdessen sind die experimentellen Daten in guter Übereinstimmung mit dem Modell von Mott für Hüpftransport im Bereich einer konstanten Zustandsdichte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Appl. Phys. Lett., 102 (23) (2013), 233303
R. Rödel, F. Letzkus, T. Zaki, J. N. Burghartz, U. Kraft, U. Zschieschang, K. Kern, H. Klauk
- Org. Electronics 14 (6) (2013), 1516
U. Zschieschang, R. Hofmockel, R. Rödel, U. Kraft, M. J. Kang, K. Takimiya, T. Zaki, F. Letzkus, J. Butschke, H. Richter, J. N. Burghartz, H. Klauk
- IEEE Trans. on Electr. Dev., 61 (1) (2014), 98
T. Zaki, S. Scheinert, I. Hörselmann, R. Rödel, F. Letzkus, H. Richter, U. Zschieschang, H. Klauk, J. N. Burghartz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TED.2013.2292390) - Org. Electronics, 15 (7) (2014), 1503
S. Scheinert, T. Zaki, R. Rödel, I. Hörselmann, H. Klauk, J. N. Burghartz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.orgel.2014.04.013) - Adv. Mater, 27 (2) (2015), 207
U. Kraft, M. Sejfic, M. J. Kang, K. Takimiya, T. Zaki, F. Letzkus, J. N. Burghartz, E. Weber, H. Klauk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201403481) - Chem. Mater, 27 (3) (2015), 998
U. Kraft, J. E. Anthony, E. Ripaud, M. A. Loth, E. Weber, H. Klauk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/cm5043183)
