Solution-Processed Silicon Thin Films and Electron Devices from Polysilane Precursors

• Applicants: Professor Dr. Lothar Frey (†); Professor Dr. Edwin Kroke
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering ; Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 242694146

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Auf der Grundlage der Lösungsprozessierung von Cyclopentasilan konnte eine Prozessroute zur Herstellung siliciumbasierter Dünnfilmtransistoren entwickelt werden. Für die Synthese des benötigten Cyclopentasilans wurde ein reproduzierbares Syntheseprotokoll entwickelt. Dieses ermöglicht die Herstellung von reinem Cyclopentasilan im Gramm-Maßstab in einem Mehrstufenverfahren. Von einer weiteren Ansatzvergrößerung wurde auf Grund der Gefährlichkeit der Verbindung abgesehen. Die Cyclopentasilansynthese ist sehr zeit-, arbeits- und kostenintensiv. Daher wurden Synthesewege zu anderen Hydridosilanen gesucht. Disproportionierungsreaktionen von Hexachlordisilan liefern sowohl verzweigte, als auch cyclische Chlorsilane. Im Rahmen der Untersuchung der chloridgesteuerten Disproportionierung von Hexachlordisilan wurde ein neuartiges Tristrichlorsilylcarbanion als Nebenprodukt der Reaktion entdeckt und umfassend charakterisiert. Im Vergleich zur Cyclopentasilansynthese sind Synthesen ausgehend von diesen Disproportionierungsreaktionen deutlich schneller und mit weniger Arbeits- und Chemikalienaufwand verbunden. Es war allerdings aus zeitlichen Gründen bisher nicht möglich, die weitere Prozessierung dieser Präkursoren zu untersuchen. Hier bieten sich aussichtsreiche Ansatzpunkte für weitere Arbeiten. Für die Flüssigphasenprozessierung von Bauelementen wurden Formulierungen entwickelt und deren Anwendung über die gesamte Prozesskette hinweg untersucht. Sowohl von der Effizienz der Polymerisation, den Schichtbildungseigenschaften als auch der elektrischen Funktionalität konnten mit Tetrahydronaphtalin-basierten Formulierungen die besten Ergebnisse erzielt werden. Die Umwandlung der deponierten Polysilane unter Abspaltung von Wasserstoff und Ausbildung von Si-Si-Bindungen konnte mittels Raman-Spektroskopie qualitativ bewertet werden. Erst ab Temperaturen über 600 °C tritt eine Vernetzung vergleichbar zu PECVD-Schichten auf. Hierbei diffundiert jedoch der Wasserstoff größtenteils aus der Schicht. Als effektives Verfahren zur Absättigung verbleibender offener Siliciumbindungen konnte die Passivierung mittels Wasserstoffplasma demonstriert werden. Mit den so prozessierten Schichten konnten amorphe Silicium-Dünnschichttransistoren mit Beweglichkeiten bis 0,5 cm2/Vs bei gleichzeitigen Ion/Ioff-Verhältnissen von bis zu 10^5 realisiert werden. Beide Werte liegen im Bereich der allgemein anerkannten Leistungsdaten für PECVD-abgeschiedene amorphe Siliciumschichten. Mit der Integration in aufwändigere Bauelementearchitekturen und der damit einhergehenden Möglichkeit zur weiteren Optimierung der Bauelementeparameter sowie der nachfolgenden Anwendungsentwicklung bieten sich viel versprechende Ansätze für weitere Arbeiten.

Publications

• Unexpected Formation and Crystal Structure of the Highly Symmetric Carbanion [C(SiCl3)3]-, Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 5028-5035
  U. Böhme, M. Gerwig, F. Gründler, E. Brendler, E. Kroke
  
• Unexpected formation of the highly symmetric Carbanion [C(SiCl3)3-], Mitteldeutsches Anorganiker Nachwuchssymposium, Halle, 2016
  M. Gerwig, F. Gründler, U. Böhme, E. Kroke
  
• Hydrogen Passivation for Solution-Processed Amorphous Silicon Thin-Film Transistors, ITC 2017 12th International Thin-Film Transistor Conference, Austin (TX), USA, 23.-24. Februar 2017
  A.S. Ali, S. Polster, M. Gerwig, U. Böhme, M.P.M. Jank, E. Kroke, L. Frey