Organische Feldeffekttransistoren

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Organische Feldeffekttransistoren
Angewandte Physik SS04
Warum „Plastik-Elektronik“?
Funktionsweise des anorganischen Transistors
Organische Transistoren, Besonderheiten
Elektronik mit organischen Komponenten, Plastik-Chips
Herstellung von organischen Transistoren
Anwendungen
BTU Cottbus
Angewandte Physik - Sensorik
Art der Dotierung von Polymeren und Anwendungen
Organische Transistoren, Besonderheiten
Transistoraufbau
Gate
S
Isolation
S
HL
D
Isolation
D
Substrat (=Gate)
Substrat
„Top-Gate“
HL
„Bottom-Gate“
Zumindest das Halbleitermaterial ist organisch:
z.B. Poly(3-Hexylthiophen), Polyfluorene, Phthalocyanine
für die Charakterisierung der organischen Halbleiter oft verwendet:
Bottom-Gate“ Aufbau mit Si/SiO2 als Substrat/Isolation mit Goldelektroden
Ziel ist aber:
Vollorganisches System
Besonderheiten organischer Transistoren
UGS
Gate
Isolation
S
HL
D
Substrat
UDS
Stromkanal, durch
Feldeffekt erzeugt
Schematischer Querschnitt durch einen
organischen Transistor.
Typische Schichtdicken:
•Substrat z.B. Polyester): 100µm
•Elektroden: 40nm
•Halbleiter: 30-100nm
•Isolator: 300-1000nm
•bisher keine Inversion beobachtet
(Erzeugung eines n-Kanals in p-Halbleiter oder
umgekehrt)
•Schaltbetrieb im Anreicherungsmodus
•Ohne Gatespannung (VGS) fließt im Idealfall kein Strom
im organischen Halbleiter (HL undotiert).
•Gatespannung erzeugt Ladungsträger im
Kanal, also:
•„Akkumulation“ von Ladungsträgern
•Höhe des Stroms abhängig von:
•Gatespannung
•Ladungsträgerbeweglichkeit (Vergleich:
Si: 500cm2/Vs -Pentacen-Moleküle 2cm2/Vs,
Polymere10-4-0,1cm2/Vs)
•p-leitendende Polymere sind stabiler und
haben höhere Beweglichkeiten als n-Leiter
•organische Transistoren meistens vom p-Typ
•Ladungstransport bei organischen HL noch nicht
eindeutig geklärt. Ladungsträger (Löcher) bewegen
sich auf den Molekülen und müssen von Molekül
zu Molekül tunneln.
•Ladungsträgerbeweglichkeit geringer, auch abhängig
von Anordnung der Moleküle
keine Inversion, nur
Physik Journal 2 (2003), Nr.2,
Stärke des Kanalstroms:
ISD = µUDS/l2(QK0-CGK(UGS-UDS/2))
µ in der Sättigung:
ISD = µCGK (UGS - QK0/CGK)2/2l2
Schaltgeschwindigkeit f des Transistors:
abhängig von:
•Ladungsträgerbeweglichkeit µ
•Kanallänge l
f = µUDS/l2
Wichtige Kenndaten
On/Off-Verhältnis:
Bei organischen Transistoren:
abhängig vom Off“-Strom
d.H. Strom ohne Gatespannung
Steilheit
Änderung des Kanalstroms pro
Gatespannugnseinheit:
∂IDS/∂UG = -(µCiW/L)VDS
Stärke des Kanalstroms:
ISD = µUDS/l2(QK0-CGK(UGS-UDS/2))
in der Sättigung:
ISD = µCGK (UGS - QK0/CGK)2/2l2
Sättigung:
Sättigungsspannung US = UGS- QK0/CGK
Materialien
Physik Journal 2 (2003), Nr.2,
Materialien für
„All-organic“-Feldeffekttransistoren
Name
Chemisch
Eigenschaften
Verwendung
im FET
PEDOT
Poly(3,4-EthylenDioxy-thiophen),
dotiert mit PSS:
Polystyrolsulfonat
• Kann aus wässriger
• Als
Lösung abgeschieden
Gateelektrode
werden
• Source-drain• Ist quasimetallisch
Elektroden
Polypyrrol, dotiert
mit pTuluolsulfonsäure
(POPY-TOS)
• Quasimetallisch
• Polymerisierung
elektrochemisch
• PMMA
• P4VP Poly(4Vinylphenol)
• Polyimide
• Gateisolator
• hohe
Durchschlagsfestigkeit
• Als
Gateelektrode
Halbleitermaterialien für die „aktive Schicht“
warum „Plastik-Elektronik“?
