Prozesstechnik für
organische Feldeffekt Transistoren:
Kontakte, Dielektrika
und Oberflächenpassivierungen
Zur Erlangung des akademischen Grades
DOKTORINGENIEUR (Dr.-Ing.)
der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik
der Universität Paderborn
vorgelegte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Christoph Pannemann
aus Paderborn
Referent: Prof. Dr.-Ing. U. Hilleringmann
Korreferent: Prof. Dr. V. Wagner
Tag der mündlichen Prüfung: 29. September 2006
Paderborn, den 1. November 2006
Diss. 14/224
ii
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ix
Tabellenverzeichnis x
1 Einleitung 1
1.1 Organische Halbleiter in Leuchtdioden und Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Der organische Feldeffekt Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Grundlagen 6
2.1 Elektronische Grundlagen organischer Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Das Bändermodell organischer Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Das elektrische Verhalten des organischen Feldeffekt Transistors . . . . . . . . . 10
2.3 Das organische Halbleitermaterial Pentacen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Vor- und Nachteile organischer Halbleitermaterialien . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Abschätzung des Entwicklungspotenzials organischer Bauelemente . . . . . . . . 19
3 Schichtherstellung und Transistoraufbau 22
3.1 Substrat........................................ 24
3.2 Dielektrikum ..................................... 25
3.3 Drain- und Source-Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 DerorganischeHalbleiter............................... 30
3.5 Prozessabfolge zur Herstellung von OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Elektrische Charakterisierung 37
4.1 Einfluss des Dielektrikums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
iii
INHALTSVERZEICHNIS
4.1.1 Thermisch gewachsenes SiO2........................ 39
4.1.2 TEOS ..................................... 43
4.1.3 Si3N4..................................... 45
4.1.4 LTO...................................... 47
4.1.5 PECVD .................................... 49
4.1.6 Ta2O5..................................... 51
4.1.7 Zusammenfassung............................... 52
4.2 Einfluss der Aufdampfbedingungen auf die Morphologie der organischen Schicht 53
4.2.1 Schichtdicke.................................. 54
4.3 Reinheit des organischen Halbleitermaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Einfluss der Drain- und Source-Kontakte auf die Transistoreigenschaften . . . . 58
4.4.1 Einfluss des Kontaktmetalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.2 Strukturierung der Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.3 Kontaktwiderstand .............................. 63
4.5 Skalierbarkeit ..................................... 65
4.6 Modellbildung mit Hilfe der MOS-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 Alterungsuntersuchungen 72
5.1 Alterung unter Laborbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Fraktionierung der Alterungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.1 Sauerstoff ................................... 75
5.2.2 Einfluss ausgewählter Laborgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2.3 Luftfeuchtigkeit................................ 82
5.3 Kapselungsversuche.................................. 85
6 Aufbau logischer Schaltungen 93
6.1 Inverter ........................................ 93
6.2 Layout1........................................ 94
6.3 Layout2........................................ 96
7 Zusammenfassung 99
iv
INHALTSVERZEICHNIS
7.1 Ausblick........................................101
Literaturverzeichnis 102
A A
A.1 ReinigungA...................................... A
A.2 ReinigungC...................................... A
Index C
v
Abbildungsverzeichnis
1.1 Preis-FrequenzDiagramm.............................. 2
1.2 Querschnitt durch eine organische Leuchtdiode/Solarzelle . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Aufrollbares Display auf flexiblem Kunststoffsubstrat . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Der organische Feldeffekt Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Der organische Feldeffekt Transistor mit isolierter Gate-Elektrode . . . . . . . . 5
2.1 Die sp2-Hybridisierung der Bindungsorbitale des Benzols . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 DieMesomeriedesBenzols.............................. 7
2.3 Lage von HOMO und LUMO des Pentacens, relativ zum Vakuumniveau . . . . 8
2.4 DieBandstrukturderAcene............................. 8
2.5 Struktur des organischen n-Halbleiters C60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Das Bandmodell organischer Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7 Ermittlung der Schwellenspannung durch Extrapolation aus der Eingangskennlinie 14
2.8 Das organische Molekül Pentacen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.9 Abhängigkeit der Ordnung im organischen Kristall von der Substrattemperatur
währendderAbscheidung .............................. 17
2.10Pentacen-Chinon ................................... 18
2.11 Alterung durch Wassermoleküle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 DiePlanartechnologie................................. 23
3.2 DiethermischeOxidation .............................. 24
3.3 Wachstum von Pentacen auf Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Drain- und Source-Kontakte in Corbino-Typ Anordnung . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Umwandlung eines Pentacen-Precursors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
vi
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
3.6 Abfolge der Prozessschritte zur Herstellung eines OFETs . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Abfolge der Prozessschritte zur Herstellung eines OFETs mit isoliertem Gate-
Kontakt ........................................ 36
4.1 Aus- und Eingangskennlinie eines OFETs mit SiO2als Dielektrikum . . . . . . . 39
4.2 AFM-Untersuchung des Pentacen-Wachstums auf SiO2und Gold . . . . . . . . 40
4.3 Ausgangskennlinienfeld eines OFETs, gereinigt mit einem Sauerstoff-Plasma vor
derPentacenBeschichtung.............................. 41
4.4 AFM-Charakterisierung der Oberfläche des Pentacens . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5 AFM-Charakterisierung der Oberfläche des Pentacens im Transistorkanal . . . . 43
4.6 Aus- und Eingangskennlinie eines OFETs mit TEOS als Dielektrikum . . . . . . 44
4.7 Aus- und Eingangskennlinien eines OFETs mit Si3N4als Dielektrikum . . . . . 46
4.8 Aus- und Eingangskennlinien von OFETs mit LTO als Dielektrikum . . . . . . . 48
4.9 Oxiddurchbruch durch hohe Spannungsbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.10 Aus- und Eingangskennlinie eines OFETs mit einer Doppelschicht aus LTO und
PECVD-Oxid als Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.11 Aus- und Eingangskennlinie eines OFETs mit Ta2O5als Dielektrikum . . . . . . 52
4.12 Verteilung der maximalen Drain-Source-Ströme sowie der Schwellenspannungen
bei einer Pentacen-Schichtdicke von 30 nm ..................... 55
4.13 Verteilung der maximalen Drain-Source-Ströme sowie der Schwellenspannungen
bei einer Pentacen-Schichtdicke von 20 nm ..................... 56
4.14 Aus- und Eingangskennlinie eines OFETs mit aufgereinigtem Pentacen . . . . . 58
4.15 Vergleich der Ausgangskennlinienfelder zwischen einem OFET mit Nickel-Kontakten
und einem OFET mit Nickel-Gold-Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.16 Vergleich der Ausgangskennlinienfelder zwischen einem OFET mit Titan-Gold-
Kontakten und einem OFET mit Nickel-Gold-Kontakten . . . . . . . . . . . . . 60
4.17 Metall-Halbleiter-Kontakt mit Titan-Haftschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.18 Strukturierung der Drain- und Source-Kontakte durch Ätzen oder Lift-off . . . . 61
4.19 REM-Aufnahme Lift-off strukturierter Drain- und Source-Kontakte . . . . . . . 62
4.20 Strukturierung der Drain- und Source-Kontakte mittels Lift-off . . . . . . . . . . 63
4.21 Bestimmung des Kontaktwiderstands und der effektiven Kanallänge . . . . . . . 64
4.22 Self-assembled-monolayer Behandlung der Drain- und Source-Kontakte / Aus-
gangskennlinienfeld eines mit Anthracenthiol behandelten OFETs . . . . . . . . 65
vii
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
4.23 Längenabhängigkeit der Transistorparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.24 Weitenabhängigkeit der Transistorparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.25 Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes eines OFETs mit Nickel-Gold Kon-
takten ......................................... 70
4.26 Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes eines OFETs mit Anthracenthiol be-
handelten Nickel-Gold Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1 Einfluss der Lagerung unter Laborbedingungen auf die Ein- und Ausgangskenn-
linie eines ungekapselten OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Verhalten des Sättigungsstroms bei VGS =−40 Vwährend der Alterung über
neunMonate ..................................... 74
5.3 Gebondeter OFET auf der Mess-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.4 Einfluss von Sauerstoff auf die Ein- und Ausgangskennlinie eines OFETs . . . . 76
5.5 Pentacen-Chinon ................................... 77
5.6 Verhalten des Sättigungsstroms bei VGS =−40 Vund VDS =−40 Vnach Expo-
sition an Stickstoff bzw. Sauerstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.7 Verhalten des Sättigungsstroms bei VGS =−40 Vund VDS =−40 Vnach Expo-
sition an trockenem Stickstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Laborluft . . . . . . . . 81
5.8 Schwellenspannungsverschiebung in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit . . . 82
5.9 Verhalten charakteristischer Transistorkenndaten im Temper-Versuch . . . . . . 84
5.10 Thermisch erzeugter ’dangling bond’ am Pentacen . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.11PTFEgekapselterOFET............................... 86
5.12 Einfluss der Beschichtung eines OFETs mit 20 nm dünnem PTFE auf die Tran-
sistorparameter .................................... 87
5.13 Mikroskopaufnahme eines OFETs mit ’interdigital strukturierten’ Kontakten . . 88
5.14 Aus- und Eingangskennlinie eines OFET mit ’interdigital strukturierten’ Kontakten 89
5.15 Alterung eines ’interdigital strukturierten’ OFETs mit PTFE-Kapselungsschicht 90
5.16 Kontaktpad und Leiterbahn, z.T. mit PTFE bedeckt, nach vier Monaten Alterung 91
6.1 Aufbau einer Inverterschaltung, Layout 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 Inverterkennlinie, Layout 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3 Inverter,Layout1................................... 96
6.4 Inverter,Layout2 ................................... 96
viii
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
6.5 Inverterkennlinie, Layout 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
ix
Tabellenverzeichnis
4.1 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Charakterisierung der Dielektrika . . . . . 53
5.1 Degradation der elektrischen Transistorparameter eines ungekapselten OFETs . 74
5.2 Schwellenspannungswerte in Abhängigkeit verschiedener Drücke und Laborgase . 80
5.3 Degradation der elektrischen Transistorparameter eines OFETs mit
PTFE-Kapselung................................... 90
x
Kapitel 1
Einleitung
Nach der Entdeckung halbleitender Eigenschaften in organischen Filmen zum Ende der 60’er
Jahre des vergangenen Jahrhunderts wurden organische Halbleiter eher stiefmütterlich behan-
delt. Leistungsfähige mikroelektronische Schaltungen konnten mit der Siliziumtechnologie be-
reits seit Jahren hoch reproduzierbar und vergleichsweise preiswert hergestellt werden. Erst in
den 90’er Jahren, als die Verbreitung mikroelektronischer Schaltungen im Alltagsgebrauch der
Menschen wuchs, wurde das Interesse an organischen Halbleitern größer. Spätestens im Jahr
2000 mit der Verleihung des Nobelpreises in Chemie an Alan Heeger und seine Kollegen fand
auch die breite Öffentlichkeit Interesse an den neuartigen Halbleitern und ihren Möglichkeiten.
Inzwischen waren siliziumbasierte Schaltungen mit ihren Schaltgeschwindigkeiten in immer neue
Dimensionen vorgestoßen, der durch den aufwändigen Herstellungsprozess bedingte Preis blieb
jedoch konstant.
Parallel zur Weiterentwicklung der Siliziumtechnologie ist allerdings der Bedarf an preiswer-
ten Schaltkreisen für einfachste Anwendungen in Spielzeugen oder zur Einmalverwendung, bei-
spielsweise in der Medizin oder für Funketiketten in Handel und Logistik, stark angestiegen. Die
von den anorganischen Schaltungen bei der Entwicklung zu immer schnelleren Taktfrequenzen
hinterlassene Lücke im Niedrigpreissegment soll nun von den organischen Halbleitermaterialien
geschlossen werden (siehe Abbildung 1.1).
Zwar sind die Schaltfrequenzen organischer Bauelemente heute noch vergleichsweise gering, ein-
fache Anwendungen mit geringem Rechen- und Speicheraufwand lassen sich in naher Zukunft
jedoch realisieren. Viele dieser Anwendungen werden heute alleine aus Kostengründen nicht in
Siliziumtechnologie realisiert, preiswertere Schaltkreise würden der Technik jedoch zum Durch-
bruch verhelfen. Als Beispiel kann hierfür das ’Radio-Frequency-Identification-Tag’(RFID-Tag)
genannt werden. Ein funkauslesbarer Speicher für Warenbestimmung und -preis könnte die heu-
te üblichen Strichcodes auf der Handelsware in Zukunft vollständig ersetzen und deren Funktion
erweitern. Schon heute werden in der Waren-Logistik Funketiketten zur Ortung und Verfolgung
von Warenpaletten eingesetzt. Da jedoch heute zum größten Teil noch Siliziumchips verwendet
werden, ist der Preis für ein einzelnes RFID-Tag so hoch, dass sich ein Einsatz in Einweg-
Etiketten, z.B. direkt auf der Ware, aus wirtschaftlichen Gründen nicht lohnt. Hier könnten
organische Bauelemente in naher Zukunft zum Einsatz kommen.
Die Vorteile organischer Halbleitermaterialien liegen zum einen in der preiswerten Herstellung
durch die chemische Industrie im großen Maßstab, was den Preis des Ausgangsmaterials gering
1
1.1. ORGANISCHE HALBLEITER IN LEUCHTDIODEN UND SOLARZELLEN
Kosten/Chip
Schalt-
Frequenz
Silizium-
Germanium
Silizium
Organik
Gallium-Arsenid
Abbildung 1.1: Während Germanium- und Silizium-Halbleiterbauelemente immer neue Schalt-
frequenzbereiche erobern, eröffnet sich im unteren Preis- und Leistungssegment eine Lücke für
organische Halbleiterbauelemente
hält. Zusätzlich eröffnen sich durch die Verwendung organischer Halbleitermaterialien grund-
sätzlich neue Produktionsverfahren für mikroelektronische Schaltungen. Durch die speziellen
charakteristischen Eigenschaften der einzelnen Molekültypen lassen sich z.B. die Temperatur-
stabilität so genannter ’small molecules’ oder die Löslichkeit von Polymeren in Lösungsmitteln
bei der Herstellung dünner Filme ausnutzen. Je nach Molekültyp lassen sich damit dünne
halbleitende Schichten durch thermisches Verdampfen bzw. Spin-coaten, Tintenstrahl- oder
offset-Drucken [1][2][3] herstellen. Prinzipiell eignet sich jedes dieser Verfahren zur großflächi-
gen Deposition dünner organischer Filme.
Durch die damit verbundene Unabhängigkeit vom Silizium als alleinigen Ausgangsmaterial für
die Mikroelektronik ist die Verwendbarkeit flexibler Substratmaterialien statt der bislang be-
nutzten starren Silizium-Wafer denkbar [4]. Dünne Kunststofffolien könnten als Basismaterial
eingesetzt werden [5] und würden Druckprozesse im so genannten ’Rolle-zu-Rolle’ Verfahren
erlauben. Bei Anwendung eines geeigneten Druckprozesses ließe sich die Weltjahresprodukti-
on mikrosystemtechnisch in Siliziumplanartechnik gefertigter Transistoren in wenigen Tagen in
gleicher Stückzahl als organische Feldeffekt Transistoren (OFET) mit einer einzelnen Druckan-
lage bewältigen [6].
1.1 Organische Halbleiter in Leuchtdioden und Solarzellen
Wie in der anorganischen Halbleitertechnologie können mit organischen Halbleitern in Abhän-
gigkeit von der elektronischen Bandlücke fotoelektrische Wandler als organische Leuchtdioden
(OLED) oder Solarzellen, sowie elektronische Schalter als Transistoren gefertigt werden.
OLEDs und Solarzellen lassen sich durch aufeinander folgendes thermisches Verdampfen oder
Spin-Coaten p- und n-leitender Materialien auf ein meist transparentes Substrat, wie z.B. ein
mit Indium-Zinnoxid beschichtetes Quarzglas herstellen (siehe Abbildung 1.2). Als halbleitende
Materialien eignen sich in Solarzellen als p-Leiter das Polymer PPV oder das kleine Molekül
2
1.1. ORGANISCHE HALBLEITER IN LEUCHTDIODEN UND SOLARZELLEN
Zink-Phtalocyanin, als n-Leiter kommt das thermisch verdampfbare Fulleren C60 in Frage. Um
die Oberfläche des p-n-Übergangs zu vergrößern, bietet es sich an, eine Mischschicht aus p- und
n-leitenden Materialien herzustellen [7]. Der Wirkungsgrad der Solarzellen hängt von der Anzahl
der generierten Elektronen-Loch-Paare in Relation zur gesamten absorbierten Photonen-Zahl
ab und liegt heute bei bis zu 3,5% [8]. Er steigt mit der Dicke der p-n-Übergangsschicht, da nur
hier durch Photonen-Wirkung Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden können. Jedoch wirkt
eine dicke organische Schicht auch dem Wirkungsgrad entgegen, da mit größerer Schichtdicke
die Anzahl der rekombinierenden Ladungsträger beim Transport zu den in diesem Fall weiter
entfernten Kontakten steigt.
Der spektrale empfindliche Bereich einer Solarzelle hängt von der Wahl des verwendeten Aus-
gangsmaterials und dessen Bandlücke ab [9]. Denkbar ist, zukünftig für eine breite spektrale
Absorption Materialien mit entsprechenden elektronischen Eigenschaften zu entwickeln. Mög-
liche Einsatzgebiete für organische Solarzellen sind für bisher verwendete Solarpanele unwirt-
schaftliche geografische Regionen und Gebäudeseiten oder leichte ausrollbare Solarmodule für
Weltraumsonden und Satelliten. Hier wurden bisher störungsanfällige Klappmechanismen für
die starren Solarpanele eingesetzt.
Abbildung 1.2: Sowohl die organische Leuchtdiode (a) als auch die organische Solarzelle (b) ba-
sieren auf einer Heteroverbindung aus p- und n-leitenden organischen Halbleitern. ETL bezeichnet
in dieser Abbildung die ’electron transport layer’, HTL die ’hole transport layer’ und EML die
’emission layer’ (Nach [8])
Das Funktionsprinzip der OLEDs basiert auf der Umkehrung des fotoelektrischen Effekts der
Solarzellen. Hier werden Elektronen-Loch-Paare in einen p-n-Übergang injiziert, so dass es zur
Rekombination des Ladungsträgerpaares unter Aussendung eines Photons kommt (siehe Abbil-
dung 1.2). Die Wahl des Materials und damit der Bandlücke bestimmt die Farbe des ausgesand-
ten Lichts [10]. Gegenüber heutigen TFT-Displays verzichten OLED-basierende Anzeigen auf
eine Hintergrundbeleuchtung. Die selbstleuchtenden Elemente weisen hohe Betrachtungswinkel
von nahezu 180◦auf. Auch OLEDs lassen sich wie alle organischen Bauelemente auf flexiblen
Substratmaterialien fertigen, was neuartigen Anwendungen, wie aufrollbaren Displays, den Weg
ebnet (siehe Abbildung 1.3). Als Vorreiter der organischen Halbleiterbauelemente finden schon
heute OLEDs in monochromen Anzeigen und Beleuchtungen, aber auch als RGB-Modul in
Kleinbildschirmen von Autoradios und Digitalkameras Anwendung.
3
1.2. DER ORGANISCHE FELDEFFEKT TRANSISTOR
Abbildung 1.3: Gemeinsam mit OFETs als Treiberelement lassen sich OLEDs als Pixel-Bausteine
in aufrollbaren Displays auf einem flexiblen Substrat integrieren
1.2 Der organische Feldeffekt Transistor
Neben biegsamen Leuchtdioden sind zur Verwirklichung aufrollbarer Displays auch flexible
Schaltelemente zur Ansteuerung der Pixel notwendig [11] [12] [13]. Für organische Transistoren
wird bislang das Prinzip des Feldeffekt Transistors favorisiert. Über eine Steuer-Elektrode, das
so genannte Gate wird mittels einer angelegten Spannung die Ladungsträgerkonzentration im
Halbleiter beeinflusst. So kann über die Gate-Source-Spannung der Stromfluss zwischen der
Drain- und Source-Elektrode gesteuert werden (siehe Abbildung 1.4).
Pentacen als p-leitender Halbleiter wird im Anreichungsmodus betrieben, indem eine negative
Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird. Dann werden die Löcher aus dem Pentacen-Film
an der Grenzfläche zum Dielektrikum gesammelt und es bildet sich ein leitfähiger Ladungsträger-
Kanal zwischen Drain- und Source-Kontakt aus [14]. Da organische Filme in der Regel eine sehr
geringe Zahl freier Ladungsträger besitzen, müssen auch beim Pentacen für den Transistorbe-
trieb zusätzlich Ladungsträger aus dem Source-Kontakt in den Kanal fließen. Im Vergleich zur
Siliziumtechnologie werden zum Betrieb der OFET heute noch hohe Spannungen bis zu 80V
benötigt. Dies liegt an der noch geringen Ladungsträgerbeweglichkeit im organischen Halbleiter,
die heute vergleichbar mit der von amorphem Silizium ist [15] [16]. Die Ladungsträgerbeweg-
lichkeit hängt unter anderem stark von der Morphologie der organischen Schicht ab (siehe
Abschnitt 2.3). Eine ungeordnete Pentacen-Schicht verhindert eine hohe Ladungsträgerbeweg-
lichkeit, da der Transport der Ladungsträger von Molekül zu Molekül durch einen geringen
Molekülorbitalüberlapp behindert wird. Hohe Beweglichkeiten werden nur in hoch geordneten
Filmen und Einkristallen erzielt. Eine Senkung der erforderlichen Gate-Source-Spannung wä-
re denkbar durch den Einsatz von Isolatoren mit großer Dielektrizitätszahl, wie beispielsweise
Tantalpentoxid (εr≈23), oder die Senkung der Dicke des Dielektrikums im Gate-Bereich.
Durch Verwendung eines Haftvermittlers kann auf das Wachstum der Pentacen-Schicht wäh-
rend des thermischen Verdampfens eingewirkt werden. Haftvermittler, wie beispielsweise das
Octadecyltrichlorsilan, begünstigen eine hohe Ordnung im organischen Film.
4
1.2. DER ORGANISCHE FELDEFFEKT TRANSISTOR
Si
SiO2
Kontaktmaterial: Au/Ni
Pentacen
Abbildung 1.4: Der organische Feldeffekt Transistor
Im einfachen experimentellen Aufbau wird oft auf die Strukturierung einer metallischen Elektro-
de verzichtet und stattdessen der hochdotierte Silizium-Wafer sowohl als Substrat, als auch als
gemeinsames Gate für alle Transistoren auf der Scheibe verwendet (siehe Abbildung 1.4) [8]. Da
zur Charakterisierung jeweils nur ein einzelner Transistor mittels Drain und Source kontaktiert
wird, können Wechselwirkungen zwischen benachbarten Bauelementen ausgeschlossen werden.
