Transistoren sind das wichtigste Bauelement in der Halbleitertechnologie. Dabei wird nahezu ausschließlich Silizium als aktives halbleitendes Material verwendet [209]. Die wesentliche Größe in einem Transistor ist dessen Ladungsträgerbeweglichkeit. Die Elektronen-beweglichkeit beträgt für das einkristalline Silizium 1500 cm2/Vs bei Raumtemperatur [121]. Dabei sind sehr kleine und hochintegrierte Bauteile mit sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten realisierbar. Solche sog. integrierte Schaltkreise (integrated circuit: IC) sind in Form von Computerchips oder leistungsfähigen Speichern bekannt.
Erstere, intensivere Forschungsbemühungen auf dem Gebiet der organischen Transistoren setzten Mitte der 80iger Jahre ein. Die Ladungsträgerbeweglichkeiten in solchen Transisto-ren (µFET; FET: Feldeffekttransistor) betrugen ursprünglich ~10-5 cm2/Vs [60, 63, 210]. Gegen En-de En-des JahrhunEn-derts konnten dabei Beweglichkeiten in En-der Größenordnung von 0,1-1 cm2/Vs
[74, 76, 210-213] erzielt werden. Dies ist vergleichbar mit der Beweglichkeit von (hydrogeniertem) amorphen Silizium (a-Si:H), welches als aktives Material in Dünnschichttransistoren (TFT) zum Einsatz kommt [212]. Die Größenordnung von ~1-10 cm2/Vs bei Raumtemperatur mag zugleich als eine Obergrenze für organische Materialien angesehen werden [15, 63]. Solch ho-he Beweglichkeiten, wie in einkristallinen anorganischo-hen Halbleitern, kann mit einem organi-schen hableitenden Material bei Raumtemperatur nicht erreicht werden. Hochleistungsbau-teile, die einer sehr hohen Schaltgeschwindigkeit und einer sehr großen Dichte an Transisto-ren bedürfen, können nicht mit org. TransistoTransisto-ren realisiert werden [15, 63, 214]. Organische Dünnschichttransistoren könnten allerdings in Flachbildschirmen, in so genannten AMFPDs (active matrix flat panel displays), in Form von so genannte. ‚Backpanel-Schaltkreisen’ zum Einsatz kommen, falls diese konkurrenzfähig zu bestehenden Technologien sind oder zu neuartigen Produkten (z.B. flexible Displays) führen. Dabei unterschiedet man AMLCDs (LC-Display: im Falle der Flüssigkristalle) und Aktivmatrix-OLED-Displays (AMOLEDD) [15, 61, 63, 212, 215]. Bis dato basieren die Transistoren, die für oben genannte Ansteuerung von OLEDs (s. Kap. 1.3.3) verwendet werden, auf einkristallinen [208], amorphen [216], aber zumeist auf polykristallinen [206, 207, 217] Silizium. Die Verwendung von org. Transistoren zur Ansteuerung von OLEDs wurde allerdings schon demonstriert [74].
Des Weiteren könnten organische Transistoren zu weiteren neuartigen (Nischen-)Produkten führen, falls sich diese durch eine kostengünstige Produktion realisieren lassen. Zu solchen integrierten oder komplementär logischen Schaltkreisen zählen Sensoren, Speicherkarten (Smart-Cards) mit geringer Performance und RFID-Tags (radio frequency identity tags) [15, 61,
63, 213, 218, 219].
Die Vorteile solcher Devices basieren, wie bei den OLEDs, auf der Verarbeitbarkeit organi-scher Materialien. So sind großflächige Beschichtungen bei niedrigen Prozesstemperaturen möglich [220]. Daher kann im Gegensatz zu a-Si:H, wobei zumeist Prozesstemperaturen von mehr als 350 °C [63] benötigt werden, OTFTs auch auf flexible Substraten hergestellt werden.
[61, 221-223]. Des Weiteren fokussiert sich ein Teil der Forschung auf verschiedene Druck-, Mol-ding- und Beschichtungsverfahren zur Herstellung billiger Massenelektronik [16, 220, 224-226]. Insbesondere bei den so genannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren ist dabei ein sehr hoher Durchsatz möglich. Beispielsweise könnte in einer modernen Druckanlage in ca. einer hal-ben Stunde (2*105 m2/h) dieselbe Fläche an org. Transistoren gedruckt werden wie dies der Jahresproduktion von Si-Wafern einer typischen Halbleiteranlage (~9*104 m2/a) entspricht
[227].
1.4.1 Aufbau und Funktionsprinzip von organischen Transistoren
Ein möglicher Aufbau eines organischen Transistors ist in Abb. 1.19 dargestellt. Weitere Möglichkeiten und deren Bezeichnungen finden sich in Kap. 6.2.1.
