Charakterisierung und Optimierung von Kontakten in OFETs: Spektroskopie und elektrische Bauelementefunktion

• Applicants: Professor Dr. Martin Knupfer; Privatdozentin Dr.-Ing. Susanne Scheinert
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2008 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 72271131

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Die Funktion organischer Feldeffekttransistoren (OFET) wird wesentlich durch die Eigenschaften der Kontakte zwischen der aktiven, organischen Schicht und den Source/Drain (S/D)-Metallelektroden bestimmt. Aus Transistormessungen können nur qualitative Aussagen über Injektionsbarrieren getroffen werden. Untersuchungen mittels Photoelektronenspektroskopie an Kontaktsystemen hingegen liefern Informationen zur Lage der Energieniveaus des organischen Halbleiters an der Grenzfläche zum Kontakt, zu Grenzflächendipolen und Injektionsbarrieren für Löcher. Insofern lag der Schwerpunkt der Arbeiten im Rahmen des Projektes darin, durch direkte Kombination der Informationen aus elektrischen und spektroskopischen Untersuchungen Aussagen über die Grenzflächeneigenschaften zwischen dem organischen Halbleiter und den S/D-Kontakten zu erhalten. Verlässliche Aussagen wurden dadurch erreicht, dass die für die Bauelemente entscheidenden Grenzflächen in Ilmenau präpariert und am IFW Dresden spektroskopisch untersucht wurden. In einem ersten Schritt der gemeinsamen Arbeiten wurden die in Ilmenau präparierten Gold- und Aluminiumkontake spektroskopisch untersucht. Hieraus ergaben sich erste wichtige Erkenntnisse, dass die Präparationsbedingungen zu einer Oberflächenkontamination dieser beiden Materialien führt, wodurch die Austrittsarbeit der Metalle verändert wird. Für Gold wurden Werte von 4,3 bis 4,9eV und für Aluminium ein Wert von 3,3eV gemessen. Au-S/D-Elektroden wurden für p-Kanal-OFETs mit P3HT und n-Kanal-OFETs mit PCBM verwendet. Aluminium wurde nur bei den n-Kanal-Transistoren eingesetzt. Die Ergebnisse der Photoelektronenspektroskopie der Grenzfläche Au/P3HT lieferten einen Grenzflächendipol von -0.9eV und eine Injektionsbarriere für Löcher von 0,6eV. Die Messungen an den Transistoren deuteten nicht auf die Existenz einer so großen Lochinjektionsbarriere hin, so dass mit Hilfe der Simulation untersucht wurde, inwieweit zusätzliche Effekte, wie z.B. Barrierenerniedrigung durch Bildkraft und Berücksichtigung des Dipols als Variation der Metallaustrittsarbeit, die Transistormessungen erklären können. Im Ergebnis musste festgestellt werden, dass die OFET-Messungen nur mit Barrieren kleiner 0.5eV beschreibbar sind. Die Erklärung der offensichtlichen Diskrepanz zwischen spektroskopischen und elektrischen Messungen besteht darin, dass die schmale Gauß-Transport DOS (density of states) der Schwanz der breiten in UPS gemessenen DOS des Valenzbandes ist. Eine ähnliche Diskrepanz zwischen beiden Messmethoden trat für n-Kanal-OFETs auf. Spektroskopisch wurden für die Systeme Au/PCBM und Al/PCBM, trotz unterschiedlicher Austrittsarbeit und Grenzflächendipole, gleiche Lochinjektionsbarrieren gemessen, woraus auch identische Elektronenbarrieren resultieren. Die OFET-Messungen zeigen hingegen deutlich geringere Ströme mit Au als S/D-Kontakte. Die für Au/P3HT verwendete Methode der Berücksichtigung der Dipole in einer effektiven Austrittsarbeit führte bei der Simulation der PCBM-OFETs nicht zum Erfolg. Deshalb wurden Simulationen unter Annahme eines Dipolmodells, in welchem der Dipol durch zwei feste Grenzflächenladungen entgegengesetzter Polarität in einem Abstand von 1nm durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit diesem Modell die gemessenen Tendenzen beschrieben werden können. Nebem diesen in enger Kooperation der Projektpartner erreichten Ergebnisse, konnten unabhängig voneinander Einzelergebnisse erhalten werden, die das Erreichen des Projektzieles unterstützen. Für das IFW sind hier insbesondere die Grundlagenuntersuchungen zum Verständnis der Grenzflächendipole zu nennen. An der TU Ilmenau wurden theoretische Untersuchung hinsichtlich der Bestimmung von Trapzuständen an Grenzflächen und der Beschreibung der Gauss-Zustandsdichte mit einer analytischen Gleichung erbracht.