Wichtig ist nur eine ausreichende Isolierung der Zuleitungen zu Drain und Source mittels eines
dicken Feldoxids, das die Gate-Bereiche ausschließt. Da bei der ganzflächigen Beschichtung der
Transistoren mit dem Halbleitermaterial am Rand des Wafers ebenfalls das Substrat kontak-
tiert werden kann, sind geringe Leckströme möglich, aufgrund des hochohmigen organischen
Halbleiters aber häufig vernachlässigbar.
Sollen einfache logische Schaltungen z.B. Inverter oder Ringoszillatoren realisiert werden, so
werden frei ansteuerbare Gate-Elektroden benötigt (siehe Abbildung 1.5). Ein gleichzeitiges
Ansprechen aller Gates ist hierbei nicht erwünscht. Weitere Strukturierungsschritte mittels Fo-
tolithografie, Abscheide- und Ätztechnik sind notwendig, um eine Durchkontaktierung der elek-
trisch angesteuerten Gates durch das Dielektrikum zu ermöglichen. Unumgänglich ist hierbei
auch die Verwendung eines für die metallischen Gate-Elektroden verträglichen Abscheidepro-
zesses für das Dielektrikum.
Abbildung 1.5: Der organische Feldeffekt Transistor mit isolierter Gate-Elektrode für den Einsatz
in einfachen logischen Schaltungen wie z.B. Invertern
5
Kapitel 2
Grundlagen
2.1 Elektronische Grundlagen organischer Halbleiter
Im Gegensatz zum anorganischen Halbleiter ist die Ursache des halbleitenden Effekts der or-
ganischen Halbleiter nicht im Kristall, sondern im Molekül selbst zu suchen. Im anorganischen
Halbleitermaterial kommt erst durch die strenge Einhaltung der Gitterkonstanten als Abstand
zwischen zwei Atomen im kristallinen Verbund die Ausbildung und der Charakter des Band-
schemas zustande [17]. Im organischen Halbleiter dagegen liegen die Wurzeln des halbleitenden
Effekts schon im Molekül und dessen Aufbau begründet. Als Grundgerüst des Moleküls die-
nen sowohl bei Polymeren als auch bei kleinen Molekülen Ketten von Kohlenstoffatomen. Als
besonders stabil gilt dabei die abwechselnde Abfolge von Einfach- und Doppelbindungen, auch
konjugierte Doppelbindung genannt. An den jeweiligen Kohlenstoffatomen kommt es dabei zu
einer sp2-Hybridisierung der Bindungsorbitale (siehe Abbildung 2.1).
Abbildung 2.1: Die sp2-Hybridisierung der Bindungsorbitale ist Grundlage des delokalisierten π-
Elektronensystems. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen der pz-Orbitale sind nach
der Hückel-Theorie über das gesamte Molekül verschmiert (Nach [18])
Die Hauptlast der Bindung kommt dabei dem kugelförmigen s-Orbital zu, während das keu-
lenförmige p-Orbital aus geometrischen Gründen einen schwächeren Anteil zu tragen hat. Bei
langen Kohlenstoffketten oder aromatischen Molekülen wie dem Pentacen bestehen nach Hückel
6
2.1. ELEKTRONISCHE GRUNDLAGEN ORGANISCHER HALBLEITER
[19] elektronische Wechselwirkungen der Elektronen des pz-Orbitals mit entsprechenden Orbi-
talen weiterer Atome der Kohlenstoffkette. Das Resultat hieraus ist eine nicht verschwindende
Aufenthaltswahrscheinlichkeit dieser Bindungs-Elektronen auf Atomen des gesamten Moleküls
und eine große Zahl besetzbarer elektronischer Zustände. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit
der Bindungs-Elektronen konjugierter π-Elektronensysteme ist über das gesamte organische
Molekül verschmiert. Die Elektronen des pz-Orbitals einer Doppelbindung sind nicht an ein
Atom-Paar gebunden, sondern frei auf dem Molekül beweglich. Dieser Zustand wird als de-
lokalisierte Doppelbindung bezeichnet. Abbildung 2.2 verdeutlicht die freie Beweglichkeit der
delokalisierten Doppelbindung anhand der Mesomerie des Benzol-Moleküls.
Abbildung 2.2: Aufgrund der delokalisierten Doppelbindungen des Benzol-Moleküls können diese
keinem der Kohlenstoffatome fest zugeordnet werden. Die linke und mittlere Darstellung treten
mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf; statt der einzelnen Doppelbindungen wird in der vereinfachten
Darstellung (rechts) ein Kreis in das Benzol-Sechseck gezeichnet
2.1.1 Das Bändermodell organischer Halbleiter
Durch externe Anregung kann ein Elektron des π-Elektronensystems in einen angeregten Zu-
stand übergehen. Die Anregung kann wie bei anorganischen Halbleitern in Form thermischer
Energie oder auch durch Photonen genügend großer Energie erfolgen. Die Bandlücke des or-
ganischen Halbleiters wird durch die kleinste notwendige Energie für das Anheben eines Elek-
trons vom bindenden in ein anti-bindendes Orbital bestimmt. Analog zum Valenzband und
Leitungsband des anorganischen Halbleiters wird im Fall organischer Halbleiter vom ’highest
occupied molecular orbital’ (HOMO) bzw. dem ’lowest unoccupied molecular orbital’ (LUMO)
gesprochen (siehe Abbildung 2.3). Die Energieniveaus eines Moleküls entstehen durch Linear-
kombination der Atom-Energieniveaus (MO-LCAO-Ansatz, siehe [19]).
Die Dichte der elektronischen Zustände unter- und oberhalb der Bandkanten wird von der
Größe und Verzweigtheit des Moleküls bestimmt. Da die elektronischen Zustände durch Wech-
selwirkung der π-Elektronen mit pz-Orbitalen benachbarter Atome entstehen, steigt die Zahl
der möglichen Zustände mit der Anzahl konjugierter Doppelbindungen und damit auch mit der
Kettenlänge. Das in dieser Arbeit verwendete Halbleitermolekül Pentacen gehört zur Molekül-
gruppe der Acene. Wie aus Abbildung 2.4 ersichtlich, steigt mit zunehmender Kettenlänge die
Anzahl der Energiezustände, resultierend in einer Abnahme der Bandlücke [20][21][22]. Wei-
tere Zustände können durch die Reaktion des organischen Moleküls, beispielsweise mit dem
Luftsauerstoff, während der Alterung eines OFETs entstehen (siehe Abschnitt 2.4). Diese Zu-
stände entstehen auch innerhalb der Bandlücke, wo sie als Störstellen, so genannte ’traps’, den
Transport der Ladungsträger behindern.
7
2.1. ELEKTRONISCHE GRUNDLAGEN ORGANISCHER HALBLEITER
Al ( =-4.28eV)EA
E =0VAC
E(eV)
-3
-4
-5
-6
Pentacen
-3.1eV
-4.8eV Au
( =-5.12eV)EA
Ni ( =-5.15eV)EA
Cr ( =-4.5eV)EA
Pd
( =-5.1eV)EA
LUMO
HOMO
Ti ( =-4.33eV)EA
Abbildung 2.3: Als p-leitender Halbleiter verfügt das Pentacen über eine flache energetische Lage
von HOMO und LUMO. Zur Ladungsträgerinjektion bieten sich Metalle mit hohen Austrittsarbei-
ten (EA) wie z.B. Nickel, Palladium und Gold an (Nach [17])
Abbildung 2.4: Pentacen gehört zur Molekülgruppe der Acene. Mit wachsender Molekül-
Kettenlänge nimmt die Anzahl der besetzbaren Zustände auf dem Molekül zu, die Bandlücke
schrumpft (Nach [23])
Wie bei anorganischen Halbleitern existieren bei den organischen Halbleitern zwei Leitungs-
typen. Über den Leitungstyp entscheiden hier jedoch nicht der Charakter des Dotierstoffes,
sondern hauptsächlich die Geometrie und die chemischen Eigenschaften des organischen Halb-
leitermoleküls. Das Fulleren C60 (siehe Abbildung 2.5) bildet als dünner Film n-leitende Ei-
genschaften aus. Bis zu sechs Elektronen kann das stark elektronegative Molekül auf seiner
Oberfläche aufnehmen. Ursache der hohen Elektronegativität ist u.a. die sphärische Form des
8
2.1. ELEKTRONISCHE GRUNDLAGEN ORGANISCHER HALBLEITER
Moleküls. Während sich in planaren Molekülen die p-Orbitale der Kohlenstoffatome gleichsam
ober- und unterhalb der Molekülebene ausbreiten können, findet beim Fulleren eine Abstoßung
der inneren p-Orbitale statt. Die räumliche Ausdehnung der äußeren p-Orbitale wird dadurch
stärker ausgeprägt, die Ladungsdichte auf der äußeren Hülle des Fullerens erscheint geringer,
also leicht positiv. Diese positive Ladung kann durch Aufnahme von weiteren Elektronen neu-
tralisiert werden.
Abbildung 2.5: Das Fulleren C60 besitzt eine sphärische Form und hat einen stark elektronegativen
Charakter
P-leitende Halbleiter wie das Pentacen können das Fehlen eines oder mehrerer Elektronen über
ein weit verzweigtes Gerüst aus Doppelbindungen gut kompensieren. Die Elektronenaffinität des
Moleküls ist deutlich geringer und drückt sich nicht zuletzt auch in der flacheren energetischen
Lage von HOMO (−4.8eV ) und LUMO (−3.1eV ) aus (siehe Abbildung 2.3)[24].
Der Elektronentransport auf dem organischen Molekül erfolgt über die angeregten Zustände
des LUMO, der Löchertransport über das HOMO. Aufgrund der delokalisierten Doppelbin-
dung kann der Ladungstransport über das Molekül durch ein Umklappen der Doppelbindung
von einem Atom zum nächsten veranschaulicht werden. Über einen so ausgelösten Dominoeffekt
kann ein Ladungsträger über das gesamte Molekül transportiert werden. Der Übergang zwi-
schen benachbarten Molekülen erfolgt über einen Hopping-Mechanismus, der den Ladungsträ-
ger die Energiebarriere zwischen beiden Molekülen überwinden lässt (siehe Abbildung 2.6). Bei
großer Ladungsträgerdichte im organischen Kristall ist die Zeitspanne zwischen zwei Hopping-
Transporten auf einem Molekül so gering, dass dieses in der Zwischenzeit nicht aus dem angereg-
ten Zustand relaxieren kann. Unter diesen Umständen ist die notwendige Aktivierungsenergie
für das Hopping abgesenkt und es kommt bei den Ladungsträgern zu einem korrelierten Hop-
ping bei erhöhter Ladungsträgerbeweglichkeit [25][26].
Das notwendige Überwinden der Energiebarrieren zwischen den Molekülen ist die Ursache für
die geringere Ladungsträgerbeweglichkeit beim Hopping-Transport. Bei dem mit dem Pentacen
verwandten Anthracen (siehe Abbildung 2.4) wird zwischen Hopping- und Bändertransport
bei einer Ladungsträgerbeweglichkeit von 1cm2/V s unterschieden. Während man oberhalb
dieses Werts von Bändertransport spricht, so ist unterhalb dieser Grenze Hopping-Transport
anzutreffen [23]. Mit abnehmendem räumlichen Abstand zwischen den Molekülen prägt sich
ein bandartiger Transportmechanismus aus. Der Bändertransport geht, verglichen mit dem
Hopping-Transport, mit einer erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeit einher. Für eine hohe La-
dungsträgerbeweglichkeit ist eine hohe Ordnung der Moleküle im organischen Kristallverbund
9
2.2. DAS ELEKTRISCHE VERHALTEN DES ORGANISCHEN FELDEFFEKT TRANSISTORS
Atomkern
Atom
EF
I
EG
LUMO
HOMO
Vakuumniveau
MolekularerFestkörper
LUMO
HOMO
Abbildung 2.6: Der Ladungstransport auf dem organischen Molekül erfolgt über angeregte Zustän-
de. Zwischen den Molekülen erfolgt der Ladungstransport über Hopping-Mechanismen. Φ=Fermi-
Energie, EF=Fermi-Level, I=Ionisationsenergie, EG=Bandlücke
unumgänglich. Eine hohe Ordnung kann z.B. durch geeignete Herstellungsparameter beim ther-
mischen Verdampfen organischer Moleküle erzeugt werden. Die Erzeugung der kristallinen Ord-
nung ist bei günstig gewählten Abscheideparametern ein selbstorganisierter Prozess (siehe Ka-
pitel 2.3).
2.2 Das elektrische Verhalten des organischen Feldeffekt
Transistors
Im standardisierten IEEE Messverfahren zur Charakterisierung von OFETs [27] wird vorge-
schlagen, analog zur MOS-Technologie die Beschreibung des elektrischen Verhaltens und der
Ladungsträgerbeweglichkeit über die Shockley-Gleichungen vorzunehmen [8]. Tatsächlich zei-
gen Modellierungsversuche vermessener Bauelemente durch die Shockley-Gleichungen, dass mit
ihrer Hilfe eine Beschreibung des organischen Transistorverhaltens prinzipiell möglich ist [28].
Da die tatsächlichen elektrischen Abläufe innerhalb des organischen Halbleiterbauelements auf-
grund ihrer Komplexität heute noch nahezu unerforscht bzw. umstritten sind, erfolgt die Be-
schreibung der in dieser Arbeit hergestellten OFETs zunächst basierend auf den nachfolgend
vorgestellten Shockley-Gleichungen. Diese beschreiben den Stromfluss im Feldeffekt Transistor
zwischen Drain- und Source-Kontakt und unterscheiden zwei Fälle:
IDS =µε0εr
tox
W
L[(VGS −Vth)VDS −1
2V2
DS](2.1)
für den so genannten Trioden- oder linearen Anlaufbereich des Transistors, definiert durch:
VGS −Vth > VDS.(2.2)
10
2.2. DAS ELEKTRISCHE VERHALTEN DES ORGANISCHEN FELDEFFEKT TRANSISTORS
Der Sättigungsbereich eines Transistors wird nach Shockley beschrieben durch:
IDS =µε0εr
2tox
W
L[(VGS −Vth)2](2.3)
für
VGS −Vth ≤VDS.(2.4)
IDS bezeichnet hierbei den Strom durch den Transistor zwischen Drain- und Source-Kontakt,
VGS die Spannung zwischen Gate- und Source-Kontakt, VDS die Drain-Source-Spannung, Vth
die Schwellenspannung, µdie Ladungsträgerbeweglichkeit, Wdie Transistorweite, Ldie Tran-
sistorlänge, tox die Dicke des Dielektrikums, ε0die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und
εrdie Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums.
Im linearen Anlaufbereich mit VDS ¿(VGS −Vth)wird der Leitwert im Transistorkanal durch:
gm=̶IDS
∂VGS !(VDS =konstant)
=WCi
LµVDS (2.5)
beschrieben, wobei Ciden Kapazitätsbelag des Dielektrikums darstellt. gmwird in diesem
Zusammenhang auch als Steilheit bezeichnet. Aufgelöst nach der Ladungsträgerbeweglichkeit
µergibt sich somit für den Anlaufbereich des Transistors:
µ=∂IDS
∂VGS
L
WCiVDS
.(2.6)
Für den Sättigungsbereich kann die Ladungsträgerbeweglichkeit über die Steigung der √IDS −
VGS Kennlinie abgeschätzt werden. Aus der Shockley-Gleichung für den Sättigungsbereich er-
hält man:
µ=∂IDS
∂VGS
L
WCi
1
(VGS −Vth).(2.7)
Die Ladungsträgerbeweglichkeit im organischen Feldeffekt Transistor hängt von weiteren äuße-
ren Einflüssen wie der Temperatur (beim Hopping-Transport), der Feldstärke der Gate-Source-
Spannung (durch Auffüllen niedriger elektronischer Zustände mit steigender Gate-Source-Span-
nung und resultierender Absenkung der Hopping-Aktivierungsenergie) oder aber intrinsischen
Faktoren wie der Morphologie des organischen Films ab. Während der Einfluss der Temperatur
sich über die Angabe derselben oder die Feldstärke des Gate-Feldes über Art und Dicke des
Dielektrikums abschätzen lassen, so ist beispielsweise die Morphologie der organischen Schicht
schwer zu kontrollieren.
Die meisten Modelle zur Bestimmung der Ladungsträgerbeweglichkeit gehen von einer Gleich-
verteilung des Beweglichkeitswertes für alle Ladungsträger im Transistorkanal aus [8]. Dies ist
jedoch nur bei einem nahezu einkristallinen Film anzunehmen, der nur bei idealen Aufwachsbe-
dingungen entstehen kann. Geringe Abweichungen der Substrattemperatur, der Aufwachsrate
oder der Reinheit der Oberfläche führen dagegen häufig zu einem Insel artigen Wachstum
der organischen Kristallite. Pyramidale kristallin geordnete Strukturen werden dabei von einer
11
2.2. DAS ELEKTRISCHE VERHALTEN DES ORGANISCHEN FELDEFFEKT TRANSISTORS
großen Anzahl von Korngrenzen durchzogen, so dass es lediglich am Fuße dieser Kristallite zu
Berührungen kommen kann (siehe Abschnitt 2.3).
Es wird daher davon ausgegangen, dass oberhalb dieser ersten Molekül-Monolagen, die jedoch
für den Großteil des Ladungstransports zuständig sind [29], gerade bei größeren elektrischen
Gate-Feldern keine Gleichverteilung der Ladungsträgerbeweglichkeit anzutreffen ist. Innerhalb
der einkristallinen Bereiche muss daher von einer viel größeren Ladungsträgerbeweglichkeit aus-
gegangen werden als bei Betrachtung des gesamten organischen Films. Durch Störstellen und
elektronische Fallenzustände an den Korngrenzen, so genannte Traps, wird die Ladungsträger-
beweglichkeit im Mittel jedoch wieder deutlich reduziert [30]. Die Ladungsträgerbeweglichkeit
hängt daher von der tatsächlichen Anzahl der freien Ladungsträger im Transistorkanal ab und
kann durch [31]:
µOfet =µfrei
Qfrei
Qinduziert
=µfrei
Qfrei
Qfrei +Qgetrapped
(2.8)
angenähert werden. Dabei beschreibt Qfrei die Anzahl freier Ladungsträger, Qinduziert die Zahl
vom Gate-Source-Feld induzierter Ladungsträger und Qgetrapped die Zahl in Fallenzuständen
gefangener Ladungsträger. Als µfrei ist die Ladungsträgerbeweglichkeit im ausgedehnten orga-
nischen Kristall ohne Störstellen und Traps einzusetzen.
Zur Bestimmung der Ladungsträgerbeweglichkeit µgibt es weitere Verfahren, die die Betrach-
tungsweise entweder auf das gesamte Bauelement unter Berücksichtigung der Kontaktwider-
stände beziehen, oder sich auf die Angabe der Beweglichkeit im organischen Film beschränken.
Der Vorteil der alleinigen Betrachtung des organischen Films ist, dass der bei OFETs nicht un-
erhebliche Kontaktwiderstand keinerlei Verfälschung des intrinsischen Wertes verursacht. Ein
Beispiel für die Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit sind so genannte ’time of flight’ Ex-
perimente. Über einen kurzen Laserimpuls werden im organischen Film Elektronen-Loch-Paare
generiert, deren Laufzeit zu den Kontakten in einem konstanten elektrischen Feld gemessen
wird. Diese Methode findet häufig bei der Charakterisierung organischer Einkristalle Verwen-
dung und kann für gezielte Wachstumsstudien verwendet werden [8].
Da die Charakterisierung von Bauelementen regelmäßig auf eine technologische Einstufung für
den Einsatz in logischen Schaltungen hinausläuft, ist es meist sinnvoll, die Ladungsträgerbe-
weglichkeit auch im Zusammenhang mit dem Kontaktwiderstand zu betrachten. Eine Optimie-
rung der Transistorschaltfrequenz kann daher nicht allein auf der Erhöhung der intrinsischen
Ladungsträgerbeweglichkeit im Transistorkanal beruhen, sondern muss immer mit einer gleich-
zeitigen Betrachtung des Kontaktwiderstands einhergehen. Der Gesamtwiderstand RGesamt des
Transistors setzt sich dabei aus den Kontaktwiderständen RKontakt und dem Kanalwiderstand
RKanal, berechnet aus der Transistorgleichung für den Anlaufbereich (vgl. Gl. 2.1), wie folgt
zusammen:
RGesamt = 2 ·RKontakt +∂VDS
∂IDS ¯¯¯¯¯
VGS
VDS →0
= 2 ·RKontakt +L
W(Ciµ(VGS −Vth)).(2.9)
Der Kontaktwiderstand fließt hierbei doppelt ein, da für die Ladungsträger sowohl am Drain-
als auch am Source-Kontakt ein Widerstand zu überwinden ist. Da die Ladungsträgerinjektion
12
2.2. DAS ELEKTRISCHE VERHALTEN DES ORGANISCHEN FELDEFFEKT TRANSISTORS
jedoch nicht immer den gleichen Widerstand wie die Extraktion der Ladungsträger hervorruft,
wird hierbei nur der Mittelwert berücksichtigt, der jedoch im allgemeinen zur Beurteilung eines
Bauelementes ausreicht. Genauere Werte der Widerstände an Drain und Source können bei-
spielsweise mit einem zum Potentiometer umgebauten Rasterkraftmikroskop (AFM) ermittelt
werden [32].
Die Schwellenspannung als Bestandteil der Shockley-Gleichungen für Feldeffekt Transistoren
ist ein Maß für die Ausbildung des leitfähigen Kanals zwischen Drain- und Source-Kontakt bei
Anlegen einer definierten Gate-Source-Spannung. Im Falle des p-leitenden Pentacen wird bei
einer negativen Schwellenspannung von einem selbstsperrenden und bei einer positiven Schwel-
lenspannung von einem selbstleitenden Transistorverhalten gesprochen. Während im ersten Fall
durch das Anlegen der Gate-Source-Spannung zunächst Ladungsträger im Transistorkanal ak-
kumuliert werden müssen, so ist die Ladungsträgerkonzentration im zweiten Fall schon so groß,
dass zum Sperren des Kanals eine positive Spannung notwendig ist, um alle Ladungsträger aus
dem Kanal herauszutreiben.