Ein typischer organischer Transistor besteht aus einer Drei-Elektroden-Anordnung, nämlich der Source-, der Drain- und der Gate-Elektrode. Der organische Halbleiter befindet sich da-bei zwischen der Source- und der Drain-Elektrode. Sowohl die Source- und Drain-Elektrode als auch der Halbleiter sind durch eine Isolatorschicht von der Gate-Elektrode getrennt [228].
Abb. 1.19 Aufbau eines organischer Transistors (hier mit einer Bottom-Gate-Konfiguration)
[60, 63]
Die Source-Elektrode ist i.a. geerdet, während an der Drain- und der Gate-Elektrode ver-schiedene Spannungen angelegt werden können [228, 229].
Legt man nur an der Drain-Elektrode eine Spannung an, fließt kein oder kaum ein Strom.
Das halbleitende Material verhält sich wie ein Widerstand (Resistor). Wird nun zusätzlich die Gate-Elektrode mit einer Spannung versorgt, dann beginnt ein Strom zu fließen. Dabei ge-langen durch das Anlegen einer Spannung an der Gate-Elektrode zusätzliche Ladungen in die org. Schicht. Der organische Halbleiter wird leitend. Dies wird als Feld-Effekt-Doping be-zeichnet [229, 230]. Ähnlich formuliert bedeutet dies, dass der Ausgangsleitwert gering ist. Unter dem Leitwert (conductance) versteht man den reziproken Widerstand (zwischen Source und Drain). Der sog. Gegenleitwert (Steilheit, Transconductance) entspricht dabei dem Verhältnis des Source-Drain-Stroms zur Gate-Spannung (bei konstanter Drain-Spannung). Ab einem hinreichend großem Gegenleitwertes fließt dann ein nennenswerter Strom. Aufgrund dieser wesentlichen Eigenheit wurde letztlich der ‚offizielle’ Name des Halbleiterbauteils (Transfer + Resistor = Transistor) abgeleitet.
1.4.2 Materialien Elektroden:
In einem typischen org. Transistor gibt es – im Gegensatz zu OLEDs - nur einen unipolaren Ladungstransport. Die bevorzugten Ladungsträger sind Löcher [229].
Demnach kommen als Elektroden Materialien mit einer hohen Austrittsarbeit in Frage. Insbe-sondere die Source- und Drain-Elektroden sollten optimale ohmsche Kontakte mit dem halb-leitenden Material bilden [229]. Zumeist werden daher Gold (~-5.3 eV) [229], Pd (~-5.1eV) [213]
oder PEDOT (~-5.2 eV) [223] verwendet. Letzteres hat den Vorteil, dass die Elektroden auch via Inket-Printing herstellbar sind [73]. Als Gate-Elektroden werden zumeist hochdotiertes Si
[229, 231, 232] und PEDOT [73] aber auch ITO [224, 233] und Ni [213] verwendet.
Substrat Isolator Drain
Gate
Source Organischer Halbleiter
Substrat Isolator Drain
Gate
Source Organischer Halbleiter
Isolatoren:
Die Isolatorschicht soll die Gate-Elektrode von der Halbleiterschicht und den weiteren Elekt-roden trennen. Ein wesentliches Kriterium für den Isolator beruht auf den Modellannahmen, wie sie für a-Si:H-Transistoren verwendet wird [234]. Die Shockley- bzw. ‚gradual channel’
Approximation führt dazu, dass die Länge L des Transistors wesentlich größer als Dicke des Isolators (wenige 100nm) sein muss [228]. Die Kapazität pro Fläche Ci des Dielektrikums da-gegen sollte hoch sein [228]. Bei hohen Gate-Spannungen muss dabei die Durchbruchfeld-stärke des Isolators berücksichtigt werden [16, 61].
Dabei können sowohl anorganische als auch organische Isolatoren verwendet werden.
Anorganische Isolatorschichten können beispielsweise aufgewachsene oder durch Sputter-verfahren hergestellte SiOx-Schichten [231, 232] oder AlOx [235] oder via chemische Gasphasen-prozesse hergestellte SiNx-Schichten [229] sein. Im Falle der Polymere können PMMA, Poly(p-hydroxystyrol) (PHS), oder Polyimide, wie z. B. das Kapton, zum Einsatz kommen. Des Wei-teren gilt es bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen aus Lösung zu beachten, dass die Isolatorschicht nicht angelöst wird. Dabei sind insbesondere die Polyimide, die aus löslichen polymeren Precursoren hergestellt werden, unlöslich. Das PHS besitzt aufgrund der polaren Hydroxygruppe eine deutliche andere Löslichkeit als die typischen apolaren Halbleiter. Eine verbesserte Performance des Transistors erhält man, wenn man das PHS durch Reaktion mit einem Melaminharz in ein Netzwerk überführt [236].
