Feldeffekttransistoren mit nanoskaligen Halbleiterpartikeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während der ersten Projektphase wurden zunächst Transistoren mit Silizium- und Zinkoxidnanopartikeln auf oxidierten Siliziumsubstraten integriert und analysiert. Neben Einzeipartikel-Transistoren, die durch Einfüllen von Nanopartikel in nanoskalige Zwischenräume hergestellt wurden, wurden ebenfalls Dünnfilm-Transistoren als Referenz integriert. Wie die Untersuchungen ergaben, benötigen Einzeipartikel-Transistoren lediglich niedrige Betriebsspannungen unter 5V. Dieses ist ein Vorteil gegenüber mikroskaligen Dünnfilm-Transistoren, aber auch gegenüber organischer Elektronik, die als Vergleichstechnologie dient. Die maximale Ladungsträgerbeweglichkeit wurde in Silizium-Nanopartikeln mit 0,2cm^2/(Vs) erreicht. Transistoren mit Zinkoxid-Nanopartikeln zeigten Beweglichkeiten bis zu 1,2cm^2/(Vs). Die Strommodulationen zwischen ein- und ausgeschaltetem Zustand betrugen maximal ca. 10^4. Zusätzlich konnten erstmals überhaupt Einzelpartikel-Transistoren mit frei ansteuerbaren Gateelektroden auf Glassubstraten demonstriert werden. Einfache Logikschaltungen wurden bislang nicht integriert, jedoch wurde ein Lithographiemaskensatz entworfen, der neben simplen Transistorstrukturen für Analysezwecke auch Inverter und Ringoszillatoren beinhaltet. Weiterhin konnten Fortschritte in der Nanostrukturierung mit optischer Lithographie erreicht werden, die es ermöglicht auf temperaturempfindlichen Substraten großflächig Nanotransistorstrukturen herzustellen. Im Hinblick auf Kunststoffsubstrate wurden ebenfalls Untersuchungen durchgeführt, um polymere Dielektrika mit hohen Permittivitäten für die Transistortechnologie zu qualifizieren. Frei beschaltbare Dünnfilmtransistoren mit Poly(4-vinylphenol) als Gatedielektrikum konnten erfolgreich integriert werden, wobei auch diese eine wesentlich kürzere Kanallänge (< 10 μm) gegenüber den sonst in der Literatur beschriebenen Bauelementen aufweisen. Erstmals konnten mit ZnO-Nanopartikeln Inverterschaltungen demonstriert werden, die zwar noch kein symmetrisches Schaltverhalten aufweisen, doch bereits vergleichbaren Invertern überlegen sind, die in wesentlich aufwändigeren Depositionsprozessen (PEALD, Kathodenstrahlzerstäubung) hergestellt wurden. Darüber hinaus ist die Integration von optische transparenten Inverterschaltungen präsentiert worden. Um tiefere Einblicke in die Funktionsweise der Transistoren zu erhalten, wurden FEM-Simulationen durchgeführt, die jedoch noch auf die speziellen Eigenschaften der Nanopartikel angepasst werden müssen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass Nanopartikel-Transistoren geeignet sind, um eine Schaltungstechnologie im Bereich der low-cost/low-performance-Elektronik aufzubauen. Die integrierten Transistoren auf oxidierten Siliziumsubstraten sind in ihrer Leistung vergleichbar mit derzeitigen organischen High-Performance-Transistoren und übersteigen die Leistungsfähigkeit durchschnittlicher OFET deutlich bezüglich der Ladungsträgerbeweglichkeit. Anpassungen ermöglichen hinsichtlich der Leistung einen weiteren Fortschritt, so dass für zukünftige Bauelemente eine weitere Steigerung möglich ist. Große Probleme bereiten jedoch im Moment noch die wenig reproduzierbare Integration und die geringe Ausbeute an Bauelementen, sofern es sich um Inverted Coplanar-Strukturen handelt, die die Abscheidung von einzelnen Nanopartikeln in Nanozwischenräume erfordern. Verfahren zur sicheren Einlagerung von Nanopartikeln in die Zwischenräume bzw. weitere Verbesserungen der Nanotransistoren auf Partikel-Dünnfilmen werden diese Probleme beseitigen. Zur Integration auf flexiblen Kunststofffolien stehen derzeit zumindest zwei polymere Dielektrika zur Verfügung, welche bei Temperaturen unterhalb von 100°C verarbeitet werden können. Die elektrische Durchbruchfestigkeit ist bei einer äquivalenten Oxiddicke von 21 nm ausreichend. Die parallelen Simulationen ermöglichen ein tieferes Verständnis der Vorgänge in nanopartikulären Bauelementen und sind trotz ihrer Simplizität im Anfangsstadium in einigermaßen guter Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Im weiteren Verlauf des Projektes ist geplant, die Ausbeute und Reproduzierbarkeit der Integration auf oxidierten Silizium-Substraten zu steigern. Hierzu werden Verfahren zur gezielten Partikelanordnung in den Gräben entwickelt (z.B. Ultraschall-unterstütze Partikeldeposition, dieelktrophoretische und elektrostatische Organisation, etc.). Ein Austausch des Elektrodenmaterials wird zusätzlich eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften (Kontaktwiderstände, Sperrverhalten, Ladungsträgerinjektion