Die Größe der Schwellenspannung hängt von vielen Eigenschaften des Bauelementes ab. Ein ent-
scheidender Faktor ist im Falle des OFETs die Dichte von Störstellen im organischen Film und
an der Grenzfläche zum Dielektrikum. Störstellen an den Korngrenzen des organischen Films
rufen Potenzialschwellen hervor, die den Band ähnlichen Ladungstransport hemmen können.
Die Potenzialschwellen müssen durch eine erhöhte Gate-Source-Spannung ausgeglichen wer-
den, ausgedrückt in einer Verschiebung der Schwellenspannung. Weitere Einflussgrößen für den
Wert der Schwellenspannung sind z.B. die Wahl und die Qualität des Kontaktmaterials. Nicht
zu vernachlässigen ist schließlich noch die Möglichkeit eines unerwünschten Dotiereffekts, bei-
spielsweise durch Luftsauerstoff, welcher in vielen organischen Halbleitern einen selbstleitenden
Charakter verursacht. Für Zink-Phtalocyanin ist zum Beispiel bekannt, dass im Kontakt mit
Sauerstoff eine deutliche Erhöhung des Leitwertes messbar ist [33].
Zur Bestimmung der Schwellenspannung gibt es in der Literatur mehrere Ansätze. In der IEEE-
Messvorschrift für organische Feldeffekt Transistoren [27] wird empfohlen, die Schwellenspan-
nung aus der Eingangskennlinie zu bestimmen: Wie aus zahlreicher Beispielliteratur [34] [35]
[36] [37] ersichtlich, wird dazu am Punkt maximaler Steigung der √IDS −VGS Kennlinie in
Sättigung eine Gerade extrapoliert (siehe Abbildung 2.7). Der Schnittpunkt der extrapolierten
Gerade mit der Abszisse (IDS = 0 A) gibt hiernach den Schwellenspannungswert Vth des jewei-
ligen Transistors an [38]. Die Autoren von [31] bestreiten jedoch eine Eindeutigkeit des Wertes
für die so ermittelte Schwellenspannung und weisen auf resultierende Schwierigkeiten bei der
anschließenden Bestimmung der Ladungsträgerbeweglichkeit durch die Shockley-Gleichungen
hin. Tatsächlich hängt die Schwellenspannung neben den oben genannten Bauelementfaktoren
zumindest noch von der Temperatur ab [38]. Meijer et al. schlagen hier statt der Verwendung
einer Schwellenspannung den Gebrauch einer so genannten ’switch-on Voltage’ (VSO = 0 V
für einen undotierten Halbleiter) vor. Diese soll lediglich die Gate-Source-Spannung darstellen,
korrigiert um einen Spannungswert, der durch eine unerwünschte Dotierung bestimmt wird.
Die in dieser Arbeit veröffentlichten Werte für die Schwellenspannung wurden entsprechend der
IEEE-Messvorschrift, wie oben beschrieben, durch Extrapolation aus der √IDS −VGS Kennli-
nie ermittelt. Da Modellierungen zeigen, dass die im Rahmen dieser Arbeit gefertigten OFETs
aufgrund eines dominierenden Kontaktwiderstands im Anlaufbereich bzw. Übergangsbereich
des Transistors der Drain-Source-Strom eine stärkere Übereinstimmung mit der quadratischen
13
2.2. DAS ELEKTRISCHE VERHALTEN DES ORGANISCHEN FELDEFFEKT TRANSISTORS
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
10
20
30
40
50
V
DS
=-
5
V
sq rt |I
DS
|[ m A
1/2
]
V
GS
[V
]
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
V
th
=
7.6
V
Abbildung 2.7: Ermittlung der Schwellenspannung durch Extrapolation aus der Eingangskennlinie
im Punkt maximaler Steigung. Der Schnittpunkt der Gerade mit der Gate-Spannungsachse ergibt
den Wert für die Schwellenspannung
Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung aufweisen (siehe Kapitel 4.6), wurden die hier
beschriebenen Schwellenspannungswerte meist abweichend von [27] im Anlaufbereich der Kenn-
linie ermittelt.
Alle in diesem Abschnitt vorgestellten Verfahren beruhen auf unterschiedlichen physikalischen
Modellen, die teilweise aus der MOS-Technik übernommen wurden und somit nur bedingt zur
Beschreibung von OFETs beitragen können. Trotzdem wird zum Ermitteln der Schwellenspan-
nung auch in der Literatur auf diese Verfahren zurückgegriffen, da bisher keine umfassende und
überzeugende Theorie zur Beschreibung der Schwellenspannung in OFETs existiert.
Da jedes dieser möglichen Verfahren jeweils verschiedene Werte für die Schwellenspannung lie-
fert, ist es zur Angabe einer Schwellenspannung in Veröffentlichungen also unabdingbar, die
verwendete Methode zu nennen. Der Weg zur Bestimmung der Schwellenspannung über die
Quadratwurzel der Eingangskennlinie ist das Verfahren mit der in der Fachwelt größten Zustim-
mung. Es ist am weitesten verbreitet und liefert so die größte Vergleichbarkeit der Ergebnisse.
Das Einschaltverhalten des Transistors wird über den Subschwellenspannungstromanstieg
S=dVGS
dlog(IDS)(2.10)
charakterisiert. Die Steigung der logarithmisch aufgetragenen Eingangskennlinie ist ein gutes
Maß für die Ausbildung und Qualität eines elektrisch leitfähigen Kanals nahe des Dielektri-
kums als Reaktion auf das Anlegen einer Gate-Source-Spannung. Während in der MOSFET-
Technologie ein geringer Subschwellenspannungstromanstieg eine gute Grenzfläche zwischen
dem Dielektrikum und dem Halbleiter prognostiziert, so kann im Falle eines OFETs ebenfalls
eine guter Kontaktwiderstand an den Drain- und Source-Kontakten vermutet werden [8]. Dieser
14
2.3. DAS ORGANISCHE HALBLEITERMATERIAL PENTACEN
spielt bei organischen Feldeffekt Transistoren eine viel größere Rolle und ist dazu noch von der
Gate-Spannung abhängig.
2.3 Das organische Halbleitermaterial Pentacen
Das Basismaterial der in dieser Arbeit vorgestellten Feldeffekt Transistoren ist der p-leitende
Halbleiter Pentacen, C22H14 mit einer Bandlücke von 1.7eV (siehe Kap. 2.1.1), einer Molekül-
masse von 278.35 g/mol und einer für organische Materialien typischen Dichte von 1.3g/cm3.
Mit dieser Molekülmasse zählt es zu den so genannten ’kleinen Molekülen’, die weitläufig unter
dem Begriff ’small molecules’ zusammengefasst werden. Das Pentacen besteht aus fünf linear
angeordneten Benzol-Ringen (siehe Abbildung 2.8), welche ein planares Molekül ergeben. Pen-
tacen weist dadurch eine hohe Spiegel- und Rotationssymmetrie auf, was das Molekül nahezu
unpolar erscheinen lässt.
CC
C
C
C
C C
C
C
C
C
CC
C
C
CC
C
C
C
C
C
C
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Abbildung 2.8: Kekulé-Struktur des Pentacen-Moleküls
Die Planarität spielt nicht zuletzt für die Ausbildung des delokalisierten Elektronensystems
eine wichtige Rolle, sorgt sie doch für eine gleichmäßige Ausbreitung der π-Orbitalwolke ober-
und unterhalb der Molekülebene. Auch für die Entwicklung einer Ordnung im organischen
Kristallverbund ist die planare Ausführung des Pentacens von Vorteil. Pentacen lässt sich im
Hochvakuum, geheizt auf eine Temperatur oberhalb von 220 −240◦Cdurch thermisches Ver-
dampfen auf ein Substrat, z.B. einen Silizium-Wafer, als dünner Film abscheiden. Sind die
Aufdampfparameter geeignet gewählt, so bildet sich im Pentacen-Film eine hohe Ordnung der
Pentacen-Moleküle ähnlich eines Fischgrätenmusters aus [22][39][40]. Entscheidend für einen
geordneten organischen Film mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit sind die Substrattempe-
ratur, die Aufdampfrate, der Abstand zwischen der Verdampferquelle und dem Substrat, die
Reinheit des verwendeten Materials und der Prozessdruck [16].
Die Reinheit des verwendeten Materials ist von nicht unerheblicher Bedeutung. Verunreinigun-
gen des Quellmaterials der thermischen Verdampfung besitzen möglicherweise eine geringere
Verdampfungstemperatur als das Pentacen und lagern sich in der Aufwärmphase der Verdamp-
fung auf der Oberfläche des Dielektrikums und damit im für den Stromfluss entscheidenden
Bereich des Transistors an. Hier können die Verunreinigungen beispielsweise als Keime für ein
ungeordnetes Wachstum dienen. Findet die Verdampfung bei zu hohem Druck statt, so können
vermehrt Bestandteile aus dem Restgas des Rezipienten in den abgeschiedenen Film eingebaut
werden. Neben der Störung des Filmwachstums ist auch eine Beeinflussung der Transistor-
schwellenspannung bei Anwesenheit ionischer Verunreinigungen durchaus denkbar. Eingebaut
in den molekularen Film werden Verunreinigungen zudem oft zu Traps, die den Ladungstrans-
port behindern.
15
2.3. DAS ORGANISCHE HALBLEITERMATERIAL PENTACEN
Das in dieser Arbeit verwendete Pentacen wird in höchster angebotener Reinheit (99.9%) von
der Firma Aldrich bezogen und ohne weitere Aufreinigung verwendet. Zu Vergleichszwecken
wird eine Charge Pentacen vom Fraunhofer-Institut Dresden verwendet. Dieses wurde einer
mehrfachen Dreizonensublimation unterzogen, die durch eine Temperaturgradient-Abscheidung
Substanzen mit der von Pentacen abweichenden Verdampfungstemperatur extrahiert [7].
Die Substrattemperatur spielt für die Beweglichkeit der verdampften Moleküle auf der Substra-
toberfläche eine wichtige Rolle. Da sich die auftreffenden Moleküle selbstorganisiert [4] an das
Ende eines bereits vorhandenen Films oder an einen Keim anlagern, benötigen sie noch eine
gewisse kinetische Energie, um auf der Substratoberfläche mobil zu sein. Ist die Substrattem-
peratur zu gering, so wird den auftreffenden Molekülen vom kalten Substrat die verbliebene
kinetische Energie sofort entzogen. Sie erstarren in der Lage, wie sie auf die Oberfläche auftref-
fen, meist zu einem amorphen Film, der so genannten ’bulk’-Phase (siehe Abbildung 2.9(a)).
Ist die Substrattemperatur zu hoch gewählt, so kommt es unter Umständen zu einem erneuten
Abdampfen des Pentacens von der Oberfläche; nachfolgende Moleküle werden beim Auftreffen
auf das Substrat gestreut. Nur bei geeigneter Temperatur, die in der Literatur für Pentacen mit
ca. 60−70◦Cangegeben wird [41][42][43], ist eine ideale Anlagerung der Pentacen-Moleküle an
die bereits vorhandene Schicht gegeben. Durch van-der-Waals Wechselwirkungen, resultierend
aus der Nullpunktsunruhe der äußeren Elektronen des Moleküls, gibt es eine energetisch güns-
tige Anordnung, bei der sich benachbarte Moleküle parallel zueinander ausrichten und einen
geringen räumlichen Abstand einnehmen (siehe Abbildung 2.9(c)). Dabei entsteht die so ge-
nannte einkristalline Phase. Durch zusätzliche Wechselwirkung des Pentacen-Moleküls mit dem
Substrat stellen sich die Moleküle unter einem Winkel von ca. 85◦entlang ihrer Hauptmole-
külachse auf die Spitze [34][39][44][45][46]. Eine chemische Bindung mit dem Substratmaterial
geht das Pentacen dabei jedoch nicht ein [47] [48].
Einen ähnlichen Einfluss auf die Form und Qualität des Schichtwachstums hat die Aufdampfrate
des organischen Materials. Wird die Rate zu groß gewählt, so bleibt auf der Substratoberflä-
che eingetroffenen Molekülen bis zum Auftreffen der nächsten Moleküle nicht genügend Zeit,
sich mit bereits vorhandenen Molekülen zu einem geordneten Film zusammenzuschließen. Das
Resultat ist die Bildung von pyramidenförmigen Molekül-Kristallen, die nur in ihrer Basis in
direkten Kontakt mit benachbarten Inseln treten können (siehe Abbildung 2.9(b)).
Es ist nachvollziehbar, dass diese pyramidalen Strukturen nur bedingt zum Ladungstransport
beitragen können, da sie mit benachbarten Kristallen nur am Fuße elektrisch verbunden sind.
Neben diesem offensichtlichen Effekt kann die Inselbildung weitere Nachteile mit sich bringen:
An den Korngrenzen der Inseln lagern sich im Rahmen der Alterung des organischen Films mit
der Zeit vermehrt Wasser- und Sauerstoffmoleküle an, die Ursache für Störstellen sind und eine
Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit sowie eine Verschiebung der Schwellenspannung des
OFETs zur Folge haben.
Pentacen ist bekannt für eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im organischen Kristallverbund,
hier werden theoretische Ladungsträgerbeweglichkeiten von bis zu 75 cm2/V s vorhergesagt [49].
Verglichen mit weiteren häufig verwendeten organischen Halbleitermaterialien nimmt das Pen-
tacen eine Spitzenposition in der Ladungsträgerbeweglichkeit in realen Bauelementen ein [44].
Auf dem Pentacen-Molekül selbst ist die Ladungsträgerbeweglichkeit stark anisotrop. Während
entlang der Hauptmolekülachse eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit vorherrscht, ist senk-
recht dazu die größte Beweglichkeit der Ladungsträger auf dem Molekül messbar [22][50][51].
16
2.4. VOR- UND NACHTEILE ORGANISCHER HALBLEITERMATERIALIEN
(a) Amorphe Anordnung der Pentacen-
Moleküle
(b) Kristalline Bereiche, unterbrochen von
Korngrenzen
(c) Einkristalline Form des Pentacen
Abbildung 2.9: Abhängig von der Substrattemperatur und der Aufwachsrate während der thermi-
schen Verdampfung des Pentacens bilden sich a) eine amorphe Phase, b) eine Phase kristalliner
Inseln (unterbrochen von Korngrenzen) c) oder der organische Einkristall [44]
Diese Eigenschaft, kombiniert mit der Tatsache, dass sich die Pentacen-Moleküle während des
thermischen Verdampfens vorrangig auf die Molekülspitze gestellt anordnen, ist die Grundlage
für eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im organischen Bauelement. Sorgfältig präparierte
Pentacen-Filme weisen in den ersten Monolagen oberhalb des Dielektrikums eine hohe Ord-
nung der Pentacen-Moleküle auf. Durch einen geringen Abstand im fischgrätenartig geordneten
Film ist ein effizienter Ladungstransport zwischen den Molekülen durch einen hohen π-Orbital-
Überlapp gewährleistet.
Da auch auf dem Molekül der Ladungstransport parallel zum Dielektrikum mit hoher Ladungs-
trägerbeweglichkeit abläuft, resultiert diese Anordnung der Pentacen-Moleküle in einer hohen
mittleren Ladungsträgerbeweglichkeit in den ersten Pentacen-Monolagen.
2.4 Vor- und Nachteile organischer Halbleitermaterialien
Wie bei jeder technischen Neuerung müssen auch für organische Halbleiter die Vor- und Nach-
teile der Technologie gegeneinander aufgewogen werden.
Das am häufigsten verwendete Argument für die Entwicklung organischer Halbleiter ist der spä-
tere Preis eines solchen Bauelementes. Sowohl bei der chemischen Synthese des Basismaterials,
das sich in hoher Reinheit im großen Maßstab herstellen lässt, als auch bei der späteren Verar-
beitung zur Herstellung der elektronischen Elemente durch großflächige Verarbeitung fallen nur
geringe Kosten an. Alleine bei der Herstellung und Reinigung von Silizium-Wafern sind mehrere
17
2.4. VOR- UND NACHTEILE ORGANISCHER HALBLEITERMATERIALIEN
Energie zehrende Hochtemperaturschritte von über 1000◦C notwendig [52]. Die Prozessierung
rein organischer Bauelemente findet hauptsächlich, schon alleine wegen der niedrigschmelzenden
Substratmaterialien, im Temperaturbereich unter 200◦C statt [53].
Neben den Energiekosten ist dabei auch der Umweltaspekt bei der Herstellung nicht zu ver-
nachlässigen. Dieser spielt auch bei der weiteren Prozessierung in der Siliziumtechnologie eine
Rolle, wird hier doch eine Vielzahl von Säuren und Lösungsmitteln eingesetzt. Auf hochgiftige
Flusssäure zum Ätzen von SiO2kann z.B. bei Verwendung von Kunststoffsubstraten völlig
verzichtet werden.
Als weiterer Kostenfaktor kann die Prozessierbarkeit organischer Halbleiter in großflächigen
Abscheideprozessen genannt werden. Je nach Material kann die halbleitende Schicht durch
thermisches Verdampfen kleiner Moleküle oder durch Spin-coating, Tintenstrahl-Drucken oder
Offset-Drucken löslicher Polymere erzeugt werden. Jedes dieser Verfahren eignet sich für die
kostengünstige Beschichtung großer Flächen in der industriellen Fertigung. Hervorzuheben sind
dabei besonders das thermische Verdampfen wie auch das Offset-Drucken für eine kostengüns-
tige ’Rolle-zu-Rolle’ Produktion, vergleichbar mit dem Zeitungsdruck.
Ein weiteres Argument für organische Halbleitermaterialien ist, dass der Entwicklung neuer
Molekül-Eigenschaften praktisch keine Grenzen gesetzt werden können. Immer neue Moleküle
mit geänderten oder neuen Seitengruppen werden entwickelt und ermöglichen die Erweiterung
der elektronischen und physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Molekül-Typs.
Jedoch hat die Verwendung organischer Halbleiter in elektronischen Bauelementen einen kla-
ren Nachteil. In Kontakt mit Sauerstoff und Feuchtigkeit unterliegen die organischen Moleküle
einer raschen Alterung, die durch gleichzeitige Bestrahlung mit ultraviolettem Licht noch be-
schleunigt wird. Das in der organischen Fotovoltaik vielfach benutzte Fulleren C60 beispielsweise
bildet unter UV-Licht Bestrahlung einen angeregten Zustand aus, der mit Sauerstoff z.B. aus
der Luft reagiert und das Molekül aufbrechen lässt.
Das in dieser Arbeit verwendete Pentacen bildet in Anwesenheit von Sauerstoff eine Chinon-
Verbindung aus [54](siehe Abbildung 2.10), wobei es zu einer Störung des delokalisierten π-
Elektronensystems kommt [55]. Dies hemmt den Ladungstransport über das Molekül durch
Streuung der Ladungsträger an den Defekten der elektronischen Bänder und drückt sich nach
außen in einer reduzierten Ladungsträgerbeweglichkeit aus. Zusätzlich bilden sich dabei neue
Molekülenergieniveaus aus, die die Ursache für Störstellen im organischen Film darstellen.
CC
C
C
C
C C
C
C
C
C
CC
C
C
CC
C
C
C
C
C
C
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O2
Abbildung 2.10: In Anwesenheit von Sauerstoff, z.B. aus der Umgebungsluft, weist das Penta-
cen eine hohe Reaktivität zum Pentacen-Chinon (C22H12O2) auf. Der Sauerstoff lagert sich dabei
vorrangig an den mittleren Benzol-Ring des Pentacens an [55]
18
2.5. ABSCHÄTZUNG DES ENTWICKLUNGSPOTENZIALS ORGANISCHER BAUELEMENTE
Wassermoleküle gelangen zumeist über die Luftfeuchtigkeit in die organische Schicht. Im elek-
trischen Feld des Transistors dissoziiert das Wassermolekül [55]. Die so entstandenen Ionen
lagern sich häufig an den Korngrenzen zwischen kristallinen Molekülbereichen oder auch an der
Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem organischen Film an [56](siehe Abbildung
2.11). In beiden Fällen kommt es durch Ladungseffekte zur Ausbildung von Potenzialbarrieren.
Im ersten Fall führt dies zur Hemmung des Stromflusses durch den Transistorkanal, im zweiten
Fall sind sie die Ursache für die Verschiebung der Schwellenspannung bei den OFETs.
Si
SiO2
Pentacen
H O
2
H O
2
Abbildung 2.11: Durch Anlegen der Gate-Source-Spannung lagern sich Wassermoleküle aus der
Umgebungsluft an die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter, sowie an den Korngrenzen
des ungekapselten organischen Films an
Da diese Alterungsmechanismen unkontrolliert und teilweise auch reversibel [57] die elektri-
schen Parameter organischer Bauelemente beeinflussen, stellen sie das schwer wiegendste Pro-
blem bei der Herstellung organischer Schaltungen dar. Beispielsweise verhindern unkontrollier-
bare Schwankungen der Ladungsträgerbeweglichkeit die Entwicklung zuverlässig arbeitender
Schaltungen. Eine verlässliche Kapselung der organischen Bauelemente gegen die Faktoren der
Alterung ist daher unerlässlich.
2.5 Abschätzung des Entwicklungspotenzials organischer
Bauelemente
Verglichen zur anorganischen Halbleitertechnologie weisen die organischen Halbleitermateria-
lien und Bauelemente einen mehr als 30-jährigen Forschungssrückstand auf. Trotz dieses er-
heblichen Entwicklungsdefizits ist es einigen Elektronikkonzernen schon heute möglich, erste
einfache Anwendungen organischer Halbleiter als OLEDs in einfachen Multisegment-Anzeigen
(Ladezustand-Anzeige im Rasierer), kleinflächigen Dot-Matrix-Displays (Autoradio, MP3-Play-
er) und ersten TFT-Bildschirmen (Digitalkamera) am Markt zu platzieren. Das enorme Poten-
zial der organischen Halbleiter ist gerade an den bislang noch recht einfachen Anwendungen
sehr gut erkennbar: Die Brillanz des Farbdisplays der oben erwähnten Digitalkamera überwog
in der Beschreibung der Fachpresse alle weiteren technischen Eigenschaften der Kamera. Die
Haltbarkeit dieser neuartigen Bauelemente ist heute jedoch noch sehr begrenzt, so dass sich
beim Hersteller des Autoradio-Displays schon sechs Monate nach Markteinführung im Jahre
2000 eine Vielzahl von Garantiefällen wegen defekter Anzeigen häuften.
