Organische Feldeffekttransistoren mit polarisierbarem Isolator Organische Feldeffekttransistoren mit

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  • Organische Feldeffekttransistoren mit polarisierbarem Isolator

    Der Naturwissenschaftlichen Fakultät

    der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

    zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.

    vorgelegt von

    Katharina Schätzler

    aus Mainz

  • Als Dissertation genehmigt

    von der Naturwissenschaftlichen Fakultät

    der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

    Tag der mündlichen Prüfung: 13. Mai 2011

    Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Rainer Fink

    Erstberichterstatter: Prof. Dr. Heiko B. Weber

    Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Gottfried Döhler

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einführung 1

    2 Grundlagen 5

    2.1 Organische Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2.1.1 Ladungstransport im organischen Halbleiter . . . . . . . 6

    2.1.2 Funktionsweise und Charakterisierung . . . . . . . . . . 11

    2.1.3 Statische Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.2 Dielektrische Eigenschaften von Isolatoren . . . . . . . . . . . 20

    2.2.1 Orientierungspolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2.2.2 Ionische Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    2.3 Grenzflächenphänomene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3 Simulation der Ionendynamik im Isolator 35

    3.1 Transportmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.1.1 Drift und Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.1.2 Zeitliche und räumliche Entwicklung . . . . . . . . . . 41

    3.2 Modell für OFETs und Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . 44

    3.3 Schaltverhalten ionischer OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    3.3.1 Einschaltvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.3.2 Ausschaltvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    3.3.3 Transistorstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

  • ii Inhaltsverzeichnis

    3.4 Einfluss physikalischer Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    3.4.1 Halbleiterbeweglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    3.4.2 Ionendichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    3.4.3 Ionenbeweglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    3.4.4 Variation der Gatespannung . . . . . . . . . . . . . . . 75

    3.5 Zusammenfassende Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    4 Experimentelle Methoden 81

    4.1 Materialien und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    4.1.1 Substrat und Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    4.1.2 Halbleiter und Isolator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    4.1.3 Einflussfaktoren der Herstellung . . . . . . . . . . . . . 86

    4.2 Messmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5 Ionenangereicherte Transistoren 91

    5.1 Variation der Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    5.1.1 Perchlorate im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    5.2 Lithiumperchlorattransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    5.2.1 Einfluss der Ionenkonzentration . . . . . . . . . . . . . 102

    5.2.2 Grenzflächenphänomene . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

    5.2.3 Einfluss der Gatespannung . . . . . . . . . . . . . . . . 112

    5.2.4 Einfluss der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

    5.3 Dielektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

    5.3.1 Gleichstromleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

    5.3.2 Nyquist-Plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

    5.4 Langzeitmessung an Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . 129

    5.5 Simulierte Transistorströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

  • Inhaltsverzeichnis iii

    6 Zusammenfassung und Ausblick 139

    7 Summary and Outlook 145

    Literaturverzeichnis 149

  • 1 Einführung

    Organische Elektronik hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einer wich- tigen Forschungs- und Entwicklungsrichtung entwickelt [1]. Der wirtschaft- liche Durchbruch, der z. B. mit organischen Solarzellen oder RFID (Radio Frequency Identification) Etiketten gelingen könnte, steht jedoch noch be- vor [2]. Die Vorteile dieser Technologie liegen auf der Hand: Die Materiali- en lassen sich aus Lösung verarbeiten, so dass aus ihnen aufgebaute Schal- tungen in Druck- oder Beschichtungsverfahren kostengünstig und in sehr ho- hen Stückzahlen hergestellt werden können [3] [4] [5]. Diese Vorteile müssen allerdings den Nachteil der deutlich geringeren Leistungsfähigkeit aufwiegen. Die Hauptursache für die geringere Leistungsfähigkeit liegt in der niedrigen Ladungsträgerbeweglichkeit organischer Halbleiter. Im Vergleich zu kristalli- nem Silizium mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit in der Größenordnung von µHl ≈ 103 cm2/V s liegt die Ladungsträgerbeweglichkeit von Polythiophen, ei- nem typischen organischen Halbleiter, um mehrere Größenordnungen niedriger bei ungefähr µHl ≈ 10−2 cm2/V s [6].