etc.) bewirken. Neben Metallen stehen auch Silizide zur Auswahl. Parallel dazu wird die Technologie zur Integration auf flexible Substrate transferiert. Das größte Problem besteht hier in der technologischen Kompatibilität neuer Materialien in die bestehende Halbleiterproesstechnik. Als besonders aussichtsreiche Bauform wird die Inverted-Staggered-Architektur mit nanoskaligen Elektrodenabständen (Dünnfilm-Nanotransistor) angesehen. Diese können eine recht hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufgrund der geringen Kanallänge aufweisen und bedürfen keiner Partikelabscheidung in nanoskalige Gräben. Eine Anpassung der Materialparameter und der physikalischen Zusammenhänge in der FEM-Simulation wird dazu beitragen, das elektrische Verhalten der Bauelemente mit einem tieferen Verständnis abschätzen zu können. Technologische Veränderungen können so im Vorfeld bereits in ihrer Wirkung untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Electrical Contacts to Silicon Nanoparticles for FET Devices by Metal Nanogaps. Nanotechnology in Northern Europe 2007 (NTNE 2007), 27.3.-29.3.2007, Helsinki, Finnland
Wolff, K. und U. Hilleringmann
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Silicon Nanoparticles Contacted by Metal Nanogaps for FET Applications. Technical Proceedings of the NSTI Conference and Trade Show 2007, S. 185-188, 20.5.-24.5.2007, Santa Clara, USA
Wolff, K. und U. Hilleringmann
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Elektrische Charakterisierung nanopartikulärer Silizium-Schichten für mikrosystemtechnische Anwendungen. Mikro-Nano-Integration (GMM-FB 60), Beiträge des 1. GMM-Workshops, 12.3.-13.3.2009, Seeheim-Jugenheim, Deutschland
Wolff, K., P. Dombert und U. Hilleringmann
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N-Type Single Nanoparticle ZnO Transistors Processed at Low Temperatures. Proceedings of the 39th European Solid-State Device Research Conference 2009, S. 460-463, Athen, Griechenland, 2009
Wolff, K. und U. Hilleringmann
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Solution-Processed ZnO Single Nanoparticle Transistor Using Water-based-Dispersions. Technical Proceedings of the NSTI Conference and Trade Show 2009, S. 234-237, 3.5.-7.5.2009, Houston, USA
Wolff, K. und U. Hilleringmann
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Strukturierungstechnik zur Integration nanoskaliger Gräben für die Mikrosystemtechnik. Mikro-Nano-Integration (GMM-FB 60), Beiträge des 1. GMM-Workshops, 12.3.-13.3.2009, Seeheim-Jugenheim, Deutschland
Hilleringmann, U. und K. Wolff
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Analysis and Modeling of Pseudo-Short-Channel Effects in ZnO-Nanoparticle Thin-Film Transistors. Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference 2010, Seville, Spain, S. 226-229, 2010
Wolff, K. und U. Hilleringmann
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Großflächige Integration von ZnO-Nanopartikel-Transistoren. Mikro-Nano-Integration (GMM-FB 63), Beiträge des 2. GMM-Workshops, 3.3.-4.3.2010, Erfurt, Deutschland, 2010
Hilleringmann, U. und K. Wolff
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Integration of Bottom- and Top-Gate ZnO-Nanoparticle FETs on Glass Substrates. Nanoelectronics Days 2010, Oktober 2010, Aachen, Deutschland, 2010
Assion, F., K. Wolff und U. Hilleringmann
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Low-Temperature Integration of Nanoparticulate Zinc Oxide FETs on Glass Substrate. European Solid-State Device Research Conference 2010, Seville, Spain, 2010
Assion, F., K. Wolff und U. Hilleringmann
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Integration technique for optically transparent ZnO nanoparticle thin-film transistors. 5th Smart Systems Integration Conference, Dresden, Germany, paper 71, 4 Seiten, 2011
Wolff, K. und U. Hilleringmann
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Integration von nanoskaligen Feldeffekttransistoren mit Zinkoxid-Nanopartikeln auf Glassubstrat. Mikro-Nano-Integration (GMM-FB 68), Beiträge des 3. GMM-Workshops 3.3. - 4.3.2010, Stuttgart, Deutschland, S. 73-78, 2011
Assion, F., K. Wolff und U. Hilleringmann
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Performance Improvement and Hysteresis Reduction for Printable ZnO-Nanoparticle Thin-Film Transistors. 5th Smart Systems Integration Conference, Dresden, Germany, paper 22, 6 Seiten, 2011
Vidor, F.F., K. Wolff und U. Hilleringmann
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Solution processed inverter based on zinc oxide nanoparticle thin-filrn transistors with poly(4-vinylphenol) gate dielectric. Solid-State Electronics, 62(1):110-114, 2011
Wolff, K. und U. Hilleringmann