Grundsätzlich scheinen OLED basierte Displays aus momentaner Sicht die größten Chancen
zu besitzen, als erste Gattung organischer Bauelemente am breiten Markt vertreten zu sein,
wurden hier in den vergangenen 15 Jahren doch die größten Fortschritte, beispielsweise bei der
19
2.5. ABSCHÄTZUNG DES ENTWICKLUNGSPOTENZIALS ORGANISCHER BAUELEMENTE
Lumineszenz, erzielt [4]. Hindernisse scheinen aus heutiger Sicht hauptsächlich in der Kapse-
lung und Langzeithaltbarkeit der Bauelemente zu liegen. Der relativ einfache Aufbau durch eine
mehrlagige Abscheidung von Elektrodenmaterialien und p- bzw. n-Halbleiterschichten auch oh-
ne Via-Kontaktierungen durch einzelne Ebenen hindurch scheint im Vergleich zu OFETs und
organischen Solarzellen auch in der industriellen Fertigung gut beherrschbar zu sein. Groß-
flächig bereits gut zu kontrollierende Herstellungs- und Abscheideverfahren werden zunächst
großformatige flexible Leuchtdiodenelemente für den Wohnbereich oder Fahrzeugbau hervor-
bringen. Wenig später werden Industrievertretern zufolge RGB-Displays in schnell wachsender
Bildschirmdiagonale folgen. Im Gegensatz zu monochromen Leuchtdiodenelementen werden die
Displays zunächst nicht in flexiblen Ausführungen gefertigt werden können. Eine Ansteuerelek-
tronik aus organischen Transistoren ist dafür eine zwingende Voraussetzung.
Die Entwicklung einer Steuerelektronik für organische Displays erfordert einen komplexen Schal-
tungsaufbau, sowie eine Prozessführung und ein Schaltungsdesign in mehreren Ebenen. Die
bisher in der Mikroelektronik verwendeten Verfahren wie Fotolithografie und Ätzverfahren [52]
lassen sich nicht ohne weiteres auf die Prozesse der für organischen Bauelemente angestrebten
’Rolle zu Rolle’ Technologie übertragen. Neben den Herausforderungen in der Herstellung, ist
bisher noch wenig über den Schaltungsaufbau und die Alterung der Schaltungen bekannt.
Für einen zuverlässigen Schaltungsbetrieb sind Designregeln, wie in der Silizium-Halbleiter-
technik, unausweichlich, jedoch noch völlig unbekannt. Durch den andauernden elektrischen
Betrieb der Schaltungen verursachte chemische Reaktionen zwischen Isolatoren, Halbleitern
und polymeren Leitern sind nicht auszuschließen und bisher noch unerforscht. Daher ist anzu-
nehmen, dass sich zunächst einfache Schaltkreise mit wenigen Elementen und Prozessebenen,
wie in RFID-Etiketten [58] am Markt etablieren können. Großformatige Display-Ansteuerungen
auf flexiblen Substraten werden vermutlich erst in einigem zeitlichen Abstand folgen.
Aus heutiger Sicht wird als wahrscheinlich letztes organisches Bauelement die organische So-
larzelle die Märkte erobern. Eine vielschichtige Problematik in der Herstellung ist die Ursache
dafür. Neben ungelösten Alterungserscheinungen, gerade in Verbindung mit dem für die Foto-
voltaik notwendigen Tageslicht [59] spielt sicherlich der im Vergleich zur Silizium-Fotovoltaik
noch viel zu geringe Wirkungsgrad eine große Rolle. Hauptgrund hierfür ist unter anderem der
ungeklärte Aufbau der aktiven Schicht. Zum Ende der neunziger Jahre wurden so genannte
’Double-Cable’-Moleküle [8][60] als erstrebenswertes Ziel für einen effizienten Ladungsabtrans-
port mit großen Anstrengungen erforscht. Nur wenige Jahre später wurde jedoch wieder davon
abgerückt. Die hohen Rekombinationsraten der Elektronen-Loch-Paare in diesen Molekülen
wurden zunächst unterschätzt. Im heutigen Interesse ist nun eine effiziente Ladungsträgergene-
ration. Solange diese grundlegenden Erkenntnisse über den Aufbau der aktiven Schicht fehlen,
rücken mögliche Herausforderungen in der Herstellung von organischen Solarzellen in weite
Ferne.
Im Allgemeinen und unabhängig von der Art des Bauelements kann den organischen Bauelemen-
ten sicherlich eine bedeutende Rolle in der zukünftigen Mikroelektronik zugesprochen werden.
Schon heute findet in weiten Bereichen der Chemie ein gezieltes Molekül-Design für vorher defi-
nierte charakteristische Eigenschaften statt. Sind Grundlagen der elektronischen Eigenschaften
organischer Halbleitermoleküle erst einmal weitgehend verstanden, so eröffnen sich heute noch
unüberschaubare Möglichkeiten, Moleküle mit definierten Bandlücken oder Ladungsträgerbe-
weglichkeiten gezielt zu synthetisieren. Die angestrebte Unabhängigkeit vom anorganischen Si-
20
2.5. ABSCHÄTZUNG DES ENTWICKLUNGSPOTENZIALS ORGANISCHER BAUELEMENTE
liziumkristall und die Verwendung flexibler Substrate erschließen der Mikroelektronik gleich
zwei neue Freiheitsgrade zur Realisierung heute noch ungeahnter elektronischer Systeme.
21
Kapitel 3
Schichtherstellung und Transistoraufbau
Die Präparation der in dieser Arbeit vorgestellten OFETs erfolgt durch eine an die Silizium-
Halbleitertechnologie angelehnte Prozessierung mittels Fotolithografie und Planartechnologie.
Die einzelnen Prozessschritte der Planartechnik werden im allgemeinen ganzflächig auf den
gesamten Wafer angewendet. Grundsätzlich lassen sie sich in Abscheideverfahren, Fotolitho-
grafie, Ätzverfahren und Reinigungsverfahren einteilen (Details in [52], siehe Abbildung 3.1)).
In der MOS-Transistorfertigung wird zu den genannten Techniken noch die Ionenimplantation
genutzt, die jedoch in der organischen Halbleitertechnologie keine Anwendung findet.
Die Anwendung der Prozessschritte zur Erzeugung von mikrosystemtechnischen Strukturen
erfolgt meist in gleicher Reihenfolge: Zunächst wird durch eine Depositionstechnik die zu struk-
turierende Schicht erzeugt. Im Anschluss wird durch Belacken mit einem bezüglich UV-Licht
empfindlichen Lack die spätere Maskierungsschicht aufgebracht, welche nachfolgend mit einer
speziellen Chrom-Fotomaske und UV-Licht belichtet wird. Es folgt ein Entwicklungsschritt, der
die Strukturen der Fotomaske im Lack freilegt. Die in einem Ofen gehärtete Lackmaske dient so
beim abschließenden Ätzen zur Maskierung der zu schützenden Bereiche. Frei liegende Flächen
werden abgetragen und die anfangs abgeschiedene Schicht so strukturiert.
Ein entscheidender Vorteil der Planartechnik ist, dass sich bei einer großen Homogenität der
angewendeten Prozessschritte über die Wafer-Oberfläche eine Vielzahl identischer Chips mit
hoher Reproduzierbarkeit und geringer Strukturgröße fertigen lassen. Ein Nachteil der Verwen-
dung der Fotolithografie ist, dass zur Erzeugung z.B. der Transistoren nur die bereits auf der
Fotomaske vorhandenen Strukturen genutzt werden können. Die Fotolithografie ist daher relativ
unflexibel, bezüglich kurzfristiger Design-Änderung von Bauelementen und deren Schaltungen.
Bei der Literaturrecherche zu Beginn dieser Arbeit wird deutlich, dass die Präparation von
OFETs dort mehrheitlich im Maßstab mehrerer Mikrometer Kanallänge erfolgt. Oftmals werden
die Kontakte statt durch Fotolithografie auch durch thermisches Verdampfen des Kontaktme-
talls über eine Schattenmaske definiert. Diese Vorgehensweise resultiert üblicherweise in einer
geringen Strukturtreue und großen Transistorabmessungen. Reproduzierbar im Mikrometer-
maßstab hergestellte OFETs sind zu Beginn der Experimente wenig verbreitet. Ein Ziel dieser
Arbeit ist es daher, mit Hilfe der Planartechnologie und Fotolithografie hoch reproduzierbare
Schaltelemente bei geringer Strukturgröße auch bei OFETs zu etablieren.
Transistorabmessungen im Mikrometermaßstab erfordern jedoch auch einen erheblichen Auf-
22
S i l i z i u m
F o t o l a c kS i O 2
S i l i z i u m
S i l i z i u m
S i l i z i u m
S i l i z i u mS i l i z i u m
S i l i z i u m
E r z e u g e n e i n e r O x i d s c h i c h t
a u f d e r S i l i z i u m s c h e i b e
A u f b r i n g e n e i n e s
l i c h t e m p f i n d l i c h e n F o t o l a c k s B e l i c h t e n d e s F o t o l a c k e s
ü b e r e i n e M a s k e
E n t w i c k e l n d . h . E n t f e r n e n
d e s b e l i c h t e t e n F o t o l a c k s
Ä t z e n d e s O x i d s m i t d e m
F o t o l a c k a l s M a s k i e r s c h i c h t
E n t f e r n e n d e s
r e s t l i c h e n F o t o l a c k s
D i f f u s i o n z u r l o k a l e n
D o t i e r u n g d e r S i - S c h e i b e
m i t O x i d a l s M a s k i e r s c h i c h t
Abbildung 3.1: Die Planartechnologie findet in der mikrosystemtechnischen Fertigung von Tran-
sistoren eine weite Verbreitung. Abscheideverfahren, Fotolithografie und Ätztechniken werden ganz-
flächig auf den Wafer angewendet und solange wiederholt, bis alle Strukturen erzeugt worden sind
(Nach [52])
wand, in Bezug auf die Sauberkeit während der Präparation. Da die produzierten Struktur-
größen in der gleichen Größenordnung der Staubpartikel in der Umgebungsluft liegen, können
diese schon zu Kurzschlüssen, Maskenschäden oder Abschattungen bei der Fotolithografie füh-
ren. Die Fertigung der zu vermessenden OFETs erfolgt daher grundsätzlich in einem Reinraum
der Klasse 1000. Die Klassifizierung entspricht einer Partikeldichte von weniger als 1000 Par-
tikeln kleiner als 5µm in einem Volumen von einem Kubikfuß [61]. Zum Vergleich: In einem
Kubikfuß ungefilterter Raumluft befinden sich mehr als 1 Mio solcher Partikel. Besonders parti-
kelkritische Prozessschritte, wie beispielsweise die Fotolithografie, werden zusätzlich unter Luft
filternden Flow-Boxen durchgeführt.
Jedoch können Partikel nicht nur durch die Raumluft oder den Menschen über Hautkontakt
oder Atemluft auf die Wafer-Oberfläche gelangen. Auch durch einige Prozessschritte, z.B. bei
der Oxidabscheidung im PECVD-Prozess (siehe Kapitel 3.2) oder durch Ölnebel aus Pum-
pensystemen in Vakuumanlagen, gelangen Verunreinigungen auf das Substrat. Daher ist es
unerlässlich, dass zumindest zu Beginn der Präparation (um definierte Anfangsbedingungen zu
erhalten) und nach partikelträchtigen Arbeitsschritten eine Reinigung der Wafer erfolgt. Diese
kann entweder durch Abblasen mit Pressluft oder besser, durch chemische Reinigung in einer
Abfolge von Tensid-, Ultraschall- und Säurebehandlung durchgeführt werden. Zur nasschemi-
schen Reinigung werden im Rahmen dieser Arbeit die Reinigungsverfahren ’Reinigung A’ sowie
’Reinigung C’ benutzt, welche in [62] und im Anhang dieser Arbeit ausführlich beschrieben
sind.
23
3.1. SUBSTRAT
3.1 Substrat
Während in aktuellen Forschungsberichten heute vermehrt über die Verwendung polymerer
Substrate und Dielektrika berichtet wird [63] [64] [65], sind zu Beginn dieses Forschungspro-
jekts neue Erkenntnisse über das Wachstum der organischen Schicht auf anorganischen Isolato-
ren und die elektrischen Eigenschaften organischer Feldeffekt Transistoren (auch in Verbindung
mit der Alterung des Halbleitermaterials) das Ziel der Experimente. Parallel zur Strukturie-
rung auf Silizium-Wafern durchgeführte frühe Versuche mit polymeren Substraten zeigen die
Schwierigkeiten der Prozessführung auf Kunststoffsubstraten auf. Die Verwendung der Kunst-
stoffsubstrate liefert daher zunächst keine Erfolg versprechenden Ergebnisse. Vielfältige Un-
verträglichkeiten der Kunststoffsubstrate und Isolatoren mit Ätz- und Reinigungslösungen der
Halbleitertechnologie lassen dabei die Wahl eines geeigneten Präparationsweges zur Herausfor-
derung anwachsen. Der Wunsch einer hohen Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und die als ein
Schwerpunkt dieser Arbeit durchgeführten Alterungsuntersuchungen legen daher die Wahl von
Silizium als Substratmaterial nahe. Gerade auch für die Separation von Alterungsmechanismen
ist die Verwendung eines degradationsverminderten Substrats von entscheidender Bedeutung.
Als Ausgangsmaterial der OFET Herstellung werden sowohl p- als auch n-dotierte Silizium-
Wafer benutzt. Da der Wafer neben der Verwendung als Substrat in der einfachen OFET
Konfiguration (siehe Kapitel 1.2) gleichzeitig als Gate-Elektrode verwendet wird, ist eine hohe
Grunddotierung für einen geringen elektrischen Widerstand des Ausgangsmaterials notwendig.
Welche Art der Dotierung verwendet wird, sowie die Wahl der Kristallorientierung sind in
diesem Fall unwichtig. Am häufigsten werden <100>-orientierte Wafer mit p-Dotierung von
der Firma ’SiMat’ verwendet. Vor dem ersten Präparationsschritt wird jeweils eine ’Reinigung
A’ ausgeführt, um definierte Ausgangsbedingungen für alle Wafer zu haben und um mögliche
Verunreinigungen vom Transport zu entfernen.
Abbildung 3.2: Zur thermischen Oxidation werden die Silizium-Wafer auf einem Quarzglas-Boot
in das Oxidationsrohr gefahren. Bei 900 −1000◦Cströmt dann Sauerstoff zur trockenen Oxidation
über die Wafer. Zur feuchten Oxidation hingegen wird Stickstoff durch ein auf 78 −95◦Cauf-
geheiztes Bubbler-Gefäß geschickt, welcher den Wasserdampf in das Oxidationsrohr transportiert.
Das Wasser dissoziiert bei den hohen Temperaturen und führt zu einem zügigen Oxidwachstum
(Nach [52])
Der Aufbau der Transistoren beginnt jeweils mit der Erzeugung einer dicken Isolationsschicht
auf der im Falle des einfachen Transistoraufbaus (siehe Abbildung 1.4) die Leiterbahnen und
24
3.2. DIELEKTRIKUM
Kontaktpads verlaufen sollen. Im Falle eines Transistors mit isolierten Gate-Elektroden (siehe
Abbildung 1.5) müssen die metallischen Gate-Strukturen elektrisch isoliert voneinander aufge-
baut werden. Da Silizium-Wafer als Substrat benutzt werden, bietet es sich an thermisch ge-
wachsenes Siliziumdioxid (SiO2), das so genannte Feldoxid, mit einer Dicke von 400 −500 nm
durch feuchte Oxidation zu erzeugen (siehe Abbildung 3.2). Um einen guten Kompromiss aus
schnellem Wachstum und elektrischer Durchbruchfestigkeit zu erhalten, wird diese Oxidation
üblicherweise bei 960◦Cdurchgeführt. Die Wassertemperatur des Bubblers für den Einlass des
Wasserdampfes beträgt 78◦Coder 95◦C. Bei allen Werten handelt es sich um Standardwerte,
deren Anwendbarkeit sowohl in unserem Labor, als auch in der Literatur bereits nachgewiesen
wurde [52].
Im Anschluss an das Aufwachsen des Feldoxids erfolgt im Falle der einfachen Transistoren eine
Öffnung des Oxids mittels Fotolithografie und Ätzen mit Flusssäure (HF). In den so entstande-
nen Oxidfenstern soll nachfolgend das dünnere, elektrisch aktive Gate-Dielektrikum aufwachsen.
3.2 Dielektrikum
Ein gutes Dielektrikum für den Einsatz in Pentacen-OFETs benötigt eine Vielzahl wichtiger
Eigenschaften:
•Eine hohe elektrische Durchbruchfestigkeit bei geringer Schichtdicke
•Eine glatte Oberfläche (für ein geordnetes Pentacen-Wachstum, siehe [43][46][66])
•Eine große dielektrische Konstante (für eine geringe Einsatzspannung)
•Eine möglichst niedrige Verarbeitungstemperatur (im Hinblick auf den Einsatz auf Kunst-
stoffsubstraten)
•Eine geringe Störstellendichte (für eine definierte Schwellenspannung)
•Eine möglichst unpolare Oberfläche (für eine gute Anlagerung des Pentacens)
Die elektrische Durchbruchfestigkeit stellt gerade bei den OFETs mit üblichen Gate-Source-
Spannungen von bis zu 40 V, in Einzelfällen in der Literatur auch bis zu 100 V[67][68][69]
eine Herausforderung an das Dielektrikum dar. Die beste elektrische Stabilität bei geringer
Schichtdicke weist im Vergleich üblicher Dielektrika, thermisch trocken gewachsenes SiO2auf
[52]. Durch das Oxidwachstum aus dem einkristallinen Wafer entsteht eine glatte Oberfläche
mit wenigen Oxidladungen, die die Schwellenspannung beeinflussen könnten. Nachteilig stellt
sich jedoch die hohe Verarbeitungstemperatur von ca. 960◦Cheraus. Außerdem erfordert tro-
cken gewachsenes SiO2eine Siliziumgrundlage, die durch Überströmen mit reinem Sauerstoff
oxidiert.
Ebenfalls eine hohe elektrische Qualität weist langsam gewachsenes SiO2durch feuchte Oxi-
dation auf. Eine geringe Aufwachsrate wird hierbei durch eine geringe Wassertemperatur im
Bubbler-Gefäß von üblicherweise 78◦Cerzielt. Die Wachstumsraten sind im Vergleich zum sehr
langsam wachsenden thermischen Oxid bei guter elektrischer Stabilität ein guter Kompromiss.
25
3.2. DIELEKTRIKUM
Feucht gewachsenes SiO2eignet sich auch aufgrund der glatten Oberfläche hervorragend für
Wachstumsstudien an thermisch verdampftem Pentacen.
Ein späterer Einsatz auf Kunststoff-Wafern und für OFETs mit isolierten Gate-Elektroden
ist jedoch für thermisch gewachsenes SiO2nicht möglich, da dieses wie oben beschrieben Si-
lizium als Wachstumsgrundlage benötigt. Als weiteres Ziel wird zu Beginn der Arbeiten ein
von Silizium-Wafern unabhängiges Dielektrikum gesehen, dass sich bei niedriger Temperatur
herstellen lässt.
Nahe liegend, weil auch in der MOS-Technik Verwendung findend, ist die Nutzung von ’chemical
vapour deposition’-(CVD)-Oxiden, also aus der Gasphase abgeschiedenen Dielektrika. Bei den
CVD Verfahren wird zwischen APCVD- (Atmosphären-CVD), LPCVD- (Niedrigdruck-CVD)
und PECVD-Verfahren (Plasma-Enhanced-CVD) unterschieden. Allen Verfahren gemein ist
die Zersetzung eines chemischen Grundstoffes zur Schichtabscheidung. Unterschiede sind in der
Prozesstemperatur, dem Prozessdruck oder in der Anwendung eines Plasmas zur Zersetzung
der Prozesschemikalien auszumachen.
Das APCVD-Verfahren wird heute aufgrund seiner schlechten Konformität kaum noch ver-
wendet und wird nicht zur Abscheidung von Schichten im Rahmen dieser Arbeit genutzt. Das
LPCVD-Verfahren hingegen weist eine Vielzahl von Einstellmöglichkeiten für die Konformität
und die Durchbruchfestigkeit über den Druck und die Prozesstemperatur auf und erlaubt die
Verwendung eines breiten Spektrums von Prozesschemikalien, wie z.B. Triethylsilan (TES) oder
Tetraethylorthosilikat (TEOS). Mit Zielrichtung auf die Charakterisierung des Schichtwachs-
tums des Pentacens beim thermischen Verdampfen wird eine Reihe von LPCVD-Isolatoren
getestet, deren Abscheidung im Druckbereich zwischen 1·10−2mbar bis 1·10−1mbar durchge-
führt wird:
•TEOS (Tetraethylorthosilikat) wird als LPCVD-Prozess bei Temperaturen von 700 −
750◦Cmit hohen Aufwachsraten als SiO2abgeschieden. Es weist im Vergleich zu anderen
Oxiden eine hohe Störstellendichte auf.
•LTO (Low-Temperature-Oxide) kann mit dem Ausgangsstoff Diethylsilan schon bei deut-
lich geringeren Temperaturen um 425◦C, in der hier vorgestellten Form mit Triethylsilan
jedoch erst oberhalb von 520◦Cabgeschieden werden. Als weiteres Prozessgas muss Sau-
erstoff in hochdosiertem Fluss zugegeben werden.
•Si3N4wird aus den Ausgangsstoffen Triethylsilan und Ammoniak bei Temperaturen von
800◦Cabgeschieden. Es weist eine hohe elektrische Qualität und eine glatte Oberfläche
auf.
Entscheidend bei allen LPCVD-Prozessen ist, dass die notwendige Energie zum Aufspalten
der Ausgangsverbindungen zur Abscheidung auf den Wafern thermisch zugeführt wird. Daher
sind die oben angegebenen Temperaturen stets Mindestwerte und können nicht unterschritten
werden.
PECVD-Oxide lassen sich aufgrund des zusätzlichen Energieeintrags über eine Plasmaentla-
dung schon im Temperaturbereich von unter 200◦Cerzeugen. Die niedrige Prozesstemperatur
ermöglicht im Gegensatz zu den Hochtemperaturprozessen eine Abscheidung von SiO2auch
direkt auf metallischen Schichten. Höhere Prozesstemperaturen sind prinzipiell möglich und
26
3.3. DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE
gehen mit größeren Wachstumsraten einher. Für den Einsatz in OFETs wird ein PECVD-Oxid
mit den Ausgangsstoffen Argon-Silan und Sauerstoff verwendet. Nachteilig bei PECVD-Oxiden
ist eine erfahrungsgemäß hohe Störstellendichte und eine verglichen mit thermischem Oxid
geringere elektrische Stabilität.