Abb.1.20 Polymere Isolatoren in organischen Transistoren [16]
Des Weiteren gilt zu beachten, dass die Oberflächenrauhigkeit des Isolators so gering wie möglich sein sollte [16]. Ebenso wesentlich ist, dass bewegliche ionische Verunreinigungen
[229] oder Dipolwechselwirkungen, die zu einem vermehrten Festhalten (‚Trapping’) der La-dungsträger führen, zu vermeiden sind. Häufig wird die Oberfläche der anorganischen Isola-toren mit OTS (Octadecyltrichlorosilan) hydrophobisiert [210, 235-237]. Bei hochgeordneten orga-nischen Halbleitern, wie dem Pentacen, führt dies auch zu einer günstigeren Ausrichtung des Halbleitermaterials auf der Oberfläche [235]. Daneben können auch apolare Polymere (mit einer geringen Dielektrizitiätskonstante), wie α-Methylstyrol oder Teflon (Polytetrafluorethy-len) zum Einsatz kommen [238, 239].
Halbleiter:
Der wesentlichste Parameter für den organischen Halbleiter ist die Beweglichkeit µFET. Einige Problempunkte bzgl. des Ladungstransportes in organischen Materialien wurden be-reits in Kap. 1.2 dargestellt. Zwar ist die Ladungsträgerbeweglichkeit eine spezifische Mate-rialkonstante, diese ist aber im starken Maße von der Morphologie bzw. der Ordnung des Material abhängig [63, 122]. Dabei kann man zu einem gewissen Grad beschreiben, wie die Verhältnisse in einem Einkristall und wie diese in einem amorphen Material aufzufassen
* *
O O
n
* *
OH
n
N N O
O O
O
* O n*
PMMA PHS KaptonTM
sind. Der Ladungstransport in morphologischen Zwischenzuständen, wie flüssigkristalline Phasen oder polykristalline Phasen, kann vollständig nur schwer beschrieben werden [122]. Die gängigsten Materialklassen sind hierbei die Acene, insbesondere das Pentacen, Oligo- bzw. Polythiophene, Thiophenderivate oder auch Triphenylaminoligomere.
Abb. 1.21 Gängige organische Halbleiter in organischen Transistoren; die angegebenen Werte zeigen die bis dato maximal erreichbaren Transistorbeweglichkeiten (Pentacen [213,
223], Polyalkylthiophen [74, 76], Poly(bisthiophen-co-alkylfluoren [240], Oligotriphenylamin [241]) Eine weiterführende Einteilung der Materialien und der Zusammenhang mit der Transistor-beweglichkeit werden in Kap. 4 und Kap. 5 geschildert.
1.4.3 Der Leitungskanal in organischen Transistoren
Die typische Betriebsart eines organischen Transistors ist der so genannte ‚accumulation-enhanced-mode’. Wird dabei ein Lochleiter als halbleitendes Material verwendet, werden die Drain- sowie die Gate-Elektrode mit einer negativen Spannung versorgt. Die wesentlichen Fälle sind dabei in Abb.1.22 dargestellt.
Abb. 1.22 Organischer Transistor unter Verwendung eines Lochleiters als halbleitendes Ma-terial bei verschiedenen angelegten Spannungen an den einzelnen Elektroden (S: Source, D: Drain; G: Gate; VG: Gate-Spannung; VD: Drain-Spannung): a) Ausbildung eines homoge-nen Leitungskanals; b) mit zunehmender Drain-Spannung wird die Besetzung des Leitungs-kanals inhomogen; dabei beginnt sich eine Verarmungszone auszubilden (gekrümmte Linie);
c) bei sehr großen Drain-Spannungen kann die Verarmungszone bis zur Source reichen (nach [229])
Legt man eine negative Spannung an der Gate-Elektrode an, dann ergibt sich eine Anreiche-rung der eigentlichen Majoritätsladungsträger (Löcher) nahe der Grenzfläche Isolator-Halbleiter [229]. Man mag sich hier der Vorstellung eines Plattenkondensators bedienen. Wird eine Platte mit Ladungsträgern geladen, so erhält man eine entsprechende Ladungsmenge - allerdings mit anderen Vorzeichen - auf der gegenüberliegenden Platte. Hierbei spricht man von der Ausbildung des homogenen Leitungskanals (s. Abb. 1.22a). In organischen Materia-lien mag dies vermutlich nur in ersten beiden Moleküllagen stattfinden [242]. Die zusätzlich induzierten Ladungen gelangen in diesem Fall durch die Source-Elektrode (und
Drain-* S *
Elektrode) in die organische Schicht. Zur leichteren Injektion sollten diese einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiter bilden. Die Löcher wandern dann zur Grenzfläche Isolator-Halbleiter [229].
