Hoch-Frequenzbetrieb organischer Transistoren mit permeabler Basis Bauelementoptimierung, Kompaktmodellentwicklung, und Referenz Schaltkreise

• Antragsteller: Ghader Darbandy, Ph.D.; Dr. Hans Kleemann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496804567

Mit einer Grenzfrequenz von 40MHz, einer Delay-Zeit von 11ns in Ringoszillatoren und einer Betriebsspannung von <10V, zählen organische Transistoren mit permeabler Basis (OPBTs) zu den performantesten Transistor-Technologien für eine mechanisch-flexible Elektronik der Zukunft. Im Gegensatz zu konventionellen organischen Dünnschichttransistoren, steckt die Forschung zu OPBTs, insbesondere im Bezug auf ihre dynamischen Eigenschaften, jedoch noch in ihren Anfängen. Grundlegende Skalierungsmechanismen, Selbsterwärmung im elektrischen Betrieb und nicht-quasistatische Effekte sind bisher unzureichend verstanden in diesen vertikalen Transistoren, was die Entwicklung leistungsfähiger Kompaktmodellen - einem wichtigen Meilenstein in Richtung der Schaltkreis-Integration - verhindert. Zusätzlich können durch ein besseres Verständnis der Bauelement-Physik mit Hilfe von Kompaktmodellen Optimierungsschritte hinsichtlich der dynamischen Eigenschaften der Transistoren vorhergesagt werden.Das Hauptziel des Projektes ist die Herstellung, Charakterisierung, Modellierung und Optimierung von OPBTs und Referenz-Schaltkreisen mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von 1 GHz. Dieses ambitionierte Ziel erreichen wir durch die Implementierung neuer Materialien mit hohen vertikalen Ladungsträgerbeweglichkeiten, der Reduktion von Kontaktwiderständen, der Minimierung von in- und extrinsischen Kapazitäten, und der Optimierung von Struktur und Materialeigenschaften des organischen Halbleiters.Die OPBTs werden basierend auf den entwickelten Modellen hinsichtlich des Hochfrequenz-Betriebs und parasitärer Kapazitäten optimiert. Um Schaltfrequenzen im GHz-Bereich zu ermöglichen, werden trikline Rubren-Dünnschichtkristalle mit einer vertikalen Ladungsträgerbeweglichkeit von bis zu 10 cm2 V-1 s-1 erstmals in OPBTs implementiert. Dabei werden wir den für die Funktion der Transistoren essentiellen Prozess der Pinhole-Erzeugung untersuchen und Methoden entwickeln diesen zu kontrollieren. Weiterhin werden alternative Integrationsmethoden wie Lithographie und Drucken untersucht, um somit die Herstellung von komplexen Schaltkreises vorzubereiten. Die Bauelement-Optimierung wird dabei eng begleitet von der Entwicklung eines kalibrierten TCAD Simulators. Der TCAD Simulator wird uns ein tieferes Verständnis der Bauelement-Physik ermöglichen und darauf basierend können Bauelement-Optimierungen vorhergesagt werden. Insbesondere, stellt die Entwicklung von Kompakt-Modellen eine für die technische Anwendung wichtige Brücke dar auf dem Weg von der Einzelbauelement-Technologie hin zu komplexen, integrierten Schaltkreisen. Die Modellierung wird dabei genutzt um die DC/AC Eigenschaften vorherzusagen und das Bauelement-Design hinsichtlich anwendungsspezifischer Parameter zu optimieren. Die praktische Anwendbarkeit der Modelle für die Vorhersage von OPBT-basierten Schaltkreisen wird im Projektes durch die Herstellung von Referenz-Schaltkreisen unter realistischen Betriebsbedingungen evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen