Selbstjustierende komplentäre Feldeffekt-Transistoren kurzer Kanallänge auf transparenten Substraten (SACFETTS)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projektziel, einen Integrationsprozess für komplementäre Feldeffekttransistoren mit selbstjustierter Gate-Elektrode für eine zukünftige kostengünstige und transparente Schaltungsintegration zu entwickeln, wurde erreicht. Durch die Selbstjustierung des Gates mithilfe einer Rückseitenbelichtung konnte der Überlapp zwischen Gate und Drain- bzw. Source-Elektroden auf jeweils ca. 300 nm reduziert werden. Dieser Selbstjustierungsprozess konnte sowohl für Dünnschichttransistoren mit einem inverted coplanar Aufbau als auch mit inverted staggered Architekturen erfolgreich entwickelt werden. Für letzteren Aufbau kann allerdings lediglich ZnO als halbleitende Schicht verwendet werden, da organische Halbleiter eine unzureichende Resistenz gegenüber positiven Fotolacken – erforderlich zur Strukturierung der Drain-/Source-Elektroden – aufweisen. Eine Erweiterung der Selbstjustierung zur Strukturierung der halbleitenden Schicht bzw. des Dielektrikums und die daraus resultierende Verringerung des Übersprechens zwischen benachbarten Transistoren konnte ebenfalls erreicht werden. Die Integration von Strukturen im Sub-µm-Bereich wurde mit einer Kombination aus herkömmlicher optischer Fotolithografie mit einem anschließenden Trockenätzprozess realisiert. Somit konnten Gate-Strukturen im Bereich von 400 nm hergestellt werden. Für die Rückseitenbelichtung ist eine entsprechende Anpassung der Belichtungszeiten erforderlich. Zur Bewertung der entwickelten Prozesse wurden sowohl statische als auch dynamische Transistorparameter festgelegt, die aus den entsprechenden Kennlinien extrahiert werden können. Die integrierten Transistoren wurden auf der Grundlage dieser Parameter bewertet und zeigten verglichen mit herkömmlich integrierten Transistoren einen um etwa eine Dekade reduzierten Off-Strom, der auf den verringerten Überlapp zurückzuführen ist. Alle weiteren DC-Parameter sind vergleichbar zu denen von nicht-selbstjustierten TFTs, sodass eine adäquate Anpassung des Selbstjustierungsprozesses angenommen werden kann. Die Integration von komplementären Schaltungen erfordert unterschiedliche Metallisierungen für die Drain- und Source-Elektroden, bedingt durch die Differenz zwischen den Austrittsarbeiten. Dementsprechend wurde ein Prozess zur Deposition von zwei verschiedenen Metallisierungen auf einem gemeinsamen Substrat entwickelt. Als kostengünstige Alternative zu den bisher verwendeten organischen Halbleitern wurde für die p-Kanal-Transistoren ebenfalls ein anorganischer Halbleiter (CuO) untersucht. Für die Herstellung von flexibler Elektronik mit geringen Betriebsspannungen (< 10 V) und ausreichenden Transitfrequenzen ist ein geeignetes Dielektrikum von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurden sowohl high-k als auch low-k Dielektrika auf Grundlage von Polymeren analysiert. Als problematisch bei den untersuchten high-k Nanokompositlacken stellte sich das mangelhafte dynamische Verhalten mit Transitfrequenzen im niedrigen Hertz- Bereich heraus, dessen mögliche Ursache auf Polarisationseffekte zurückgeführt werden könnte. Um niedrige Betriebsspannungen mit low-k Dielektrika realisieren zu können, sind geringe Schichtdicken des Isolators erforderlich. Hierdurch erhöht sich der Einfluss von Defekten in der dielektrischen Schicht, wodurch hohe Leckströme resultieren können. Folglich ist der alleinige Einsatz von Dielektrika mit einer geringen Permittivität nicht ratsam. Die für flexible Substrate erforderliche Überführung der TFT-Integration in Niedertemperaturprozesse (T < 115°C) konnte in dieser Arbeit bereits erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Complementary field-effect transistors for flexible electronics, Proc. SPIE 10036, Fourth Conference on Sensors, MEMS, and Electro-Optic Systems, 100360K, 2017
U. Hilleringmann, F. F. Vidor, T. Meyers
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Deposition of ZnO nanoparticles for thin-film transistors by doctor blade process, 13th IEEE Africon, pp. 634-638, 2017
J. Reker, T. Meyers, F. F. Vidor, U. Hilleringmann
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Low-voltage DNTT based thin-film transistors and inverters for flexible electronics, Microelectronic Engineering, Vol. 174, pp. 35-39, 2017
T. Meyers, F. F. Vidor, K. Brassat, J.K.N. Lindner, U. Hilleringmann
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Self-aligned ZnO nanoparticle-based TFTs for flexible electronics, 13th IEEE Africon, pp. 644-648, 2017
F. F. Vidor, T. Meyers, J. Reker, G. I. Wirth und U. Hilleringmann
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Deposition speed optimization for ZnO nanoparticle TFTs using doctor blade process, Smart Systems Integration 2018, pp. 472- 475, ISBN 978-3-95735-082-4, Dresden, 2018
J. Reker, T. Meyers, F. F. Vidor, U. Hilleringmann
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Inorganic p-channel thin-film transistors using CuO nanoparticles, Proc. SPIE 11043, Fifth Conference on Sensors, MEMS and Electro-Optic Systems, 1104312, 2019
J. Reker, T. Meyers, F. F. Vidor, U. Hilleringmann
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Nanoparticles and Organic Semiconductors for Flexible Electronics, Proc. SPIE 11043, Fifth Conference on Sensors, MEMS and Electro-Optic Systems, 1104303, 2019
U. Hilleringmann, J. Reker, F. F. Vidor, T. Meyers, P. H. Bezuidenhout, T.-H. Joubert
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Self-aligned organic thin-film transistors for flexible electronics, Proc. SPIE 11043, Fifth Conference on Sensors, MEMS and Electro-Optic Systems, 1104313, 2019
T. Meyers, J. Reker, J. Temme, F. F. Vidor, U. Hilleringmann