Konventionelle Mikroelektronik beruht auf Einkristallen (Si, GaAs)
•Herstellungsverfahren relativ aufwendig
•z.B. Einkristallzüchtung, lithographische Prozesstechnik
Organische Mikroelektronik beruht auf halbleitenden Polymeren
•Herstellungsverfahren preisgünstig
•flüssig verarbeitbar (aus Lösungsmitteln)
•Schaltkreise durch Drucktechniken herstellbar
•aber: Ladungsträgerbeweglichkeiten in Polymeren langsamer,
geringere Schaltgeschwindigeit
•Lebensdauer ist ein Problem
Perspektiven der Plastikelektronik: in Bereichen, welche nicht von
Si-Elektronik abgedeckt werden:
•„low cost- low performance“ :
• z.B. flexible smart cards, Aktivmatrixdisplays,
•Anwendungen mit geringer Speicherdichte: Elektronische
Wasserzeichen, Barcodes
•für Einmalanwendungen: Biotechnologie, Sensorik
Elektronik mit organischen Komponenten, Plastik-Chips
Einfachste „integrierte“
Schaltung:
Inverter:
aus niedriger Eingangsspannung (Logisch 0)
wird hohe Ausgangsspannung (Logisch 1)
oder umgekehrt
Voraussetzungen für die Anwendung der Transistoren in integrierten Schaltungen:
•Eingangssignal muß verstärkt werden (mindestens Faktor 2)
•mit Ausgangssignal muß weiterer Inverter betrieben werden können
•unipolare und möglichst geringe Versorgungsspannung
•für low cost Anwendungen darf die Schaltung weder positive noch negative
Versorgungsspannungen benötigen
•Off-Strom (Gatespannung gleich 0) soll sehr gering sein (< 1nA/10Volt)
•Prozesstechnik für die Herstellung von „Vias“ , Verbindungen S-D-Ebene zur Gateebene
Ringoszillatoren aus organischem Material
Substrat: Polyesterfolie
Halbleiter: Polyalkylthiophen
S/D Elektroden und Gate : Gold, gesputtert, lithographisch strukturiert
aus: W. Clemens, W. Fix Physik Journal 2 (2003), Nr.2,
Herstellungsverfahren
Polymere Elektronik
Silizium-Elektronik
• Drucken
• Spin-Coating
• Belichten bzw. Drucken
• Tempern < 200 °C
• Spin-Coating
• Drucken
• Ätzen, Implantation
• Epitaxie
• Photolithographie
• Tempern bis zu 1150 °C
• Oxidation
• Metallisierung
Entwicklungsdauer für neue
Generation: etwa 1 Woche
„Rapid Prototyping“ -Siemens
Entwicklungsdauer für neue
Generation: mindestens 2 Monate
Drucktechniken
Ziel: Schaltkreise gedruckt wie eine Zeichnung
Siebdruck
+ schnell
+ große Flächen
+ Ebenenjustierung möglich
- Dickschichttechnologie (einige 100 nm)
Tintenstrahldruck
+ leicht anwendbar
- Ebenenjustierung schwierig
Vorteilhaft für polymere LEDs
Anwendungen als :
• billige Datenspeicher mit geringen Sicherheitsanforderungen
• dünne biegsame Schaltkreise
• Einwegelektronik (z.B. in Medizin)
• Massenprodukte mit niedriger Leistungsfähigkeit
• Integration von Elektronik und Displays auf Folie
• Gassensorsysteme auf Polypyrrolbasis
Plotten
+ leicht anwendbar
+ große Flächen möglich
+ Ebenenjustierung möglich
Organische Transistoren in Billigsttechnologie
Richtung der Plotterbewegung
Low-cost-Präparation:
Graphit-Elektroden mit PlotVerfahren
500 µm
kolloidaler Graphit
erlaubt Auflösung von 20+ 10µm
(für einfache S/D-Strukturen)
Leitfähigkeit Graphit ~ 10S/cm
Carbon
Graphit-Leiterbahn
Substrat, flexible Polystyrol-Folie
PEDOT 5 µm
x1000
Isolation: PMMA, Novolack ~ 1µm
Channel
10 µ m
Kapillare
Graphit ~0,5µm
Carbon
P3HT
Graphit ~0,5µm
Polystyrol-Substrat
Transistoraufbau
BTU
COTTBUS
Angewandte Physik - Sensorik
Graphit oder Leitruß?