Ein weiterer Abscheideprozess bei niedrigen Temperaturen ist das Sputtern. Bei einem mitt-
leren Druck zwischen 1·10−2mbar bis 1·10−1mbar wird über ein elektrisches Wechselfeld
im Prozessgas Argon eine Gasentladung angeregt. Über eine hohe Bias-Spannung werden die
Rumpfatome des Prozessgases auf ein Targetmaterial beschleunigt, dessen Atome durch die
auftreffenden Ionen zerstäubt werden und sich in der gesamten Vakuumkammer sowie auf den
zu beschichtenden Wafern verteilen. Wird ein weiteres Prozessgas eingelassen, so können die
freigesetzten Atome des Targets mit denen des Gases reagieren. Bei Verwendung eines Silizium-
oder Tantal-Targets lässt sich so beispielsweise unter Zugabe von Sauerstoff reaktiv gesputter-
tes SiO2bzw. Tantalpentoxid auf den Wafern abscheiden. Letzteres zeichnet sich im Vergleich
zu allen Siliziumoxiden durch eine deutlich höhere dielektrische Konstante von εr≈20−35 aus
[70] und wird im Rahmen dieser Arbeit neben den oben beschriebenen CVD-Oxiden getestet.
Ein Dielektrikum mit einer höheren dielektrischen Konstante ermöglicht prinzipiell die Senkung
der in OFETs sehr hohen Betriebsspannungen [71].
Alle in diesem Kapitel diskutierten elektrischen Eigenschaften beziehen sich auf Erfahrungs-
werte aus der Silizium-Halbleitertechnologie. Ziel der in dieser Arbeit durchgeführten systema-
tischen Untersuchungen verschiedener Dielektrika ist es, Erfahrungen im Wechselspiel mit dem
organischen Halbleiter Pentacen zu sammeln.
Beim Feldeffekt Transistor wird die Anzahl der Ladungsträger und damit auch die Stromstärke
im Transistorkanal über das elektrische Feld der Gate-Elektrode gesteuert. Ähnlich dem Plat-
tenkondensator hängt dieses sowohl von der dielektrischen Materialkonstanten als auch von
der Dicke des Dielektrikums ab. Prinzipiell ist daher ein möglichst dünnes Dielektrikum wün-
schenswert, kann aber oft aufgrund von z.B. hohen Leckströmen wie beim LTO nicht realisiert
werden. Ein dickeres Dielektrikum, welches die Leckströme reduzieren kann, ist ein schlechter
Kompromiss. Aus den Shockley-Gleichungen für Silizium-Transistoren (siehe Kapitel 1.2) folgt
die Skalierbarkeit der Transistoren herunter zu kleineren Strukturgrößen bei gleich bleibenden
elektrischen Kenndaten. Bei der Skalierung werden alle geometrischen Bauelementabmessungen
um den gleichen Faktor reduziert. Die maximale Dicke des Dielektrikums, insbesondere SiO2,
sollte demzufolge jedoch auch auf 1
5der Transistorkanallänge L begrenzt sein, um die Funkti-
onsweise des Bauelements bei Kurzkanaltransistoren nicht zu beeinträchtigen [72]. Anderenfalls
würde die Wirkung des elektrischen Feldes der Gate-Elektrode zu stark abgeschwächt. Im Tran-
sistorkanal würde dann nur noch das Feld zwischen Drain- und Source-Elektrode dominieren
und eine Steuerung des Kanalleitwertes über die Gate-Source-Spannung beeinflussen.
3.3 Drain- und Source-Kontakte
Ein wichtiger Faktor für die Qualität eines organischen Feldeffekt Transistors ist die Auswahl
und Beschaffenheit des Kontaktmaterials. Als wichtiges Bindeglied zwischen den Leiterbahnen
der Schaltung und dem Halbleitermaterial, kann alleine die Qualität des Kontakts die Funkti-
on des gesamten Transistors beeinflussen. Die primäre Aufgabe der Kontakte ist es, eine gute
elektrische Verbindung zwischen dem Metall der Leiterbahnen und dem Halbleiter zu garan-
27
3.3. DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE
tieren. Am Source-Kontakt sollen Ladungsträger in den Transistorkanal injiziert werden, am
Drain-Kontakt werden diese wieder abgezogen.
Eine gute Ladungsträgerinjektion hängt dabei vor allem von der Wahl eines Metalls mit pas-
sender Austrittsarbeit ab. Pentacen als p-leitender Halbleiter benötigt für den Übergang von
Elektronen zwischen dem Kanal und dem Kontakt (Löcherinjektion) ein Metall mit einer Aus-
trittsarbeit nahe seines HOMO-Niveaus (siehe Kapitel 2.2). Wird ein Kontaktmaterial mit einer
geringeren Austrittsarbeit gewählt, so bildet sich eine Potenzialschwelle für die Ladungsträger,
die deren Eintritt in den Halbleiter erschwert, weil zu ihrer Überwindung zusätzliche Energie
notwendig ist. Gold (Ea= 5.1eV ), Nickel (Ea= 5.15 eV ) und Palladium (Ea= 5.12 eV ) sind
daher Metalle, deren Austrittsarbeit für die Verwendung in Pentacen-OFETs günstig ist [23].
Neben einer passenden Austrittsarbeit muss das Metall noch weitere Kriterien für einen guten
elektrischen Kontakt erfüllen. Die in dieser Arbeit favorisierte so genannte ’bottom-contact’
Transistorkonfiguration mit unter dem organischen Halbleiter liegenden Drain- und Source-
Kontakten bedingt eine thermische Bedampfung mit dem Halbleiter Pentacen als abschlie-
ßenden Schritt. In der Literatur findet sich des öfteren der Vorschlag, das Kontaktmetall in
so genannter ’top-contact’ Formation zum Schluss der Prozessierung durch thermisches Ver-
dampfen oder Sputtern auf den organischen Halbleiter aufzubringen [37] [66] [73] [74] [75]. Der
Vorteil der top-contact Strukturierung sollen bessere elektrische Transistoreigenschaften wie
z.B. die Ladungsträgerbeweglichkeit des Transistors sein [76]. Als Nachteil dieser Methode ist
allerdings anzuführen, dass die Kontakte nicht fotolithografisch strukturiert werden können, da
dieser Prozessschritt die Pentacen-Schicht zerstört.
Deswegen werden die Kontaktstrukturen durch eine Schattenmaske während des Abscheide-
prozesses vorgegeben. Das so erzielten Strukturmaß weicht jedoch erheblich von der Auflösung
der Fotolithografie ab. Außerdem ist anzumerken, dass es bei der Abscheidung von Metallen
auf den organischen Film zu einer Eindiffusion der Metallatome in den Halbleiter kommt [77],
wobei der Einfluss dieser Diffusion auf den Metall-Halbleiter-Kontakt noch nicht abschließend
geklärt ist.
Abbildung 3.3: Die <111> Oberfläche des Goldes bietet eine gute Grundlage für das Wachstum
des thermisch aufgedampften Pentacens. Durch Wechselwirkungen mit dem Substrat kann sich das
Pentacen in mehreren Gitterkonfigurationen (A,B,C) auf dem Gold in hoher Ordnung organisieren
(Nach [78])
Wie im Kapitel 3.2 angesprochen wird, muss das Dielektrikum beste Voraussetzungen für das
darauf stattfindende Wachstum des Pentacens bieten. Gleiches gilt für die Kontakte, die für ein
geordnetes Pentacen-Wachstum sowohl glatt strukturiert sein müssen, als auch günstige Wech-
selwirkungen mit dem Pentacen eingehen sollten. Während die Oberflächenrauhigkeit speziell
an den Seiten des Kontakts eher eine Frage der Prozessierung ist, so sind die angesprochenen
Metall-Halbleiter-Wechselwirkungen wiederum eine charakteristische Eigenschaft des verwen-
28
3.3. DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE
deten Materials. Für die <100> Oberfläche des Kupfers [79] und die <111> Oberfläche des
Goldes [78] wurde beispielsweise nachgewiesen, dass sich aufgedampfte Pentacen-Moleküle ent-
lang ihrer Hauptmolekülachse über die jeweils darunter liegenden Metallatome legen (siehe Ab-
bildung 3.3). Eine Ladungsträgerinjektion über die gesamte Moleküllänge wäre so möglich. Bei
ungünstigen Metall-Halbleiter-Wechselwirkungen kann es somit leicht zu einer Verminderung
des Kontakts, einer Reduzierung des Leitungsquerschnitts und damit auch der Ladungsträger-
injektion von den Transistorkontakten zum Halbleiter kommen.
Die Wahl des Kontaktmetalls wird jedoch noch von einer Reihe weiterer Faktoren beeinflusst,
die Prozessierbarkeit und die Kosten z.B. spielen dabei eine nicht unerhebliche Rolle. Eine
einfache Abscheidung mittels Elektronenstrahlverdampfung im Hochvakuum bei 1·10−6mbar
(Nickel, Palladium) oder durch Sputtern bei 6·10−2mbar (Gold) stellt zwar keine zwingende
Notwendigkeit zur Herstellung von OFETs dar, kann aber entscheidend für die industrielle
Nutzung des erprobten Konzepts sein.
Das von Forschern aufgrund seiner Austrittsarbeit als Rückkontakt für OLEDs favorisierte,
aber auch in OFETs angewendete Kalzium [80] [81] beispielsweise lässt wegen seiner hohen
Reaktivität mit Luftsauerstoff eine Verarbeitung außerhalb von Inertgas gefüllten Gloveboxen
in keiner Weise zu. Einer großseriellen Produktion von OLEDs mit Kalzium-Kontakten stehen
daher bisher die erheblichen Kosten für Kapselung und Inertatmosphäre entgegen. Neben den
Kosten für die Herstellung der Kontakte sollte der Rohstoffpreis selbst hingegen auch nicht
unterschätzt werden. Trotz vergleichsweise günstiger elektronischer Eigenschaften spricht der
hohe Preis gegen die Verwendung von Gold als Kontaktmaterial in der Massenfertigung.
Neben einer einfachen Abscheidung auf das Substrat ist auch eine gute Haftung des Kontakt-
materials auf dem Isolator von Bedeutung. Die Haftung von Goldschichten, die direkt auf das
SiO2-Dielektrikum aufgebracht werden, ist eher gering. Wird die anschließende Strukturierung
der Kontakte mittels ’Lift-off’ im Ultraschallbad durchgeführt, so kann sich das schwach haf-
tende Metall leicht lösen. Soll auf die guten Injektionseigenschaften des Goldes nicht verzichten
werden, so empfiehlt es sich, als Haftvermittler eine dünne Schicht eines besser haftenden Me-
talls vor der Goldbeschichtung auf dem Dielektrikum zu deponieren. Hierzu bieten sich die gut
haftenden Metalle Nickel [82], Titan [14] oder Chrom [83] an.
Trotz seiner gegenüber Pentacen günstigen Austrittsarbeit und der guten Haftung auf SiO2ist
die Verwendung von Nickel als Kontaktmetall zu überdenken. Schon eine kurze Lagerung der
Nickel-Kontakte an der Umgebungsluft lässt das Metall oxidieren und den Übergangswiderstand
zum Halbleiter steigen.
Die bei der Fertigung von OFETs übliche ganzflächige Beschichtung mit dem organischen Halb-
leiter birgt ein nicht zu vernachlässigendes Risiko von Leckströmen zwischen benachbarten
Bauelementen, auch begünstigt durch die bisher noch hohen Betriebsspannungen. Daher ist
es notwendig, über die Form und den Aufbau der Kontakte in den Transistoren zu diskutie-
ren. Beispielsweise können Transistorleckströme durch Verwendung einer ’Corbino-Struktur’
abgeschwächt werden, wozu sich in der Literatur einige Vorschläge finden [43] [84] [85] (siehe
Abbildung 3.4). Durch einen umlaufenden, allumfassenden Source-Kontakt soll das Potenzial
innerhalb des Transistors abgeschirmt werden, um parasitäre Ströme zu benachbarten Tran-
sistoren zu unterdrücken. Trotz dieses erfolgreichen Konzepts zur Minimierung des Leckstroms
leidet diese Form des Transistors an einem erheblich höheren Platzbedarf durch die ringförmige
Strukturierung.
29
3.4. DER ORGANISCHE HALBLEITER
Abbildung 3.4: Durch eine ringförmige Anordnung des Source-Kontakts sollen Leckströme zwi-
schen verschiedenen Transistoren minimiert werden (Nach [84])
3.4 Der organische Halbleiter
Die Präparation von ’bottom-contact’ OFETs endet meist mit der Abscheidung des organischen
Halbleitermaterials. Ist der Halbleiter auf den Kontakten und dem Dielektrikum deponiert, so
ist das Bauelement voll funktionsfähig. Denkbar wäre noch, eine Kapselung durchzuführen, um
die Alterung des OFETs zu verhindern.
Je nach verwendetem Halbleitermaterial, ob Polymer, Oligomer oder ’small molecule’ bieten
sich die Depositionsverfahren Dip-Coating, Rakeln, Spin-Coating oder thermisches Bedamp-
fen an. Polymere als langkettige Moleküle oder Oligomere als ihre kurzkettigen Verwandten,
verfügen meist über eine gute Löslichkeit in gängigen Lösungsmitteln wie z.B. Chloroform,
Isopropanol, Toluol oder Xylol. Diese Eigenschaft verdanken sie speziellen Seitengruppen, die
oft eigens für diesen Zweck an das Molekül angelagert sind. Befinden sich die Polymere oder
Oligomere bereits in Lösung, so kann der Halbleiter beispielsweise durch Eintauchen des Wafers
in diese Lösung mit anschließendem langsamen Herausziehen durch so genanntes Dip-Coating
aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit stellt das Rakeln dar, bei der die Lösung mit dem
Halbleiter mit einem Werkzeug glatt über die Oberfläche gestrichen wird. Da das verwendete
Werkzeug einem medizinischen Skalpell ähneln kann, wird hierbei auch vom ’Doctor-blading’
gesprochen.
Das zur Herstellung dünner halbleitender Filme aus der Lösung am weitesten verbreitete Ver-
fahren ist jedoch das Spin-Coating. Während der Wafer durch ein Vakuum auf einem Drehteller
fixiert ist, wird die Lösung mit einer Spritze auf dessen Mitte gegeben. Bei hoher Drehzahl wird
nun überflüssiges Material vom Wafer heruntergeschleudert, während der Rest der Lösung einen
dünnen glatten Film bildet. Als entscheidende Faktoren für die Qualität des hergestellten Fil-
mes können die Spin-Geschwindigkeit und die Verdünnung der Lösung festhalten werden. Die
Dauer des Spin-Vorgangs ist dabei von weniger großer Bedeutung, wichtig ist nur, dass genü-
gend Zeit zum Verdampfen des Lösungsmittels zur Verfügung steht. Verglichen mit dem Rakeln
oder dem Dip-Coating lassen sich mit dem Spin-Coating Verfahren die reproduzierbarsten dün-
30
3.4. DER ORGANISCHE HALBLEITER
ne Filme herstellen. So wird z.B. zur Durchführung der Fotolithografie der Fotolack ebenfalls
durch Spin-Coating aufgetragen. Als nachteilig stellt sich jedoch für alle Beschichtungsverfahren
mittels Lösung heraus, das sich keines für die Erzeugung hochgeordneter molekularer Schichten
eignet. Die im Kapitel 2.4 genannten Verfahren wie Offset-Drucken oder Tintenstrahldrucken
sich zwar prinzipiell zur Verarbeitung von organischen Halbleitern in Lösung anwendbar, jedoch
sind heute noch keine reproduzierbaren Bauelemente mit diesen Verfahren herstellbar.
Das in dieser Arbeit verwendete Pentacen weist eine äußerst geringe Löslichkeit in allen üblichen
Lösungsmitteln auf. Die Herstellung einer dünnen Schicht aus der Lösung lässt sich nur realisie-
ren, falls ein so genannten ’Precursor’-Schritt verwendet wird. Dazu werden an das Pentacen,
ähnlich wie bei den Polymeren, löslichkeitsfördernde Seitengruppen angebunden [14] [86] [87].
Diese Vorstufe des Pentacens lässt sich aus der Lösung auf den Wafer aufbringen. Anschließend
erfolgt eine Umwandlung in die bekannte Form (siehe Abbildung 3.5) durch einen Temper-
Schritt, bei dem sich die Seitengruppen vom Grundgerüst des Moleküls lösen. Auf diese Weise
erzeugte halbleitende Schichten weisen jedoch stets eine geringere Ladungsträgerbeweglichkeit
auf als Schichten, die durch thermisches Verdampfen aufgewachsen werden.
Abbildung 3.5: Durch Seitengruppen kann die Löslichkeit des Pentacen-Moleküls stark erhöht
werden, die halbleitenden Eigenschaften leiden dabei jedoch erheblich. Nach dem Spin-Coaten ei-
nes Pentacen Precursors werden in einem Temperschritt die Seitengruppen wieder entfernt, das
Pentacen-Molekül verbleibt auf der Wafer-Oberfläche (Nach [86])
Da das Pentacen-Molekül eine hohe thermische Stabilität aufweist, bietet es sich an, die Be-
schichtung durch thermisches Verdampfen im Hochvakuum bei ca. 1·10−6mbar durchzuführen.
Eine Verdampfung des Pentacens mittels Elektronenstrahl zur Abscheidung dünner Schichten
kann nicht in Betracht gezogen werden. Die dabei eingebrachten Energiemengen beanspruchen
die Stabilität zu stark und es kommt zum Aufbrechen des Moleküls. Neben vollständigen Mo-
lekülen gelangen so auch Bruchstücke davon auf die Oberfläche des Wafers. Auf diese Weise
hergestellte Pentacen-Filme weisen im Vergleich zu Schichten aus reinem Pentacen deutlich re-
duzierte elektrische Eigenschaften auf. Die thermische Stabilität ist auch der Grund dafür, dass
Polymere und Oligomere nicht verdampft werden können. Ihre langen Ketten geraten durch
die thermische Anregung beim Verdampfen so sehr in Schwingungen, dass sie brechen und nur
kurze Kettenfragmente verdampfen.
31
3.4. DER ORGANISCHE HALBLEITER
Als wichtige Parameter zur Abscheidung eines für einen effizienten Ladungstransport wichtigen
hochgeordneten Films sind (siehe Kapitel 2.3):
•die Aufwachsrate (<0.1nm
s),
•der Prozessdruck (5·10−6mbar bis weniger als 8·10−7mbar),
•die Substrattemperatur (60 −70◦C),
•der Abstand des Substrats zur Verdampferquelle (25 cm)
•und die Reinheit des Ausgangsmaterials (>99.9%) sowie der Substratoberfläche.
In Klammern angegeben sind typische Parameter, wie sie im Rahmen dieser Arbeit verwendet
werden.
Eine weitere wichtige Rolle bei der Entstehung hoch geordneter Filme und großer kristalliner
Bereiche scheint eine Vorbereitung des Dielektrikums mit so genannten Haftvermittler zu spie-
len. Das Pentacen geht bei der Abscheidung auf das Dielektrikum keine chemische Bindung
mit dem Substratmaterial ein [47] [48], daher kann die Funktion der Substratanbindung nur
über Haftvermittler geschehen. Das Haftvermittler-Molekül besitzt dazu zwei funktionale En-
den, von denen das erste eine chemische Bindung mit dem Substratmaterial eingeht, während
das zweite Ende mit dem organischen Halbleiter wechselwirkt [88]. Als geeignete Haftvermittler
für den Einsatz in Verbindung mit Pentacen werden dazu in der Literatur oft das Octadecyl-
trichlorsilan (OTS) sowie das Hexamethyldisilazan (HMDS) benutzt, wobei letzteres auch zur
Haftverbesserung von Fotolacken bei der Fotolithografie verwendet wird. Während das HMDS
vorwiegend durch Spin-Coating [89][90] oder aus der Gasphase [52] auf die heißen Wafer als
Monolage abgeschieden wird, gibt es beim OTS andere Wege, die ’self-assembled-monolayer’ zu
erzeugen. Favorisiert werden hierbei das Dip-Coating [15][91] oder auch die Abscheidung aus
der Dampfphase im Vakuum auf den aufgeheizten Wafer [12][92] [93].
Für die notwendige chemische Reaktion mit dem Substratmaterial müssen offene chemische Bin-
dungen an der Oberfläche vorliegen. Diese können über eine Sauerstoff-Plasma-Behandlung vor
der eigentlichen Prozessierung des Haftvermittlers erzeugt werden [90]. Eine alleinige Sauerstoff-
Plasma-Behandlung jedoch kann ebenfalls eine deutliche Verbesserung der organischen Film-
struktur sowie der elektrischen Parameter zur Folge haben. Erfahrungswerte dazu liefert die
Literatur [16][94], oder aber das Kapitel 4.1.1, in dem eigene Ergebnisse vorgestellt werden.
Wie schon im Abschnitt 3.3 angesprochen, kann es durch die ganzflächige Bedampfung mit
dem organischen Halbleiter als letztem Prozessschritt im Betrieb der OFETs zur Ausbildung
parasitärer Leckströme sowie parasitärer Transistoren kommen. Abhilfe kann neben einer flä-
chenintensiven Corbino-Transistorstruktur die lokale Entfernung des aufgedampften Pentacens
zwischen den Transistoren schaffen. Eine Möglichkeit zur Strukturierung des Pentacen-Films ist
die ’Laser Ablation’-Methode mit gepulster Laser-Beleuchtung zur Entfernung des überflüssigen
Halbleitermaterials [95]. Als Nachteil stellt sich hierbei die genaue Justierbarkeit des Verfahrens
heraus, und es können nur kleine Bereiche von wenigen Quadratmikrometern bei einem einzel-
nen Laserpuls entfernt werden. Es handelt sich bei diesem Verfahren um einen sequenziellen
Prozess, der nicht planar angewendet werden kann. Die Strukturierung vieler Transistorbereiche
32
3.5. PROZESSABFOLGE ZUR HERSTELLUNG VON OFETS
ist damit ist sehr zeitaufwändig, unter Umständen können nur Ringe von wenigen Mikrometern
Breite um jeden einzelnen Transistor auf einem Wafer strukturiert werden.
Einmal hergestellte organische Filme sind sehr empfindlich gegenüber der weiteren Prozessie-
rung. Diese Eigenschaft kann als weiteres Argument für die in dieser Arbeit verwendete ’Bottom-
Contact’-Formation angesehen werden kann. Jegliche Bedeckung mit weiteren Schichten oder
eine nasschemische Prozessierung bedeuten eine Störung, womöglich sogar die Zerstörung der
Ordnung im organischen Halbleiter. Um so bedeutender ist daher die fotolithografische Struk-
turierung des Pentacen-Films, wie in [12] oder [96] beschrieben: Auf die Pentacen-Schicht wird
durch thermisches Verdampfen eine 1µm dicke Parylene bzw. durch Spin-Coating eine Polyvi-
nylalkohol Kapselung aufgebracht. Diese wiederum wird fotolithografisch strukturiert und dient
als Maskierung für einen folgenden Trockenätzschritt mit Sauerstoff im ’Reactive Ion Etching’
(RIE) Verfahren. Verglichen mit dem ’Laser Ablation’-Verfahren ist diese Methode als Planar-
technik anwendbar und bietet daher einen Zeitvorteil sowie vergleichbare Prozessbedingungen
für alle Transistoren auf dem Wafer. Dem Bericht [96] zufolge soll der zusätzliche Prozessschritt
keinen Einfluss auf die elektrischen Transistorparameter haben.