Liegt des Weiteren eine negative Drain-Spannung an (s. Abb. 1.22b), dann bewegen sich die Löcher aufgrund des elektrischen Feldes in Richtung Drain, an der sie schließlich abfließen bzw. rekombinieren. Bei zunehmender negativer Drain-Spannung werden in der Nähe der Drain-Elektrode die Ladungen zunehmend abgesaugt. Dabei entsteht eine Verarmungszone an Löchern. Der Leitungskanal ist dabei inhomogen besetzt. Ist die Drain-Spannung so hoch, dass die Verarmungszone bis zur Source-Elektrode reicht, dann erhält man einen Sätti-gungsstrom (s. Abb. 1.22c). Bei einer zunehmenden Gate-Spannung bedarf es einer zu-nehmend höheren Drain-Spannung, bis der Sättigungsstrom erreicht wird (s. Kap.1.4.4 und Abb. 1.23).
Die hierfür wesentlichen physikalischen Zusammenhänge werden in Kap. 6.2 erläutert.
1.4.4 Strom-Spannungskennlinien und das On/Off-Verhältnis
Diese Gegebenheiten, wie in Abb. 1.22 dargestellt, kann man praktisch in den Strom-Spannungskennlinien beobachten (s. Abb. 1.23). Bei angelegter konstanter Gate-Spannung und steigender Drain-Spannung nimmt der Strom zunächst zu, bis dieser in einem Sätti-gungsbereich mündet. Die Auftragung wird als Outputcharakteristik bezeichnet (s. auch Kap.
6.2). Der erste Bereich wird als lineares Regime und der zweite als Sättigungsregime be-zeichnet. Aus beiden Regimes lässt sich die Beweglichkeit des Halbleiters berechnen [63].
Abb.1.23 Outputcharakteristik (ID gegen VD bei konst. VG in linearer Auftragung) eines orga-nischen Transistors auf der Basis von α,ω-Dihexylsexithiophen; die Steigung des linearen Regimes steigt mit höheren Gate-Spannungen, wobei jede der Kurven mit zunehmender Drain-Spannung in einen Sättigungsbereich übergeht; aus [15]
Aus der Abbildung mag man entnehmen, dass bei einer Gate-Spannung von 0 V nahezu kein Strom fließt. Die zunehmende Steigung bei zunehmender Gate-Spannung kann man auf den zunehmenden Feld-Effekt zurückführen. Dabei erkennt man auch, dass man eine größere Spannung an der Drain-Elektrode benötigt, bis der Sättigungsstrom erreicht wird (vergleiche. Abb. 1.22b und c). In einer logarithmischen Auftragung kann man dabei den Strom ID bei hochreinen Materialien zu wenigen pA bestimmen [15].
Wesentliches Kriterium eines organischen Transistors für eine Anwendung ist dessen On/Off-Verhältnis. Dieses ergibt sich aus dem Strom ID bei keiner angelegten Gate-Spannung (VG = 0 V; Off-Zustand) und bei einer beliebigen Gate-Spannung (z.B.: VG = -20 V;
On-Zustand) [229].
Die Drain-Spannung spielt dabei eher eine geringere Rolle (s. auch Kap. 6.2). In Abb.1.23 (nichtlogarithmische Auftragung!) wird sich ab VD = -5 V dieses Verhältnis nicht wesentlich verändern [15]. Die typischen Transistorspannungen während eines Betriebes werden aller-dings über 10 V liegen [229].
Für Anwendungen, sowohl im Displaybereich als auch für Speicherkarten, sollte das On/Off-Verhältnis vermutlich zwischen 106 und 108 betragen [16, 243].
Ein Zusammenhang zwischen den beiden wesentlichen Parametern, dem On/Off-Verhältnis, sowie der Beweglichkeit µFET kann folgendermaßen wiedergegeben werden:
Gl. 1.4
Mit µ: Transistorbeweglichkeit, σ: Leitfähigkeit; Ci: Kapazität des Isolators/Fläche, q: absolute Elektronenladung, NA: Ladungsträgerdichte, t: Schichtdicke des Halbleiters und VD: Drain-Spannung [228].
Wesentlicher Punkt der Gleichung ist das Verhältnis µ/σ. Demnach erhält man ein hohes On/Off-Verhältnis, falls das Material eine sehr hohe Beweglichkeit und zugleich eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzt. Doping des Halbleiters führt zwar zu einem Ansteigen der Be-weglichkeit, aber auch zu einem verhältnismäßig größerem Ansteigen der Leitfähigkeit [229]. Das On/Off-Verhältnis wird daher geringer [60, 229]. Dies bedeutet demnach, dass das verwen-dete Material eine hohe Reinheit besitzen muss.
Ebenso wesentlich für die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors ist die Kanallänge L. Die Länge entspricht dem Abstand zwischen der Source- und Drain-Elektrode, deren Distanz ein Ladungsträger überbrücken muss [61].
2 2 2
VD At qN
Ci Ioff
Ion
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
=⎛ σ µ