Graphit
Ruß
Leitruß
Graphit
[10 S/cm]
Degussa
[1 S/cm]
Kanal: 50µm
Carbon
Kanal: 50µm
x1000
Channel
10 µ m
Carbon
REM
• Körnung Graphit: 90% < 1µm
• Körnung Leitruss: 20 nm
(Durchschnitt)
BTU
COTTBUS
REM
• Glattere Oberfläche
• definiertere Grenze KanalElektrode
Angewandte Physik - Sensorik
Feldeffekttransistoren, elektronische Charakteristik (für Graphit)
um Nullstrom korrigierte Kennlinien
700
600
Probe A
0
10
Wurzel (Isd bei Vsd=Vgate)
800
0V
- 10V
- 20V
- 30V
- 40V
Strom [-nA]
Strom [µA]
Ausgangskennlinien
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
20
30
40
500
-40 V
24
20
16
-30 V
12
8
8
400
12 16 20 24 28 32 36 40
Vsd=Vgate
-20 V
300
200
-10 V
100
50
Korrektur um Nullstrom:
Horowitz et.al, J.Appl.
Phys. 67 (1990), 528
S
Probe A
0
0
10
20
30
40
PEDOT
PMMA
P3HT
Substrat
50
Drain-Source-Spannung [-V]
Spannung [V]
Übertragungskennlinien, I1/2 bei Uds=Ugate
[ISD bei
VSD=VGate]
0.0030
Kennlinienfeld entspricht der
Feldeffektcharakteristik gemäß
Probe A
Probe B
Probe C
0.0025
0.0020
Isd = (µ/l2)Uds(Q-C(Ugate-Uds/2))
0.0015
aber:
Hoher Nullstrom (Ugate=0 V)
Wurzel
0.0010
0.0005
0.0000
0
10
20
VSD=VGate
30
40
D
Andere Ansätze für All-Organic-FETs
z.B. Kowalsky et al. Mat.Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 796, 2003
Mikrostrukturierung von OFETs durch selektive Elektropolymerisation von PEDOT/PSS
Präparation:
•Strukturierung der Anode durch
lithographischen Prozeß
•Elektropolymerisation von
Poly(3,4-ethylendioxythiophen) PEDOT
mit Poly(styren sulfonat) PSS als Dotant
•Beschichtung mit Polyimid-Film
•Film wird von Anode abgenommen
•Anode kann wiederverwendet werden
•Beschichtung mit Pentacen als Halbleiter
durch Bedampfen
•Polyvinyl-Alokohol und ammoniumdichromat als Gateisolation
•PEDOT als Gate
Querschnitt der vorstrukturierten Anode
Kathode
(Platin)
3 Volt
Anode
+
PEDOT und PSS (5:1 mol)
in Acetonitril: Wasser-Lösung 1:1
Aufbau der FET-Struktur
Kennlinien
Ausgangskennlinie
Übertragungskennlinie
Kennlinien für die im Elektropolymerisationsverfahren hergestellten Transisoren:
Filmdicke der jeweiligen „Schichten“:
Substrat aus Polyimid: 2µm; Halbleiter aus Pentacen: 25nm; PV-OH als
Dielektrikum: 0,6mm; PEDOT/PSS Gate: 0,2µm
Anwendungen
Polymere Elektronik: komplementär zur Siliziumtechnologie
ihre Vorteile:
•niedrige Kosten (Einwegelektronik)
•Substrate sind flexibel (kann auf Plastikfolie integriert werden)
•kurze Entwicklungszeiten (Design am Computer-gedruckt wie Zeitung)
zum Beispiel:
•Billige Datenspeicher mit geringen Sicherheitsanforderungen
•Dünne biegsame Schaltkreise
•Einwegelektronik
•Massenprodukte mit geringer Leistungsfähigkeit
•Integration von Elektronik von Displays auf Folie
•Integration von Schaltkreis und Packaging-Technologie
Systemanwendungen für Low-Cost Polymerschaltkreise
• Ersatz des Barcodes, Elektronische Diebstahlssicherungssysteme,
„intelligente Verpackung“, tragbare Elektronik („wearable electronics“)
in Kleidung, Anwendungen in der Logistik, Elektronisches Ticket
Speicherung eines einfachen Codes mit
Funketiketten: ohne eigene Energieversorgung (Passiv), Speicherung
von Information und Auslesevorgang möglich.