    Aktuell existieren mehrere Strategien, dem Umstand der geringen Lei- stungsfähigkeit zu begegnen. Sie lassen sich am Besten am Beispiel der Funk- tionalität des Transistors diskutieren, da dieser das Basiselement komplexer elektrischer Schaltungen ist. Eine gewünschte Verbesserung organischer Tran- sistoren setzt an der Abhängigkeit des Transistorstroms IDS an. Dieser hängt nach der Standardtheorie [7] [8] für Transistoren bei kleinen Drainspannungen (UDS < UGS −Uth) näherungsweise von folgenden physikalischen und geome- trischen Parametern ab:

    IDS ∝ �0εIns dIns

    W

    L µHl(UGS − Uth)UDS (1.1)

    Dabei ist UGS die Gatespannung und Uth die Schwellspannung des Transi- stors.W/L sind geometrische Größen, genauer KanalweiteW und -längeL. εIns

  • 2 KAPITEL 1. EINFÜHRUNG

    ist die Dielektrizitätskonstante des Isolators und dIns die im Transistor realisier- te Isolatorschichtdicke. µHl ist die Ladungsträgerbeweglichkeit des organischen Halbleiters.

    An der Gleichung ist zu erkennen, dass zunächst die Möglichkeit besteht, den Transistorstrom durch eine Vergrößerung des Geometrieverhältnisses W/L zu erhöhen. Dieses Vorgehen wird z. B. in [9] oder [11] demonstriert und soll hier nicht betrachtet werden. Es handelt sich um eine rein geometrische Optimie- rung, die als Grenze die technisch mögliche Strukturauflösung hat. Zu beachten ist dabei, dass eine Vergrößerung der Transistorfläche die Defektanfälligkeit des Bauteils erhöht. Ebenso soll die Erhöhung der Schaltspannungen hier nicht be- trachtet werden, da diese Optimierung durch die Durchbruchfeldstärke in der Größenordnung von einigen Megavolt pro Zentimeter [10] limitiert wird.

    Neben der Geometrie und den Schaltspannungen kann nach Gleichung 1.1 die Leistungsfähigkeit des Transistors über eine Optimierung des Halbleiters bzw. des Isolatormaterials verbessert werden. Das Halbleitermaterial ist für die- se Arbeit durch das gängige Polythiophen gegeben. Somit kristallisiert sich der Isolator als großer Einflussfaktor auf den Transistorstrom IDS heraus. Sein Ein- fluss zeigt sich im ersten Term in Gleichung 1.1. Eine Verstärkung des Stromes durch Manipulation des Isolators kann durch zwei verschiedene Strategien ver- folgt werden: Erhöhung der Dielektrizitätskonstante εIns des Isolators oder Ver- ringerung der Schichtdicke dIns des Materials. Die Möglichkeit der Verringerung der Schichtdicke ist aufgrund der endlichen Durchbruchfeldstärke organischer Isolatoren begrenzt. Sie führt zu elektrischem Durchschlag des Materials bei Re- duzierung der Dicke. Eine erfolgreiche Umgehung dieser Beschränkung wird z. B. durch den Einsatz sehr dünner, selbsorganisierender Molekülschichten, sog. SAMs (self assembling monolayers), erreicht. Hier entstehen durch eine sehr ho- he molekulare Packungsdichte wenige Nanometer dicke und defektfreie Schich- ten [12] [13] [14]. Hohe Durchbruchfeldstärken erreichen auch Sirringhaus et al [15] bzw. Facchetti et al [16] durch den Einsatz dünner verlinkender bzw. fo- toverlinkender polymerer Filme.

    Als wichtige Einflussgröße bleibt somit die Erhöhung der Dielektri- zitätskonstante [10], die durch die Wahl eines stark polarisierenden [17] oder ionenleitenden Materials [18] umgesetzt wird. Im ersten Fall wird die Dielektrizitätskonstante εIns um den Beitrag der Orientierungspolarisati- on εpol erhöht. Beide Phänomene verursachen die Ausbildung einer Grenz- flächenladung im Isolator, die die kapazitive Wirkung des Materials erhöht. Ha- ben nicht polarisierende organische Isolatoren wie z. B. PMMA eine Dielektri-

  • 3

    zitätskonstante von ca. 2-4, so zeigt z. B. das häufig verwendete polarisierende Poly(Vinylidenfluorid/Trifluoroethylen), kurz P(VDF-TrFe), einen Wert von ca. 11 [19].

    Ionenleitende Isolatoren, die eine Raumladungspolarisation der kompletten Materie aufweisen, versprechen eine noch stärkere Erhöhung der Dielektri- zitätskonstante. So realisieren Bergreen et al [20] [21] organische Feldeffekttran- sistoren auf Basis eines flüssigen Elektrolytisolators. Sogenannte Gel-Elektrolyt- Transistoren werden von Frisbie et al [22] [23] demonstriert. Diese Beispiele haben gemeinsam, dass die Ionenleitung im Isolator die Transistorströme durch Ionenakkumulation an den Grenzflächen erfolgreich erhöht. Die Ionenleitung entspricht einem Transportprozess der Ionen durch die polymere Isolatormatrix, dessen Leitfä