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