• Integrierte Steuerung von Sensoren und Aktoren
Medizinische Einwegprodukte
mit umweltfreundlicher Entsorgung
• Sensorsysteme
Gasssensoren auf Polyprrolbasis
Sensoren auf der Basis von Feldeffekttransistoren
Id
Chemisch sensitive Feldeffekttransistoren
(ChemOFET)
Verstärkung
nA-uA
Transistorlayout:
• Top-Gate
U G=0
• Verstärkung: nA- µA
• Mehrere Wechselwirkungsmechanismen separierbar
U G=0
S/D-Spannung U
in der Sättigung:
ISD = WCox µ(VGS - VT)2/2L
Änderung in Cox , µ, VT möglich
VT ∞ VFB = φ - Qss/Cox - Qox/Cox
φ : Austrittsarbeitsdifferenz Gate und Bulkhalbleiter
Qss : Oberflächenladungen des Halbleiters
Qox : Ladungen im Isolator
d
Arbeitspunkte V D
Id
mehrere Arbeitspunkte - verschiedene Wechselwirkungsmechanismen:
Auswertung mit neuronalen
Netzen möglich
S/D - Spannung U
U G= const
D
Stärke des Sensorsignals
Anlagerung von n Molekülen (pro Flächeneinheit) mit dem Dipolmoment p
an der Grenzfläche Gatemetall/Gateisolator
bewirkt
Veränderung der Threshold-Spannung VT = VT0 - ∆V um
∆V= np/εεo in Volt
(nach Göpel et. al. 1993)
(εo Dieelektrizitätskonstante)
durch Veränderung der effektiven Austrittsarbeit (des Gatemetalls an der Grenze
Metall/Isolator)
n= (0,5 nm)-2; p = 0,316 Debye
für NO2 ergeben sich die folgenden Werte:
∆V=400mV
(entspricht vollständiger Belegung!)
Bei Messgenauigkeit von ∆V=10mV liegt Messgenauigkeit im ppm-Bereich
damit
NO2 ergibt Frequenzverschiebung von
Schwingquarzen mit Polypyrroltosylatelektroden
bei verschiedenen NO2-Gehalten.
Gestrichelt: Fit mit Langmuir-Isotherme
Θ=Kx/(1+Kx) (Gleichgewichtskonstante K der
Adsorption: 2,5x104, daraus –dGads= 25 kJ/mol)
Frequenzverschiebung [Hz]
60
QMB mit Polypyrrol-Elektroden
50
40
30
Messwerte
angepasst mit
∆ f = 70 * 0.025*ppm
(1+0.025*ppm)
20
10
Henkel et al., Cottbus 2000
0
0
20
40
60
80
100
Konzentration NO2 in N2 [ppm] 50 sccm N2, 25 °C
Molekularbiologischer Ansatz
Anlagerung von Mikroorganismus
(Modellsystem Helicobacter Pylori)
auf der Gateoberfläche
Kategorien von Gensonden:
1. Immonologische Sonden: Antikörper
an Zellwandstrukturen des Mikroorganismus
mit Hilfe von
„Gensonden“
zu Zielstruktur--Sonden-Komplexen
2. Genetische Sonden: DNA-Stränge, die
komplementär zu bestimmten DNA-Sequenzen des Mikroorganismus sind
Nachweis des Zielstruktur-Sonden-
Komplexes
• Änderung des Dipolmoments
• Verschiebung der Transistorkennlinie
durch Transistor
Vorteile beim Einsatz organischer Feldeffekktransistoren
in der Biosensorik
•Elektronische Verstärkung des Messsignals (Faktor 1000) im Transistor
•die Messung könnte direkt, also „online“ erfolgen
•die Komponenten eines organischen Transistors sind billiger als Einkristalle
•die chemischen und elektronischen Eigenschaften lassen sich durch Funktionalisierung gezielt einstellen
Zusammenfassung der sich aus dem Stand der Forschung
ergebenden Schwerpunkte
Material
• Neue Materialien
• Blends
Polymerchemiker
• Wechselwirkung
• Grenzflächen
Physiker
• Charakterisierung
Schaltkreistechnologen
Bauelement und Technologie
• Mehrebenenstrukturierung („Vias“)
• Dotierung (komplementär p-n)
• Flexible Substrate
• Low-Cost
• Integration von Leitbahnen,
Widerständen und passiven
Elementen
Physikalische Grundlagen
• Mechanismus des Feldeffektes
• Ladungstransport
• Austrittsarbeit
• Rekombination/Generation
Anwendungen
• Simulation des elektrischen
Verhaltens
• Simulation von SystemanwendungenPhotolithographie
Zusammenfassung/Ausblick
•Organische Transistoren arbeiten im Anreicherungsmodus
•bisher keine Inversion
•Organische Halbleiter sowohl p- als auch n- leitend
•Mikroelektronik ist möglich
•Einsatzgebiete dort, wo sie Si-Elektronik ersetzt:
• Low cost-low performance- Bereich
Anwendungen mit geringer Speicherdichte
bzw. kurzen Einsatzzeiten wie:
elektronische Wasserzeichen, Transponder oder Barcodes
•Mit Perspektiven in der Biosensorik
•Medizintechnik
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