3.5 Prozessabfolge zur Herstellung von OFETs
Als Abschluss des Kapitels zur Beschreibung der Prozessbedingungen der hergestellten OFETs
soll nun eine Übersicht der einzelnen Prozessschritte folgen, um die Schichtenfolge im Quer-
schnitt der Transistoren zu verdeutlichen.
1. Folge der Prozessschritte zur Herstellung einfacher OFETs mit gemeinsamer Gate-Elektrode
für alle Transistoren auf dem Wafer (siehe Abbildung 3.6):
(a) Reinigung eines neuen Wafers als Substrat für die Prozessierung
(b) Thermische Oxidation zum Aufwachsen eines Feld-Oxids von mindestens 400 −
500 nm Dicke zur elektrischen Isolation der darauf verlaufenden Leiterbahnen
(c) Fotolithografie zur Strukturierung des Gate-Bereichs
(d) Ätzen des Gate-Bereichs mit Flusssäure
(e) Entfernen des Fotolacks, Reinigung des Wafers und thermische Oxidation zur Her-
stellung des Gate-Oxids
(f) Umkehrfototechnik zur Erzeugung einer negativ Lackmaske als Vorbereitung zum
späteren Lift-off
(g) Beschichtung mit dem Metall der Drain- und Source-Kontakte
(h) Lift-off, Sauerstoff-Plasma-Reinigung
(i) Thermisches Verdampfen des Pentacens
33
3.5. PROZESSABFOLGE ZUR HERSTELLUNG VON OFETS
Abbildung 3.6: Abfolge der Prozessschritte zur Herstellung eines OFETs
34
3.5. PROZESSABFOLGE ZUR HERSTELLUNG VON OFETS
2. Folge der Prozessschritte zur Herstellung einfacher OFETs mit isolierter Gate-Elektrode
(siehe Abbildung 3.7):
(a) Reinigung eines neuen Wafers als Substrat für die Prozessierung
(b) Thermische Oxidation zum Aufwachsen eines Oxids zur elektrischen Isolation der
darauf befindlichen Gate-Elektrode
(c) Aufdampfen des Metalls der Gate-Elektrode
(d) Fotolithografie zur Strukturierung des Gate-Metalls
(e) Ätzen des Gate-Metalls und Entfernen des Fotolacks
(f) Abscheidung eines CVD-Oxids als Dielektrikum; Fotolithografie und Ätzen zur Struk-
turierung der Oxid-Vias
(g) Reinigung des Wafers, Umkehrfototechnik zur Erzeugung einer negativ Lackmaske
als Vorbereitung zum späteren Lift-off
(h) Beschichtung mit dem Metall der Drain- und Source-Kontakte
(i) Lift-off, Sauerstoff-Plasma-Reinigung
(j) Thermisches Verdampfen des Pentacens
35
3.5. PROZESSABFOLGE ZUR HERSTELLUNG VON OFETS
Abbildung 3.7: Abfolge der Prozessschritte zur Herstellung eines OFETs mit isoliertem Gate-
Kontakt
36
Kapitel 4
Elektrische Charakterisierung
Direkt nach dem Abschluss der Transistorherstellung mit dem Bedampfen des Pentacens im
Hochvakuum wird die elektrische Charakterisierung der OFETs mittels Eingangskennlinie und
Ausgangskennlinienfeld durchgeführt. Aufgrund der Alterung der organischen Filme an der
Umgebungsatmosphäre [68][97] werden alle Messungen ohne großen Zeitverzug, d.h. beginnend
innerhalb maximal einer halben Stunde nach dem Entnehmen aus der Vakuumkammer durchge-
führt. Aufgrund der großen Zahl an einzelnen Transistorelementen von mehreren tausend Stück
pro Wafer, können auf jedem Wafer nur eine repräsentative, aber genügend große Auswahl an
OFETs verteilt über die gesamte Wafer-Oberfläche vermessen werden.
Zur Messung werden die Transistoren mit den Messnadeln eines Spitzenmessplatzes über Kon-
taktpads auf dem Wafer kontaktiert. Während der Messung befinden sich die OFETs in ei-
nem lichtdicht verschlossenen Metallschrank, um Störgrößen wie durch Lichteinfall erzeugte
Ladungsträger oder externe elektrische Felder von der Messung auszuschließen. Als Messge-
rät dient ein HP 4156 ’Semiconductor-Parameter-Analyser’ dessen Messgenauigkeit und Ein-
stellmöglichkeiten den Anforderungen von Halbleiterbauelementen und speziell auch organi-
schen Bauelementen genügt. Die Versorgung des OFETs mit der Drain-Source-Spannung sowie
der Gate-Source-Spannung erfolgte über zwei ’Source-Measuring-Units’ (SMU) innerhalb des
Parameter-Analysers. Mit einer SMU kann gleichzeitig eine Spannung beaufschlagt, als auch
der fließende Strom gemessen werden. Die Messleitungen zu den Messspitzen sind in Anleh-
nung an eine Vierpunktmessung über je zwei Koax-Leitungen realisiert, um den Einfluss der
Leitungswiderstände gering zu halten. Erst an der Messspitze werden beide Leitungen zusam-
mengeführt.
Messungenauigkeiten können sich bei der Messung von Eingangs- und Ausgangskennlinen dann
ergeben, wenn die zu vermessenden Spannungsbereiche zu rasch durchlaufen werden. Die relativ
hochohmigen organischen Filme benötigen oftmals eine kurze Zeitspanne, um die Ladungsträ-
gerkonzentration auf geänderte Gate-Source- oder Drain-Source-Felder einzustellen. Die IEEE
Messvorschrift zur Charakterisierung organischer Feldeffekt Transistoren [27] sieht nach der
Aufnahme eines jeden Messwertes eine Wartezeit von 10 ms vor, damit sich der organische
Halbleiter auf die Variation der elektrischen Felder einstellen kann. So können Hystereseeffekte
beim Durchfahren des Messbereichs in zwei Richtungen vermieden werden. Da die IEEE Mess-
vorschrift jedoch erst im letzten Drittel der hier vorgestellten Arbeiten veröffentlicht wurde,
sind lediglich die Ergebnisse zu den Kapselungsuntersuchungen mit dieser Methode gemessen.
37
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Vergleichsmessungen ergeben jedoch nur einen äußerst geringen Einfluss dieser zusätzlichen
Wartezeit auf das Ergebnis der Messungen, der verglichen mit anderen Effekten, wie beispiels-
weise der Luftfeuchtigkeit, eine untergeordnete Rolle spielt.
Die Messungen der Transistorkennlinien erfolgen im Messbereich zwischen Spannungen von
maximal −40 Vbis +40 V, sowohl für die Eingangs- als auch für die Ausgangskennlinien. Dieser
verglichen mit MOS-Transistoren hohe Spannungsbereich ist jedoch für organische Halbleiter
durchaus üblich und erlaubt sowohl das sichere Erreichen des Transistorsättigungsbereichs als
auch eine verlässliche Aussage über den Leckstrom im ausgeschalteten Zustand des OFETs.
4.1 Einfluss des Dielektrikums
Da zu Beginn der Arbeiten mit dem organischen Halbleiter Pentacen kaum Erfahrungen zu des-
sen Kompatibilität mit den Prozessen und Materialien der anorganischen Halbleitertechnologie
bestehen, werden zunächst systematische Untersuchungen zur Wahl eines geeigneten Dielektri-
kums und Kontaktmaterials für den Bau von Transistoren durchgeführt. Als Substratmaterial
werden im Rahmen dieser Arbeit Silizium-Wafer ausgewählt. So liegt es nahe, zunächst die ver-
fügbaren Dielektrika aus der MOS-Technik in Verbindung mit dem Pentacen zu testen (siehe
Abschnitt 3.2).
Als besonders wichtige charakteristische Eigenschaft des verwendeten Dielektrikums ist neben
einer hohen elektrischen Durchbruchfeldstärke eine möglichst glatte Oberfläche zu nennen [98].
Diese bietet dem anschließend aufgedampften Pentacen eine ideale Wachstumsgrundlage für ein
homogenes Wachstum [43] [66] [99]. Große Rauigkeiten auf der dielektrischen Oberfläche hinge-
gen können als Kristallisationskeim wirken und begünstigen so ein amorphes Schichtwachstum
des organischen Halbleiters.
Ein weiteres entscheidendes Kriterium für die Wahl eines Dielektrikums im Einsatz in organi-
schen Bauelementen ist die elektrische Spannungsfestigkeit, da wie bereits eingangs erwähnt,
verglichen mit MOS-Transistoren große elektrische Felder zur Steuerung des Stroms im Tran-
sistor notwendig sind. Diese notwendigen Felder machen zusätzlich zur Verwendung spannungs-
fester Dielektrika das Führen der Leiterbahnen und Kontakte auf einem dickeren, den Gate-
Bereich umgebenden Isolator notwendig. Dieser besteht meist aus thermisch gewachsenem SiO2
von mindestens 400 nm Dicke. In fotolithografisch erzeugten und mit Flusssäure geätzten Gate-
Fenstern wird im Anschluss das elektrisch stark beanspruchte Gate-Dielektrikum erzeugt (vgl.
Abschnitt 3.2).
Die Integration von logischen Schaltungen erfordert einzeln steuerbare und elektrisch vonein-
ander isolierte Gate-Elektroden. Diese sollen im Rahmen dieser Arbeit durch Abscheidung von
beispielsweise Titan erzeugt werden. Bei Verwendung metallischer Kontakte scheidet zunächst
die thermische Oxidation zum Erzeugen des Gate-Oxides aus, da diese das Silizium des Wafers
als Reaktionspartner benötigt, welches dann vom Kontaktmetall verdeckt wird. Daher werden
verschiedene Verfahren der ’chemical vapour deposition’ (CVD) zur Verwendung in OFETs ge-
testet, die sich durch Prozesstemperatur, Konformität und die elektrische Durchbruchfeldstärke
unterscheiden.
38
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
4.1.1 Thermisch gewachsenes SiO2
Als besonders glattes und elektrisch stabiles Dielektrikum gilt das in der MOS-Technik ver-
breitet als Gate-Oxid verwendete thermisch gewachsene SiO2. Zur Erzeugung eines thermisch
gewachsenen Oxides als Dielektrikum für den Einsatz in OFETs werden zunächst Temperatur-
reihen zwischen 850◦bis über 1000◦Cdurchgeführt. Für das elektrisch stabilste Dielektrikum
bei vertretbarer Aufwachszeit wird dabei eine Prozesstemperatur von 960◦Cim Dreizonenofen
und eine Temperatur von 78◦Cfür den eingebrachten Wasserdampf ermittelt. Abbildung 4.1
zeigt das Ausgangskennlinienfeld sowie die Eingangskennlinie für einen typischen OFET mit
thermisch feucht gewachsenem SiO2bei einer Oxidationstemperatur von 960◦C.
Im Anschluss an die feuchte Oxidation erfolgt stets ein trockener Oxidationsschritt unter Sau-
erstofffluss für weitere fünf Minuten bei gleicher Temperatur, um ungesättigte Bindungen an
der Grenzfläche des Dielektrikums zu minimieren. Dies geschieht zum einen, um eine glatte
Oberfläche für das Pentacen und dessen Wachstum zu erzeugen, zum anderen, um die Zahl der
Störstellen für eine Schwellenspannung nahe null Volt zu reduzieren. Thermisch oxidierte und
mittels AFM charakterisierte Wafer zeigen eine Oberflächenrauhigkeit von nur 0.1−0.2nm rms
(root means square). Literaturstellen zufolge sollen diese Oxideigenschaften ein gutes Pentacen-
Wachstum und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit garantieren [66]. Hohe Sättigungsströme,
ein geringer Leckstrom und eine geringe Schwellenspannung sind dann das Resultat.
Im hier vorgestellten Fall erreicht der Sättigungsstrom einen Wert von −81 µA bei VDS =
−40 Vund VGS =−40 V. Die Schwellenspannung liegt bei 1.5Vund die on-off-Rate erreicht
einen Wert von 103bei VDS =−40 V. Trotz vergleichsweise hoher Gate-Spannungen bleibt das
thermische Oxid elektrisch belastbar und zeigt keinen Durchbruch.
-40 -30 -20 -10 0
-8x10
-5
-6x10
-5
-4x10
-5
-2x10
-5
00V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit SiO2
als Dielektrikum
-30 -20 -10 0 10 20 30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
|I
DS
|[A ]
sq rt |I
DS
|[µ A
1/2
]
V
GS
[V]
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
V
DS
=-
5
V
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit SiO2als Di-
elektrikum
Abbildung 4.1: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 1000 µm
und L= 1 µm, bedampft mit 30 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von
0.1nm/s und einem Kammerdruck von 8·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 150 nm
Die unpolare Oberfläche des Siliziumdioxides bietet dem aufgedampften Pentacen eine gute
Wachstumsgrundlage, so dass sich große Pentacen-Kristallite im Transistorkanal auf dem SiO2
bilden können. Die Aufnahmen mit dem Rasterkraftmikroskop in Abbildung 4.2 zeigen so-
wohl das Wachstum des Pentacens auf dem Gate-Oxid als auch auf den Kontakten, wobei
39
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Abbildung 4.2: AFM-Aufnahme des Gate-Bereichs eines OFETs mit L= 5 µm Kanallänge.
Auf dem SiO2zwischen den Drain- und Source-Kontakten weisen die Pentacen-Kristallite einen
Durchmesser von ca. 250 nm auf, auf dem Gold sind sie ungefähr doppelt so groß
festzustellen ist, dass die Kristallite direkt auf den Gold-Kontakten größer als die im Kanal-
bereich erscheinen. Verglichen mit Wachstumsstudien der Gruppe Klauk/Gundlach [15] [100]
[101] erscheinen die gewachsenen Kristallite jedoch noch klein, allerdings beruhen die dort
vorgestellten Ergebnisse auf Haftvermittlerexperimenten. Auch ohne Verwendung eines Haft-
vermittlers können die Pentacen-Kristallite im Rahmen dieser Arbeit durch Vorbehandlung der
dielektrischen Grenzfläche mit einem Sauerstoff-Plasma vor dem Aufdampfen des Pentacens
vergrößert werden, wie es im folgenden Abschnitt ausführlich beschrieben wird. Bei deutlich
größeren Pentacen-Kristalliten werden im hier vorgelegten Beispiel Beweglichkeitswerte von
4.1·10−3cm2/V s erzielt, resultierend in einem niedrigen Subschwellenspannungstromanstieg
von nur 5.3V/Dek.
Zusammenfassend lassen sich die Versuche mit thermisch gewachsenem Oxid als erfolgreich be-
schreiben. Ein großer Vorteil ist die gute Spannungsfestigkeit der Oxidschicht gerade bei den
hohen Betriebsspannungen der OFETs. Zusätzlich bietet das thermische Oxid dem Pentacen ei-
ne glatte Wachstumsgrundlage für gute Ladungsträgerbeweglichkeiten und niedrige Subschwel-
lenspannungstromanstiege. Als klarer Nachteil ist aber festzuhalten, dass das thermische Oxid
nicht auf Metallkontakten angewendet werden kann, so dass der Aufbau logischer Schaltungen
mit CVD-Isolatoren oder gesputterten Schichten realisiert werden muss.
40
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Sauerstoff-Plasma-Behandlung des Dielektrikums
Die Strukturierung der Drain- und Source-Kontakte stellt bei allen ’bottom-contact’ Tran-
sistoren den abschließenden Prozessschritt vor dem Bedampfen mit dem Pentacen dar. Eine
nasschemische Reinigung der Oberflächen vor dem Beschichten mit dem organischen Halbleiter
kann nicht mehr stattfinden, da die eingesetzten Säuren die Kontaktmetalle angreifen würden.
Um mögliche verbliebene Verunreinigungen insbesondere in den Ecken zwischen Kontakten und
Dielektrikum durch die fotolithografische Strukturierung der Kontakte im Lift-off Verfahren zu
entfernen, werden Versuche mit einer Sauerstoff-Plasma-Reinigung unternommen. Dazu wird
der Wafer direkt vor dem Einbau in die Aufdampfanlage zum Beschichten mit dem Pentacen ei-
ner O2-Plasma-Reinigung in einem Parallelplattenreaktor unterzogen. Da das Sauerstoff-Plasma
ebenfalls in geringem Maße Siliziumdioxid ätzt, werden die Leistung und die Prozessdauer ge-
ring gehalten, um das Gate-Oxid nicht unbeabsichtigt zu verringern. Sollen zur besseren An-
lagerung der Pentacen-Moleküle beim Aufdampfen Haftvermittler wie beispielsweise das OTS
oder HMDS eingesetzt werden, so ist die Plasma-Reinigung ein notwendiger Schritt, um an der
Oberfläche freie Bindungen für die chemische Reaktion mit dem Haftvermittler entstehen zu
lassen [76][88][90].
-80 -60 -40 -20 0
-7x10
-4
-6x10
-4
-5x10
-4
-4x10
-4
-3x10
-4
-2x10
-4
-1x10
-4
0
-
25V
-20V
-15V
-10V
-5V
V
GS
=0V
I
D S
[A ]
V
DS
[V]
Abbildung 4.3: Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit W= 1000 µm und L= 1 µm, bedampft
mit ca. 30 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und einem
Kammerdruck von 8·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 100 nm und wird vor der
Pentacen-Beschichtung mit einem Sauerstoff-Plasma bei 100 Wfür 40 sgereinigt
Abbildung 4.3 zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFETs, dessen Dielektrikum vor der
Beschichtung mit dem Pentacen einer Sauerstoff-Plasma-Reinigung unterzogen wurde. Erkenn-
bar ist eine deutliche Steigerung des Sättigungsstroms auf −644 µA bei VDS =−40 Vund
VGS =−25 V, im Vergleich zum ähnlich prozessierte Transistor aus Abbildung 4.1, der ei-
ne identische Transistorgeometrie besitzt. Nachteilig scheint sich die Plasma-Reinigung jedoch
auf die Schwellenspannung ausgewirkt zu haben, erkennbar am schlechten Sperrverhalten des
Transistors bei Gate-Source-Spannungen um VGS = 0 V. Für die Schwellenspannung wurde ein
Wert von 17.2Vermittelt. Die Schwellenspannung ist unter anderem der Grund, dass die La-
dungsträgerbeweglichkeit trotz hohem Stromfluss im eingeschalteten Zustand einen Wert von
nicht mehr als 2.4·10−2cm2/V s erreicht. Die Verschiebung der Schwellenspannung scheint ihre
41
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Abbildung 4.4: AFM -Aufnahme (contact-mode) der Oberfläche des Pentacens auf O2-Plasma
gereinigtem SiO2(großes Bild) und unbehandeltem SiO2(kleines Bild). Beide Bilder haben den
gleichen Maßstab
Ursache in der Erzeugung freier Bindungen an der dielektrischen Oberfläche und einer daraus
resultierenden Polarisation des Dielektrikums zu haben [94]. Die Ursache der im Anlaufbereich
des Transistors vom linearen Verhalten abweichenden Kennlinie kann abschließend nicht geklärt
werden. Möglich wäre jedoch eine zu dicke Nickel-Haftschicht (siehe Abschnitt 4.4) unter dem
Gold der Kontakte, so dass die Ladungsträgerinjektion in den Transistorkanal nur durch das
Nickel stattfinden kann.
Eine Oberflächencharakterisierung des Pentacens mit dem AFM ergibt eine deutliche Vergrö-
ßerung der Pentacen-Kristallite auf der Oberfläche des Dielektrikums (siehe Abbildung 4.4)
[94]. Während auf unbehandeltem SiO2der typische Durchmesser eines Pentacen-Kristallites
ca. 250 nm beträgt, so kann durch die Sauerstoff-Plasma-Reinigung des Dielektrikums eine Ver-
größerung der Kristallite auf typischerweise 1µm erreicht werden. Das Pentacen-Wachstum auf
den Drain- und Source-Kontakten scheint durch die Sauerstoff-Plasma-Behandlung nicht be-
troffen zu sein. Aus Abbildung 4.5 ist ersichtlich, dass der Kristallit-Durchmesser auf dem Gold
verglichen mit Abbildung 4.2 unverändert bleibt, während es auf dem Oxid zu einer deutlichen
Steigerung der Korngröße kommt. Durch Steigerung des Durchmessers der Pentacen-Körner
kann bei gleich bleibender OFET-Kanallänge eine Reduktion der Anzahl der Korngrenzen er-
zielt werden. Da es besonders an den Korngrenzen zu einer vermehrten Bildung von Störstellen
kommt, wird dort der Ladungstransport besonders stark gehemmt (vgl. Abschnitt 2.2). Eine
Reduktion der Anzahl der Korngrenzen ist daher mit einer Steigerung der Ladungsträgerbeweg-
lichkeit und des Sättigungsstroms verbunden. Es ist zu erwarten, dass die intrinsische Ladungs-
trägerbeweglichkeit der Löcher im Pentacen im Vergleich zu unbehandelten Proben deutlich
größer sein wird, die Bestimmung über eine ’time of flight’-Messung anstelle der Ermittlung
der Ladungsträgerbeweglichkeit über die Eingangskennlinie ist jedoch im Rahmen dieser Arbeit
nicht möglich. Die hier ermittelte Feldeffekt-Ladungsträgerbeweglichkeit wird daher durch die
große Schwellenspannung negativ beeinflusst.
Abschließend können die Auswirkungen einer Sauerstoff-Plasma-Behandlung auf das Wachstum
42
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Abbildung 4.5: AFM-Aufnahme (contact-mode) der Oberfläche des Pentacens auf O2-Plasma ge-
reinigtem SiO2im Transistorkanal eines OFET. Deutlich sichtbar sind die 1µm großen Kristallite
im Kanalbereich (mitte), verglichen mit kleineren Kristallen auf dem Gold der Kontakte (unten)
des Pentacens und die elektrischen Eigenschaften des OFETs als überwiegend positiv gewer-
tet werden. Das direkte Resultat sind größere Kristallite des organischen Halbleiters und ein
starker Anstieg des Sättigungsstroms. Lediglich eine große positive Schwellenspannung ist als
Verschlechterung gegenüber unbehandelten OFETs festzustellen.
