Verbesserung der Leistungsfähigkeit von gedruckten, elektronischen Bauelementen durch elektrostatische Aufladung
Final Report Abstract
Die Entwicklung und Erforschung von gedruckten polymerelektronischen Bauelementen stieg in den letzten Jahren stark an. Schon 2007 wurde vom Zuwendungsempfänger gezeigt worden, dass sich einfache funktionsfähige Schaltungen auf Basis von organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) mit Hilfe von Massendruckverfahren herstellen lassen. Neben recht geringen Ladungsträgermobilitäten und schaltbaren Strömen zeigen organische OFETs bei Verwendung von p-leitenden Halbleitern typischerweise eine sehr negative Schwellspannung. Dies führt schaltungstechnisch zu Problemen. Ziel der Forschung war es daher, das Schaltverhalten gedruckter organischer Feldeffekttransistoren (OFETs) zu manipulieren, beruhend auf der Überlagerung des äußeren elektrischen Feldes (am Gatekontakt) durch ein inneres (im Dielektrikum). Möglich wird dies durch die Verwendung homopolarer Elektretmaterialien als Dielektrika, welche zusätzliche Ladungen aufnehmen und diese an bzw. unter der Grenzfläche dauerhaft speichern können. Weiterführend sollte die Aufladung des Gate-Dielektrikums in den bestehenden Rolle-zu-Rolle-Druckprozess implementieren werden, um damit eine kontrollierte selektive Schwellspannungsverschiebung einzelner massengedruckter Transistoren zu ermöglichen. Zu Beginn des Projektzeitraumes sollten Materialien und -kombinationen evaluiert und Untersuchungen an gedruckten OFETs zur generellen Umsetzbarkeit dieses Ansatzes durchgeführt werden. Dabei zeigte sich, dass eine Ladungsträgerinjektion mittels Koronaentladung, Elektronen-strahlen oder Kontaktaufladung erfolgen kann. Diese gezielte Änderung des effektiven elektrischen Feldes zwischen Source- und Gatekontakt resultiert in einer Verschiebung der Schwellspannung. Diese Verschiebung kann je nach Verhältnis der Polaritäten positiv oder negativ sein. Im anschließenden Förderungszeitraum standen daher die Aufklärung physikalischer Mechanismen beim Aufladevorgang sowie die Beurteilung potentieller Aufladetechnologien für eine Eignung im dynamischen Rolle-zu-Rolle-Prozess im Vordergrund. Für eine effektive Modifikation der OFET-Schaltcharakteristik im Rahmen des Druckprozesses stellte sich die spannungsgestütze Kontaktaufladung als die am geeignetste heraus. Bei der Kontaktaufladung erfolgt die Ladungsträgerinjektion aus dem Halbleiter in das Dielektrikum über das Anlegen einer hohen Verarmungsspannung am Gatekontakt. Diese Spannung zwischen Gate und Source führt zu einer Verringerung der Energielücke ΔELUMO zwischen den LUMO der beiden Materialien. Im letzten Projektabschnitt erfolgte die Umsetzung der Kontaktaufladung im dynamischen Prozess. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Integration in den Druckprozess, mit einhergehenden Aufladezeiten im Bereich weniger Millisekunden, möglich ist und funktionsfähige Schaltungen daraus aufgebaut werden können. Weiterführend wurde untersucht, ob sich die gedruckten Transistoren zur Realisierung nicht-flüchtiger Speicherbausteine eignen. Neben Untersuchungen zur zeitlichen Ladungsstabilität erfolgte zudem die weitere Anpassung der Transistorenkonfiguration. Dabei stellte sich heraus, dass eine Verwendung von OFETs als einmalig-beschreibbare Speicherbausteine prinzipiell möglich ist. Das Löschen / Wiederbeschreiben konnte aber für Elektret-basierte OFETs aufgrund materialspezifischer Eigenschaften nicht umgesetzt werden
Publications
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Tuning of threshold voltage in organic field-effect transistors
with hydrophobic gate dielectric using monoenergetic low-energy
electron beams and triode corona. Applied Physics Letters, 95, 113307, 2009.
K. D. Deshmukh, K. Reuter, H. Kempa, J. E. West, H. E. Katz
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Full-swing organic inverters using a charged perfluorinated electret
fabricated by means of mass-printing technologies. Organic Electronics, Vol. 11. 2010, Issue 1, pp. 95–99.
K. Reuter, H. Kempa, K.D. Deshmukh, H.E. Katz, A.C. Hübler
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Comparison of fully printed unipolar and complementary organic
logic gates. Organic Electronics, Vol. 13. 2012, Issue 10, pp. 1989–1995.
M. Hambsch, K. Reuter, H. Kempa, A.C. Hübler