Publications

• Engineering of the energy level alignment at organic semiconductor interfaces by intramolecular degrees of freedom: transition metal phthalocyanines, Journal of Physical Chemistry C 113 (2009) 13219
  M. Grobosch, V.Yu. Aristov, O.V. Molodtsova, C. Schmidt, B.P. Doyle, S. Nannarone, M. Knupfer
  
• Interdependency of contact properties and field- and density-dependent mobility in organic field-effect transistors, J. Appl. Phys. 105 (2009) 014509
  S. Scheinert, G. Paasch
  
• The influence of field- and density-dependent mobility and contact properties on OFETs, DPG Frühjahrstagung des AKF, Dresden , 22.-27. März 2009, Verhandl. DPG (VI) 44, 5/322 (2009)
  S. Scheinert, G. Paasch
  
• Charge carrier density of organics with Gaussian density of states: Analytical approximation for the Gauss-Fermi integral, J.Appl.Phys 107, 104501 (2010)
  G. Paasch, S. Scheinert
  
• Electronic properties of transition metal phthalocyanines: the impact of the central metal atom (d5 - d10 ), Organic Electronics 11 (2010) 1483
  M. Grobosch, C. Schmidt, R. Kraus, M. Knupfer
  
• Investigation of contact properties of organic field effect transistors, DPG Frühjahrstagung des AKF, Regensburg , 21.-26. März 2010, Verhandl. DPG (VI) 45, 3/214 (2010
  M. Grobosch, I. Hörselmann, S. Scheinert, M. Knupfer, and G. Paasch
  
• Electronic properties of organic semiconductor/electrode interfaces: the influence of contact contaminations on the interface energetic, The Open Applied Physics Journal 4 (2011) 8
  M. Grobosch, M. Knupfer
  
• Hole transport and hole blocking transport in single-crystal-like organic heterojunction: when rods hold up disks, ACS Applied Materials and Interfaces 3 (2011) 2195
  F. Zhu, M. Grobosch, U. Treske, L. Huang, W. Chen, J. Yang, D. Yan, M. Knupfer
  
• Interfacial energy level bending in a crystalline p/p-type organic heterostructure, Applied Physics Letters 98 (2011) 203303
  F. Zhu, M. Grobosch, U. Treske, M. Knupfer, L. Huang, S. Li, D. Yan
  
• Multi-Frequency Transconductance Technique on OFET’s. Proceedings of Large-Area, Organic and Polymer Electronics Convention 2011 (LOPE-C 11), Frankfurt/M., June 2011, ISBN 978-3-00-034957-7
  I. Hörselmann and S. Scheinert
  
• Contact characterization by photoemission and device performance in P3HT based organic transistors, Journal of Applied Physics 111, (2012) 0645502
  S. Scheinert, M. Grobosch, G. Paasch, I. Hörselmann, M. Knupfer, J. Bartsch
  
• Crystalline organic heterostructures engineering based on vanadyl phthalocyanine and rod-like conjugated organic semiconductors with selected central groups, Advanced Functional Materials 22 (2012) 4598
  L. Huang, F. Zhu, C. Liu, U. Treske, M. Grobosch, H. Tian, J. Zhang, Y. Geng, M. Knupfer, D. Yan