4.1.2 TEOS
Als erstes getestetes CVD-Verfahren dieser Arbeit werden hier die Ergebnisse der Gasphasenab-
scheidung von ’Tetra-Ethyl-Orthosilikat’ (TEOS) vorgestellt. Der TEOS-Prozess zeichnet sich
durch eine gute Kantenbedeckung und ein schnelles Wachstum aus, benötigt jedoch eine relativ
hohe Temperatur von ca. 750◦C[52]. Die Abscheidung auf manchen Metallen gestaltet sich da-
her schwierig. Zusätzlich weist das TEOS-Oxid bedingt durch die Gasphasenabscheidung eine
nicht zu vernachlässigende Zahl an Störstellen auf, die auf offene Molekül-Bindungen an der
Oberfläche und im Film zurückzuführen sind. Außerdem kann es bei ungünstigen Prozessbedin-
gungen zum vermehrten Einbau von Kohlenstoffgruppen aus der Ausgangschemikalie kommen,
resultierend in einer geringeren elektrischen Isolation der entstehenden Schicht. Daher bietet das
TEOS-Oxid verglichen mit dem thermisch erzeugten SiO2eine geringere Durchbruchfeldstär-
ke. Trotzdem werden während dieser Arbeit OFETs mit TEOS-Oxid hergestellt und getestet,
da in der Literatur bis dahin keine Angaben zur Verträglichkeit dieses CVD-Oxides mit dem
Pentacen zu finden sind.
Im Rahmen der Untersuchungen zur Eignung des TEOS-Oxides zur Anwendung als Dielek-
trikum in Pentacen-OFETs werden Messreihen mit unterschiedlichen Temperaturen und Pro-
zessdrücken gefahren. Im hier vorgestellten Bauelement wird das Oxid bei 750◦Cund einem
Prozessdruck von 0.2mbar abgeschieden und erreicht eine Dicke von 120 nm, ermittelt durch
43
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Ellipsometrie. Die Oberflächenrauigkeit auf diesem Wege erzeugter Schichten wird mit dem
AFM bestimmt und ist mit einem Wert von 1−3nm rms sehr gering, so dass gute Aufwachs-
bedingungen für das Pentacen vorliegen. Abbildung 4.6(a) stellt das Ausgangskennlinienfeld des
leistungsfähigsten OFETs mit TEOS-Oxid als Dielektrikum dar. Im eingeschalteten Zustand
bei VDS =−20 Vund VGS =−10 Vliefert der OFET einen vergleichsweise geringen Strom von
ca. −500 nA. Werden größere Gate-Spannungen angewendet, so neigt das TEOS-Dielektrikum
zum elektrischen Durchbruch. Ursache für die geringe Spannungsfestigkeit sind, wie bereits
eingangs erwähnt, Störstellen im Dielektrikum, eingebaut in das Oxid während des Herstel-
lungsprozesses. Die on-off-Rate ist daher trotz eines geringen Sperrstroms stark reduziert und
auf einen Wert von weniger als 102begrenzt, wie aus Abbildung 4.6(a) ersichtlich ist.
-20 -15 -10 -5 0
-5x10
-7
-4x10
-7
-3x10
-7
-2x10
-7
-1x10
-7
0
0V
-2V
-4V
-6V
-8V
V
GS
=-10V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit
TEOS als Dielektrikum
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit TEOS als
Dielektrikum
Abbildung 4.6: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 1000 µm
und L= 5 µm auf 120 nm TEOS-Oxid als Dielektrikum. Die Schichtdicke des Pentacens beträgt ca.
60 nm, aufgedampft bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.3nm/s und einem
Kammerdruck von 7.4·10−7mbar Die Drain- und Source-Kontakte werden aus einer gesputterten
Nickel-Gold Schicht strukturiert [102]
Die Ladungsträgerbeweglichkeit des hier vorgestellten OFETs wird aus der Eingangskennli-
nie ermittelt und beträgt 1.3·10−3cm2/V s. Verglichen mit der Ladungsträgerbeweglichkeit
auf thermisch gewachsenem Oxid stellt dies unter besonderer Berücksichtigung der Kanallänge
einen geringfügig kleineren Wert dar. Trotz vermuteter Störstellen an der Oberfläche des Di-
elektrikums kann für diesen auf TEOS-Oxid hergestellten Transistor eine Schwellenspannung
von Vth = 1.2Vermittelt werden. Dieser Wert stellt im Hinblick auf den angestrebten Wert
von Vth = 0 Vein gutes Ergebnis dar und liegt im Rahmen der statistischen Schwankungen der
Schwellenspannung, wie sie auch für thermisches Oxid festgestellt wird.
Obwohl TEOS-Oxide als elektrisch stabil gelten, kann das hier erzeugte Dielektrikum den not-
wendigen hohen Spannungen des organischen Feldeffekt Transistors nicht standhalten. Störstel-
len im Dielektrikum verursachen einen elektrischen Durchbruch schon bei für OFETs geringen
Spannungen. Trotz günstiger Schwellenspannung und einer sehr glatten Oberfläche wird daher
von einer weiteren Verwendung des TEOS-Oxids in OFETs abgesehen.
44
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
4.1.3 Si3N4
Siliziumnitrid bietet unter den LPCVD-Dielektrika die glatteste Oberfläche und weist im Ver-
gleich mit thermisch gewachsenem Oxid eine deutlich höhere Dielektrizitätskonstante mit einem
Wert von εr= 8 auf. Literaturangaben zufolge sollen unterhalb einer Oberflächenrauhigkeit
von 3nm rms günstige Bedingungen für das Wachstum großer Pentacen-Kristallite herrschen.
Damit sollen hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten im organischen Halbleiter möglich sein, ver-
gleichbar mit den Werten auf thermisch gewachsenem Oxid [98] [99]. Messungen der Oberflä-
chenrauhigkeit der in diesem Abschnitt vorgestellten Si3N4-Filme mit dem AFM liefern Werte
zwischen 1−2nm rms. Dies ist ausreichend glatt für die anschließende Abscheidung des Pen-
tacens. Die elektrischen Eigenschaften des Si3N4in Verbindung mit dem Halbleiter Pentacen
sind zu Beginn der Arbeit noch relativ unerforscht. Es werden lediglich Hinweise gefunden,
dass es bei den hohen Betriebsspannungen der OFETs zu einem merklichen Leckstrom über
das Dielektrikum kommen kann [91].
Die Abscheidung des Siliziumnitrids als Gate-Dielektrikum wird auf einem vorher erzeug-
ten dünnen thermischen Oxidfilm bei einer Temperatur von 800◦C, einem Prozessdruck von
0.3mbar und einem Verhältnis von ca. 1 : 5 der Reaktionsgase Ammoniak : Triethylsilan
durchgeführt. Direkt auf dem Silizium-Wafer hergestellte Siliziumnitrid-Schichten neigen durch
mechanische Spannungen, bedingt durch stark unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffi-
zienten beider Materialien, bei großen Temperaturschwankungen zum Abplatzen. Die gesamte
Dicke des Zweischichtsystems aus thermischem Oxid und dem Si3N4wird mittels Ellipsometrie
gemessen und beträgt 75 nm. Der dabei ebenfalls ermittelte Brechungsindex der Nitrid-Schicht
liegt bei n= 2.1und damit bei einem für Si3N4üblichen Wert.
Abbildung 4.7(a) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines auf diesem Wege hergestellten OFETs.
Der gemessene Drain-Source-Strom bei VDS =−40 Vund VGS =−40 Vbeträgt −19 µA bei
einer Ladungsträgerbeweglichkeit von µ= 3.8·10−4cm2/V s und einem Subschwellenspan-
nungstromanstieg von 12 V/Dek (siehe Abbildung 4.7(b)). Die in der Eingangskennlinie er-
kennbare sehr geringe on-off-Rate von kleiner 102ist auf einen nicht zu vernachlässigenden
Parallelleitwert zurückzuführen, der das Sperren des Transistors auch bei großen positiven
Gate-Source-Spannungen trotz einer geringen Schwellenspannung von nur −2.1Vverhindert.
Als Ursache hierfür kommen Oberflächenladungen in nicht gesättigten Grenzflächenzuständen
des Dielektrikums in Betracht. Eine weitere Möglichkeit stellen in das Dielektrikum eingebaute
Kohlenstoffverbindungen, wie z.B. Ethylgruppen, die aus der Prozesschemikalie Triethylsilan
während der Nitrid-Abscheidung abgespalten werden, dar. Ebenso denkbar ist, das Verunreini-
gungen des Pentacens diesen Leckstrom hervorrufen. Vergleichsmessungen mit dreizonengerei-
nigtem Pentacen, zeigen jedoch keine Besserung des Phänomens, so dass verunreinigtes Penta-
cen als Ursache des Leckstroms zunächst ausgeschlossen wird. Ein Gate-Leckstrom als alleinige
Ursache der geringen on-off-Rate wird im Falle des Siliziumnitrids hingegen als unwahrschein-
lich angesehen, er würde sich im Ausgangskennlinienfeld bei einer Drain-Source-Spannung von
0Vmit einem positiven Strombeitrag deutlicher abzeichnen (vgl. Abb. 4.8(a) für den Fall des
LTO).
Das Phänomen eines nicht zu vernachlässigenden Drain-Source-Stroms im ausgeschalteten Zu-
stand des OFETs wird bereits in früheren Messungen zum Teil auch auf thermischem Oxid
festgestellt, kann aber aufgrund seines nur sporadischen Auftretens bisher nicht abschließend
erklärt werden. Vermutet wird die Ausbildung von Grenzflächenzuständen, die erst nach dem
45
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
-40 -30 -20 -10 0
-2,0x10
-5
-1,5x10
-5
-1,0x10
-5
-5,0x10
-6
0,0
5,0x10
-6
0V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Si3N4
als Dielektrikum
-40 -20 0 20 40
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
sq rt |I
DS
|[µ A
1/2
]
V
G
S
[
V]
1E-7
1E-6
1E-5
|I
DS
|[A
]
V
DS
=-
5V
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit Si3N4als
Dielektrikum
-40 -30 -20 -10 0
-8x10-5
-7x10-5
-6x10-5
-5x10-5
-4x10-5
-3x10-5
-2x10-5
-1x10-5
0
1x10-5
+5...-10V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
VGS=-40V
IDS[A]
VDS[V]
(c) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Si3N4
als Dielektrikum, hergestellt nach viermonatiger La-
gerung an Laborluft
Abbildung 4.7: Ausgangskennlinienfeld (a) und Eingangskennlinie (b) eines OFET mit W=
1000 µm und L= 1 µm auf 75 nm Si3N4als Dielektrikum. Die Schichtdicke des Pentacen beträgt
ca. 30 nm, aufgedampft bei 70◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und
einem Kammerdruck von 7·10−7mbar. c) OFET mit identischen Herstellungsparametern und
Schichtaufbau, bedampft nach viermonatiger Lagerung an Laborluft
Bedampfen mit dem Pentacen in Erscheinung treten. Messungen des Leitwertes zwischen dem
Drain- und Source-Kontakt vor dem Bedampfen mit dem Halbleitermaterial zeigen hingegen
eine gute elektrische Isolierung.
Abbildung 4.7(c) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines vergleichbaren Transistors, der par-
allel zu dem oben vorgestellten OFET prozessiert wird. Lediglich die Bedampfung mit dem
Pentacen wird ca. vier Monate später durchgeführt. Trotz einer schlechten Ausbildung des
Feldeffekts soll auf diese Abbildung näher eingegangen werden: Erkennbar ist, dass der Stro-
manteil im Ausschaltzustand des Transistors hier nahezu verschwunden ist. Da als einziger
Unterschied in der Prozessierung die viermonatige Lagerung an Umgebungsluft herangezogen
werden kann, ist denkbar, dass in dieser Zeit eine Beeinflussung der dielektrischen Oberflä-
che stattgefunden hat. Vermutlich ist es dabei durch den Sauerstoff der Umgebungsluft zur
Sättigung freier Bindungen an der Si3N4-Oberfläche und damit zu einem Verschwinden des
46
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Parallelleitwertes gekommen. Gleichzeitig hat sich jedoch der Sättigungsbereich des Transistors
in Richtung großer Drain-Source-Spannungen verschoben. Trotz ebenfalls großer Gate-Source-
Spannungen kann ein erhöhter Leckstrom, wie er in der Literatur vorhergesagt wird, mit dem
hier vorgestellten Aufbau nicht bestätigt werden.
Obwohl das Siliziumnitrid eine glatte Oberfläche für das Wachstum des Pentacens bereitstellt,
können mit diesem Dielektrikum nur einzelne OFETs aber keine logischen Schaltungen mit
isolierten Gate-Elektroden hergestellt werden. Die erforderliche Prozesstemperatur von 800◦C
macht den Einsatz von metallischen Gate-Elektroden unmöglich, da dies z.B. im Falle des
Titans eine Oxidation von dessen Oberfläche oder aber eine Silizidbildung mit dem Unter-
grund verursachen würde. Der erzielte Einschaltstrom der vermessenen OFETs ist mit dem von
gleichartigen Bauelementen auf thermischem Oxid vergleichbar. Lediglich die on-off-Rate leidet
unter einem nicht vernachlässigbaren Leckstrom im ausgeschalteten Zustand, dessen Ursache
abschließend nicht vollständig geklärt werden kann.
4.1.4 LTO
Die in den vorangegangenen Abschnitten vorgestellten LPCVD-Oxide TEOS und Si3N4kom-
men aufgrund einer zu hohen Prozesstemperatur auf metallischen Gate-Elektroden nicht zum
Einsatz. Als LPCVD-Verfahren, dass zur Abscheidung von SiO2deutlich niedrigere Prozesstem-
peraturen erfordert, kann das so genannte ’Low-Temperature-Oxide’ (LTO) genannt werden.
Als Ausgangschemikalie können zur Abscheidung im LTO-Verfahren sowohl Diethylsilan als
auch Triethylsilan (TES) verwendet werden, die sich in der Anzahl der Ethyl-Gruppen am
Silan unterscheiden. Im Quarzrohr des Dreizonenofens spalten sich die Ethyl-Gruppen vom
Silan-Rest ab und reagieren unter Sauerstofffluss und einem Unterdruck von ca. 0.4mbar zu
SiO2, welches sich auf der Oberfläche der Wafer abscheiden kann und eine konforme Schicht
bildet. Als Unterschied beider Quellmaterialien ist hierbei die Prozesstemperatur zu nennen,
die bei Diethylsilan mit 420◦Cbedingt durch die geringere Anzahl von Ethylgruppen geringer
als die von Triethylsilan mit 550◦Cist. Trotz der höheren Prozesstemperatur wird wegen eines
nicht unerheblichen Kostenvorteils Triethylsilan für die hier vorgestellten Ergebnisse verwendet.
Die in diesem Prozess erreichten Temperaturen sind bereits niedrig genug, um eine starke
chemische Reaktion des Metalls der elektrisch isolierten Gate-Elektrode z.B. mit dem Substrat
zu vermeiden. Eine Oxidation des Metalls unter den immer noch erhöhten Temperaturen kann
jedoch trotzdem nicht ausgeschlossen werden. Titan beispielsweise bildet unter Anwesenheit von
Sauerstoff schon bei Temperaturen ab 400◦Cein isolierendes Oxid aus, so dass eine Verwendung
als Gate-Elektrode unmöglich wird.
Um die Gefahr einer Oxidation während der LTO-Abscheidung auszuschließen, werden die Wa-
fer bei nur 200◦Cin den Ofen eingefahren und unter ständigem Stickstofffluss bei 0.4mbar
auf 550◦Caufgeheizt [62]. Dabei entsteht aus dem Titan ein leitfähiges Titannitrid, welches
bedeckt mit dem anschließend abgeschiedenen LTO als Gate-Elektrode in z.B. Invertern ver-
wendet werden kann. In den bereits vorgestellten LPCVD-Verfahren der TEOS- und der Nitrid-
Abscheidung kann die Technik der Titan-Nitridation nicht angewendet werden, da es bei den
hier notwendigen Prozesstemperaturen von über 700◦Czu einer Umwandlung vom Titanni-
trid zu Titanoxid kommt und somit zu einem nicht leitenden Kontakt. Zu dieser Reaktion
reichen selbst kleinste Mengen an Sauerstoff, die als Restgas sogar noch in der Ammoniak und
47
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
Triethylsilan haltigen Atmosphäre der Nitrid-Abscheidung vorkommen.
Abbildung 4.8(a) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFET mit LTO als Dielektrikum.
Deutlich zu erkennen ist ein erheblicher Leckstrom im Anlaufbereich des Transistors. Das Gate-
Oxid kann hier der hohen Potenzialdifferenz zwischen Gate- und Source-Kontakt nicht stand-
halten und lässt einen Strom von −3.5µA bei einer Gate-Source-Spannung von VGS =−40 V
passieren. Ursache hierfür ist ein zu hoher Anteil von Kohlenstoff aus den Ethyl-Gruppen, einge-
baut in den Oxidfilm durch ein ungünstig gewähltes Verhältnis von Triethylsilan und Sauerstoff
während der Abscheidung.
-40 -30 -20 -10 0
-5x10
-6
-4x10
-6
-3x10
-6
-2x10
-6
-1x10
-6
0
1x10
-6
2x10
-6
3x10
-6
4x10
-6
+
5V...-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
V
GS
=-40V
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit
LTO als Dielektrikum
-30 -20 -10 0 10 20 30
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
2E-7
4E-7
6E-7
8E-7
1E-6
|I
DS
|[A ]
sq rt |I
DS
|[µ A
1/2
]
V
GS
[V]
V
DS
=-
30
V
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit LTO als Di-
elektrikum
-40 -30 -20 -10 0
-1,2x10
-6
-1,0x10
-6
-8,0x10
-7
-6,0x10
-7
-4,0x10
-7
-2,0x10
-7
0,0
2,0x10
-7
4,0x10
-7
+5V...
0
V
-5V
-
10
V
-
1
5V
-
20
V
-
2
5V
-
30
V
-
3
5V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
V
GS
=-
40
V
(c) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit LTO
als Dielektrikum
Abbildung 4.8: Ausgangskennlinienfeld (a) und Eingangskennlinie (b) eines OFET mit W=
1000 µm und L= 5 µm auf 180 nm LTO als Dielektrikum. Die Schichtdicke des Pentacen beträgt
ca. 30 nm, aufgedampft bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und einem
Kammerdruck von 7.2·10−7mbar. c) vergleichbarer OFET mit 240 nm dicker Oxidschicht und
einer anschließenden halbstündigen Temperung bei 700◦Cin Stickstoff-Atmosphäre nach der LTO-
Abscheidung
Ein erhöhter Kohlenstoffanteil äußert sich z.B. in einem Brechungsindex, abweichend von dem
des Siliziumdioxids von ca. n= 1.46. Abscheideversuche mit unterschiedlichen Drücken, Tem-
peraturen und Gasflüssen zeigen geringe, aber vertretbare Abscheideraten von 2nm/min bei
48
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
einem Verhältnis der Gasflüsse von TES : O2von ca. 3 : 1 resultierend in einer guter Konfor-
mität und einem Brechungsindex von n= 1,46 −1,49. Eine Erhöhung des Sauerstoffflusses
auf ein Verhältnis von 1 : 1 führt zur deutlichen Senkung der Abscheiderate auf weniger als
1nm/min bei geringfügig besserem Leckstromverhalten.
Bedingt durch den oben beschriebenen Leckstrom ist das Verhältnis von Einschalt- zu Aus-
schaltstrom wie in Abbildung 4.8(b) ersichtlich auf einen Wert von lediglich 20 beschränkt. Die
Schwellenspannung liegt weit im positiven Bereich bei nahezu +15 V. Um eine Verbesserung der
Transistorparameter zu erzielen, wird in einem weiteren Experiment eine Temperung des LTO-
Oxides in Stickstoff-Atmosphäre bei 700◦Cgetestet. Eine Umwandlung des Titannitrids in ein
Oxid ist dabei ausgeschlossen, die darauf abgeschiedene Oxidschicht verhindert die Eindiffusion
des Sauerstoffs zur Oxidation der Metallelektrode.
Abbildung 4.8(c) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit geringfügig dickerem Oxid.
Es ist zu erkennen, dass es durch die Temperung zu einer Abnahme des Leckstroms auf 1/10
des ursprünglich gemessenen Wertes kommt, wobei ein Teil dieser Abnahme sicherlich auch
auf der Zunahme der Dicke der Isolationsschicht beruht. Nachteilig ist anzumerken, dass die
Ausbildung des Sättigungsbereichs des OFETs durch die dickere Oxidschicht gehemmt wird,
so dass der Transistor bis VDS =−40 Vnicht in Sättigung geht. Positiv festzuhalten ist, dass
durch die Temperung die Schwellenspannung auf einen Wert von nunmehr +7 Vreduziert ist.
Abschließend kann zur Verwendung des LTOs gesagt werden, dass ohne weitere Verbesserungen
des Sperr- und Leckstromverhaltens keine logischen Schaltungen hergestellt werden können, da
sie deutlich höhere on-off-Raten erfordern. Ursächlich für den erhöhten Leckstrom sind chemi-
sche Nebenprodukte des CVD-Prozesses, die eingebaut in den Oxidfilm die elektrische Stabilität
des LTOs herabsetzen. Ein durchgeführter Temperschritt zum Austreiben der Kohlenstoffver-
bindungen führt zu einer geringfügig besseren Durchbruchspannung.
4.1.5 PECVD
Verglichen mit den anderen vorgestellten CVD-Verfahren weist der PECVD-Prozess die nied-
rigste Verarbeitungstemperatur auf und wird bei Temperaturen zwischen 130◦Cund 300◦C
mit verschiedenen Verhältnissen der Prozessgase Argon-2%-Silan und Sauerstoff in organischen
Feldeffekt Transistoren getestet. Somit kann dieses CVD-Oxid auch auf Metallen wie beispiels-
weise Titan eingesetzt werden, ohne dass diese schmelzen oder oxidieren. Eine Nitridation des
Titans vor Beginn der Oxidation ist folglich nicht notwendig, da die Temperatur zu Bildung des
Titanoxids nicht ausreicht. Als zusätzlicher Vorteil des PECVD-Oxids erweist sich eine hohe
Konformität in der Abscheidung, so dass eine gute Kantenbedeckung gewährleistet ist. Bedingt
durch die teils großen Abscheideraten kann es zur Ausbildung einer erhöhten Störstellendichte
kommen. Nachteilig wirkt sich diese auf die Schwellenspannung als auch auf die Durchbruch-
spannung aus, die dabei reduziert wird. Dieses stellt sich beim Einsatz des PECVD-Oxids
als Dielektrikum in OFETs als deutliche Schwäche heraus. Bedingt durch die im Vergleich zu
MOS-Transistoren hohen Betriebsspannungen in den OFETs kommt es dabei wiederholt zu
Spannungsdurchbrüchen und zum Abplatzen des Oxides (siehe Abbildung 4.9). Während das
Drain wie auch das Gate auf hohem Potenzial liegen, verbleibt der Source-Kontakt auf Masse.
Die große Feldstärke unter dem Kontaktmetall führt dabei mit der geometrisch leicht überlap-
penden, in der Abbildung hell erscheinenden, Gate-Elektrode zum Durchbruch (siehe Abbildung
49
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
(a) Oxiddurchbruch durch zu hohe Span-
nungsbelastung, REM-Aufnahme, Maßstab
10 µm
(b) Oxiddurchbruch durch zu hohe Span-
nungsbelastung, REM-Aufnahme, Maßstab
4µm
Abbildung 4.9: PECVD-Oxid zeichnet sich durch eine geringe Durchbruchfeldstärke aus. Bei zu
hoher Belastung kommt es zum Abplatzen des Oxides und dem Kontaktmetall an Stellen mit großer
Feldstärke. REM-Aufnahme eines Durchbruchs mit einem Maßstab von 10 µm (links) und 4µm
(rechts)
4.9(a)). Selbst bei Oxidschichten von deutlich über 100 nm Dicke können auch bei niedrigen
Gate-Source-Spannungen keine zufrieden stellenden Kennlinien aufgenommen werden. Litera-
turangaben zufolge können auf genügend dicken Schichten lediglich OFETs mit geringen La-
dungsträgerbeweglichkeiten und kleinen Pentacen-Kristalliten hergestellt werden [98].
Trotzdem kann für das PECVD-Oxid eine Verwendung als Dielektrikum in OFETs vorgeschla-
gen werden. Um den Nitridationsschritt der Titan-Gate-Elektrode im LTO-Prozess zu umgehen,
bietet es sich an, ein bei niedriger Temperatur erzeugtes PECVD-Oxid als erste Deckschicht
und Oxidationsbarriere auf die Gate-Elektrode aufzubringen. Anschließend wird das LTO in
gewünschter Dicke bei 550◦Cabgeschieden. Auf diesem Wege hergestellte OFETs zeigen deut-
lich bessere Transistoreigenschaften als Elemente, bei denen nur eines der beiden Verfahren zur
Abscheidung des Dielektrikums benutzt wird. Zunächst wird dazu bei 275◦Ceine 30 nm dünne
SiO2Schicht im PECVD-Verfahren bei einer Leistung von 12.5W, einem Druck von 500 mTorr
und einem Fluss von 350 sccm Argon-2%-Silan sowie 20 sccm Sauerstoff hergestellt. Anschlie-
ßend wird eine 110 nm dicke Oxidschicht im LTO-Verfahren aufgebracht, die Prozessparameter
sind dabei mit denen in Abschnitt 4.1.4 identisch.
Abbildung 4.10(a) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit isolierten Titan-Gate-
Elektroden, die zunächst durch die Abscheidung von PECVD-Oxid vor der Oxidation im LTO-
Prozess geschützt werden. Der Einschaltstrom bei VDS =−40 Vund VGS =−40 Vbeträgt
−20.2µA, ein großer Gate-Leckstrom, wie er bei rein durch LTO-Abscheidung hergestellten
OFETs auftritt, ist nicht zu erkennen. Aus der Eingangskennlinie in 4.10(b) ergeben sich eine
Schwellenspannung von +5.4V, ein Subschwellenspannungstromanstieg von 6V/Dek und eine
on-off-Rate von weniger als 30 bei VDS =−40 V.
Zusammenfassend kann für das PECVD-Oxid festgehalten werden, dass die alleinige Verwen-
dung als Dielektrikum in organischen Feldeffekt Transistoren aufgrund seiner geringen Span-
50
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
-40 -30 -20 -10 0
-2,5x10
-5
-2,0x10
-5
-1,5x10
-5
-1,0x10
-5
-5,0x10
-6
0,0
5,0x10
-6
-
10V...+5V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
V
GS
=-40V
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit einer
Doppelschicht aus LTO und PECVD-Oxid als Di-
elektrikum
-30 -20 -10 0 10 20 30
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
1E-7
1E-6
|I
DS
|[A ]
sq rt |I
DS
|[µ A ]
1/ 2
V
G
S
[
V
]
V
DS
=-
5V
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit mit einer
Doppelschicht aus LTO und PECVD-Oxid als Dielek-
trikum
Abbildung 4.10: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFET mit W= 1000 µm
und L= 1 µm auf eine Doppelschicht aus 30 nm PECVD-Oxid und 110 nm LTO als Dielektrikum.
Die Schichtdicke des Pentacen beträgt ca. 30 nm, aufgedampft bei Raumtemperatur, einer Auf-
dampfrate von ca. 0.1nm/s und einem Kammerdruck von 8·10−7mbar. Die Drain- und Source-
Kontakte werden aus Nickel-Gold strukturiert
nungsfestigkeit ausgeschlossen ist. Denkbar ist ein Einsatz als dünne Deckschicht über den
metallischen Gate-Elektroden vor der Durchführung einer LTO-Abscheidung. Einerseits kann
so die zeitaufwendige Nitridation der Gate-Elektroden vermieden werden, andererseits wird der
hohe Leckstrom, bekannt aus rein im LTO-Verfahren prozessierten OFETs, reduziert.
4.1.6 Ta2O5
Gleich zwei Vorteile gegenüber den bisher getesteten Dielektrika zeichnen das Tantalpentoxid
aus. Zum einen lässt es sich durch reaktives Sputtern bei niedrigen Temperaturen auf Metall-
kontakte sowie auf Silizium- und Kunststoffsubstrate abscheiden, zum anderen weist es je nach
Stöchiometrie von Sauerstoff und Tantal beim Sputtern eine hohe Dielektrizitätskonstante von
bis zu εr= 23 auf. Verglichen mit Siliziumdioxid gleicher Schichtdicke lassen sich somit bei glei-
cher Gate-Source-Spannung eine größere Zahl Ladungsträger im Transistorkanal ansammeln,
eine geringe Betriebsspannung von weniger als 5Vsollte daher erreicht werden können [70].
Trotz einer durch den Sputter-Prozess bedingten Oberflächenrauigkeit sollen so Beweglichkei-
ten bis zu 0.36 cm2/V s möglich sein [103].
Abbildung 4.11 zeigt das Ausgangskennlinienfeld sowie die Eingangskennlinie eines OFETs
mit Tantalpentoxid als Dielektrikum. Für den Sättigungsstrom des Transistors kann im Sätti-
gungsbereich ein Wert von −9.1µA bei VGS =−40 Vund VDS =−40 Vangegeben werden.
Obwohl das Dielektrikum eine Dicke von 165 nm aufweist fließt ein erheblicher Leckstrom zwi-
schen Gate-Elektrode und Source-Kontakt. Die Ursache der geringen elektrischen Isolation ist
dabei im schwierig einstellbaren stöchiometrischen Verhältnis von Sauerstoff zu Tantal im ge-
sputterten Film begründet [70] [103]. Wird ein zu großer Tantal-Anteil gewählt, so erhält die
51
4.1. EINFLUSS DES DIELEKTRIKUMS
abgeschiedene Schicht einen stark metallischen Charakter und einen hohen Leitwert. Obwohl
in zahlreichen Versuchen Korrekturen des stöchiometrischen Verhältnisses untersucht werden,
kann kein OFET mit einem geringeren Leckstrom hergestellt werden. Zusätzlich neigen die ge-
sputterten Schichten gerade bei dickeren Filmen zur Rissbildung und zum Abplatzen, so dass
dem Leckstrom durch ein Erhöhen der Oxiddicke nicht entgegengewirkt werden kann.
-40 -30 -20 -10 0
-1x10
-5
-8x10
-6
-6x10
-6
-4x10
-6
-2x10
-6
0
2x10
-6
4x10
-6
6x10
-6
+
5...-15V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Ta2O5
als Dielektrikum
-30 -20 -10 0 10 20 30
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
V
DS
=-
12
V
|I
DS
|[A ]
sq rt |I
DS
|[µ A
1/2
]
V
GS
[V]
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit Ta2O5als
Dielektrikum
Abbildung 4.11: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 1000 µm
und L= 1 µm auf 165 nm Ta2O5als Dielektrikum. Die Schichtdicke des Pentacen beträgt ca.
25 nm, aufgedampft bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und einem
Kammerdruck von 9.6·10−7mbar
Trotz der Beeinträchtigungen durch den Gate-Leckstrom kann aus der Eingangskennlinie ein
sehr geringer Subschwellenspannungstromanstieg von nur 0.8V/dek und eine gute on-off-Rate
von >104ermittelt werden. Auf die Ladungsträgerbeweglichkeit hat der günstige Subschwel-
lenspannungstromanstieg offenbar keinen positiven Einfluss, sie erreicht lediglich einen enttäu-
schenden Wert von 8.2·10−5cm2/V s. Als Begründung für die geringe Ladungsträgerbeweglich-
keit kann ein beeinträchtigtes Pentacen-Wachstum auf der rauen Ta2O5-Oberfläche herangezo-
gen werden. Eine für gesputterte Dielektrika häufig festgestellte große Anzahl an Störstellen im
Isolator kann hingegen im hier vorliegenden Fall nicht bestätigt werden: Die Schwellenspannung
liegt mit +2.55 Vnahe null Volt.
Trotz einer günstigen Dielektrizitätszahl von bis zu εr= 23 erscheint Ta2O5als Gate-Isolator in
OFETs in der hier vorgestellten Form nicht empfehlenswert. Ein schwer einstellbares Verhältnis
von Tantal zu Sauerstoff während der Sputterbeschichtung resultiert meist in einer metallischen
Schicht mit geringen Isolationseigenschaften. Ein hoher Gate-Leckstrom ist die Folge. Lediglich
der geringe Subschwellenspannungstromanstieg und die hohe on-off-Rate können überzeugen.
4.1.7 Zusammenfassung
Abschließend sollen nun die Ergebnisse des vorangehenden Abschnitts kurz zusammengefasst
werden. Aus Gründen der Übersicht werden dazu die wichtigsten Resultate tabellarisch und rein
qualitativ dargestellt. Dies soll die abschließende Wahl des geeigneten Dielektrikums erleichtern.
52
4.2. EINFLUSS DER AUFDAMPFBEDINGUNGEN AUF DIE MORPHOLOGIE DER ORGANISCHEN SCHICHT
Tabelle 4.1: Zusammenfassung der Ergebnisse zur Charakterisierung der Dielektrika (++ sehr
gut, + gut, o befriedigend, - schlecht, - - sehr schlecht)
therm. SiO2TEOS Si3N4LTO PECVD Ta2O5
Gate-Leckstrom + o o o - - - -
Schwellenspannung ++ + + - o +
on-off-Rate + - - - - - - ++
Subschw.spannungsstromanstieg + + o - o ++
Dielektrizitätskonstante o o + o o ++
Prozesstemperatur - - - - + ++ +
Rauigkeit ++ + ++ o o -
Abscheidung auf Metall - - o o + ++ ++
Als Empfehlung für den Bau organischer Feldeffekt Transistoren mit gemeinsamem Gate kann
somit das thermisch gewachsene Oxid genannt werden. Es bietet durch seine glatte Oberfläche
günstige Wachstumsbedingungen für das Pentacen, weist einen geringen Gate-Leckstrom auf
und lässt eine hohe Reproduzierbarkeit der Transistorparameter wie z.B. der Schwellenspan-
nung zu (siehe Abschnitt 4.2.1). Sollen OFETs mit isolierter Metall-Gate-Elektrode hergestellt
werden, so müsste nach Tabelle 4.1 die Wahl auf das Tantalpentoxid fallen. Das schwierige
Einstellen des stöchiometrischen Verhältnisses zwischen Tantal und Sauerstoff während des
Sputterprozesses und die Neigung zur Rissbildung bei dickeren Schichten sprechen jedoch da-
gegen. Hier sind weitere Justierarbeiten notwendig, bevor der Prozess verwendet werden kann.
Zunächst wird daher zur Abscheidung des Dielektrikums auf metallischen Gate-Elektroden ein
kombinierter Prozess aus einer Niedrigtemperatur PECVD-Abscheidung (siehe Abschnitt 4.1.5)
und einer darauf aufbauenden LTO-Schicht empfohlen.
4.2 Einfluss der Aufdampfbedingungen auf die Morpholo-
gie der organischen Schicht
Die Präparation einer hochwertigen organischen Pentacen-Schicht erfordert die Beachtung einer
Vielzahl von Parametern während des Abscheidevorgangs. Für einen Teil der in Abschnitt 3.4
bereits vorgestellten Kriterien für eine gute Filmqualität werden Ausgangswerte aus der Litera-
tur entnommen und an die laborspezifischen Bedingungen angepasst. Z.B. wird in anfänglichen
Versuchen mit verschiedenen Glas-Tiegeln mit unterschiedlichen Durchmessern sowie Tiefen
experimentiert, bis eine passende Tiegelform gefunden ist, die die gewünschte Filmqualität
gewährleisten kann. Ebenfalls wird der Abstand der Verdampferquelle zum Bedampfen des
Substrats mit dem Pentacen in mehreren Versuchen um einen Ausgangswert variiert, bis bei
ca. 30 cm Distanz in Abhängigkeit vom verwendeten Tiegel und dessen Öffnungswinkel eine
homogene Pentacen-Schicht auf dem Wafer erzeugt werden kann.
Die Verdampfungsgeschwindigkeit orientiert sich ebenfalls an Literaturwerten, die eine mög-
lichst geringe Aufwachsrate für eine hohe Ordnung der Pentacen-Moleküle empfehlen. Sie wird
zusätzlich an die im Labor vorliegenden Aufdampfbedingungen angepasst und an den unteren
Rand des Messbereichs des schwingquarzbasierten Schichtdickenmessers bei einer gerade noch
53
4.2. EINFLUSS DER AUFDAMPFBEDINGUNGEN AUF DIE MORPHOLOGIE DER ORGANISCHEN SCHICHT
detektierbaren Rate von 0.1nm/s angesiedelt. Als Empfehlung für eine geeignete Substrattem-
peratur während des Bedampfens mit dem organischen Halbleiter findet sich in der Literatur
häufig ein Wert von 60 −70◦C. Die unbedingte Notwendigkeit dieses Herstellungsparameters
kann zunächst in geringeren Variationen vom Ausgangswert 70◦C, später dann aber bei Ab-
weichungen bis hin zur Raumtemperatur nicht nachgewiesen werden. Scheinbar ist der Einfluss
dieses Stellparameters eher gering verglichen zum Beispiel mit dem Kammerdruck während
des Bedampfens, dessen Einfluss auf die Kristallitgröße und die Ladungsträgerbeweglichkeit
deutlich größer zu sein scheint.
Der Prozessdruck für die Verdampfung des Pentacens ist schwer zu kontrollieren und hängt un-
ter anderem von der Pumpleistung des Pumpstands, der Abpumpdauer vor dem Verdampfen
und dem Grad einer möglichen Kontamination der Vakuumkammer mit Wasserdampf ab. Letz-
tere entsteht z.B. beim Belüften des Rezipienten mit Laborluft anstelle von Stickstoff oder bei
zu langer Öffnungszeit der Vakuumschleuse bei der Bestückung der Anlage. Erste Abscheidever-
suche bei Drücken um 10−6mbar liefern unbefriedigende Ergebnisse sowohl in der Morphologie
des organischen Films, als auch in der elektrischen Leistungsfähigkeit der Transistoren. Durch
Verwendung einer leistungsfähigeren Turbomolekularpumpe kann eine Verbesserung des Vaku-
ums auf Werte um 10−7mbar erzielt werden, resultierend in einer deutlichen Steigerung der
elektrischen Parameter [102].
4.2.1 Schichtdicke
Durch die oben beschriebene kontinuierliche Anpassung und Justage der Präparationsbedin-
gungen kann im Laufe der Zeit eine deutlich höhere Homogenität der hergestellten Bauteile
und damit auch deren elektrischer Parameter als noch zu Anfang der Arbeiten erzielt wer-
den. Zu Beginn der Experimente werden beispielsweise lediglich in seltenen Fällen einzelner
Transistoren Sättigungsströme im µA-Bereich gemessen. Die Streuung der gemessenen Para-
meter schwankt hierbei stark über die Wafer-Oberfläche, abhängig von z.B. der dielektrischen
Schichtdicke oder von Abweichungen in der Fotolithografie durch einen nicht gleichmäßig an die
Fotomaske angedrückten Wafer. Nach dem Korrigieren dieser Abweichungen, kann die Abhän-
gigkeit der elektrischen Transistorparameter von der Schichtdicke des organischen Halbleiters
untersucht werden.
Die Literaturrecherche liefert nur wenige Veröffentlichungen zur Abhängigkeit der Filmmorpho-
logie bzw. Kristallinität von der Schichtdicke des Halbleiters [48][104]. Zur Abhängigkeit der
elektrischen OFET-Parameter von der Pentacen-Schichtdicke gibt es jedoch in Zeitschriftenarti-
keln kaum systematische Untersuchungen. In [105] wird dabei die Abhängigkeit einzelner bis auf
die Abscheidung des Pentacens identisch hergestellter OFETs berichtet und es werden Schicht-
dicken im Bereich von 19 −90 nm untersucht. Überraschenderweise sind in frühen Artikeln
zum Ende der neunziger Jahre bis zum Anfang des neuen Jahrtausends nur selten Angaben
zur Dicke aufgedampfter Pentacen-Schichten enthalten. Wenn überhaupt über die Filmdicke
berichtet wird, so handelt es sich meist um dickere Schichten. In neueren Veröffentlichungen
finden sich inzwischen häufiger Angaben zur Filmpräparation einschließlich Dickenangabe. In
diesen Arbeiten wird vermehrt die Charakterisierung dünnerer Schichten beschrieben.
54
4.2. EINFLUSS DER AUFDAMPFBEDINGUNGEN AUF DIE MORPHOLOGIE DER ORGANISCHEN SCHICHT
Im folgenden soll eine Übersicht die in OFETs üblichen Pentacen-Schichtdicken vorstellen:
•30 nm [16][106] [107]
•40 nm [41][85] [108]
•50 nm [15] [73] [109] [110]
•70 nm [98]
•80 −100 nm [35]
•800 nm [37]
Festgehalten werden sollte dabei, dass sowohl in [16] als auch in [105] die besten Ergebnisse für
einen einzelnen Transistor bei 30 nm Pentacen-Schichtdicke erzielt werden. Im zweiten Artikel
wird dabei die beste bisher gemessene Feldeffekt-Ladungsträgerbeweglichkeit in einem OFET-
Bauelement mit einem Wert von 5cm2/V s festgestellt.
(a) Verteilung der Drain-Source-Ströme (b) Verteilung der Schwellenspannungen
Abbildung 4.12: Verteilung der maximalen Drain-Source-Ströme und der Schwellenspannungen
gemessen an unterschiedlichen OFETs mit W= 1000 µm und L= 1 µm auf einem 4” Wafer,
bedampft mit 30 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und
einem Kammerdruck von 9.3·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 150 nm
Die im Folgenden vorgestellten eigenen Messreihen zur Abhängigkeit der elektrischen Transis-
torparameter von der Schichtdicke des organischen Halbleiters befassen sich dabei nicht nur mit
den Eigenschaften einzelner Bauelemente, sondern vielmehr auch mit der statistischen Vertei-
lung der gemessenen Werte auf einem 4” Wafer. Dazu werden drei Wafer parallel prozessiert, so
dass sie dieselben Prozessschritte durchlaufen und somit speziell das Dielektrikum auch die glei-
che Dicke aufweist. Im Anschluss an die Vorprozessierung werden die Wafer mit jeweils 30 nm,
20 nm und 10 nm Pentacen unter vergleichbaren Bedingungen bedampft. Zur Charakterisie-
rung werden Transistoren mit einer Kanallänge von 1µm und einer Kanalweite von 1000 µm
aus allen Regionen des Wafers herangezogen. Die Anzahl der jeweils vermessenen Bauelemente
55
4.2. EINFLUSS DER AUFDAMPFBEDINGUNGEN AUF DIE MORPHOLOGIE DER ORGANISCHEN SCHICHT
begrenzt sich durch eine gewisse Zahl defekter Transistoren auf jedem Wafer, sowie durch die
Tatsache, dass nur 16 Chips mit je zwei Transistoren dieser Geometrie pro Wafer zur Verfügung
stehen.
Abbildungen 4.12 und 4.13 stellen die Ergebnisse der statistischen Auswertung dieses Expe-
rimentes dar [111]. Der Versuch, eine 10 nm dicke Pentacen-Schicht zu vermessen, scheitert.
Anscheinend kann durch das Aufdampfen eines solch dünnen Films keine zusammenhängen-
de Pentacen-Schicht erzeugt werden. Die gemessenen Ströme liegen daher bei dieser Probe im
Bereich von nur wenigen nA und das Bauelement zeigt keinen Feldeffekt. Dickere Pentacen-
Schichten werden hier ebenfalls nicht vorgestellt, da die dort gemessenen Ströme selbst bei
Ausreißerwerten nicht an die bei 30 nm Pentacen-Schicht gemessenen Werte heranreichen.
(a) Verteilung der maximalen Drain-Source-Ströme (b) Verteilung der Schwellenspannungen
Abbildung 4.13: Verteilung der maximalen Drain-Source-Ströme und der Schwellenspannungen
gemessen an unterschiedlichen OFETs mit W= 1000 µm und L= 1 µm auf einem 4” Wafer,
bedampft mit 20 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und
einem Kammerdruck von 5.1·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 150 nm
Der Mittelwert der Ströme in Abbildung 4.12(a) und 4.13(a) der vermessenen OFETs zeigt
einen Abhängigkeit von der Schichtdicke, wobei entgegengesetzt zu [105] eine Abnahme des
Sättigungsstroms bei der dünneren Schicht festgestellt wird. Die OFETs beider Wafer liefern
einen hohen Strom von IDS =−63.3±17.0µA für den dickeren bzw. IDS =−43.0±10.7µA
für den dünneren Pentacen-Film. Feststellbar ist hier zwar noch eine nicht zu vernachlässigende
Standardabweichung, die jedoch verglichen mit vorher durchgeführten Experimenten deutlich
geringer ausfällt.
In beiden Fällen kann eine Schwellenspannung nahe dem Nullpunkt ermittelt werden. Während
sie beim Wafer mit dem 30 nm dicken Pentacen-Film mit 1.3±1.4Veine geringe Streuung um
den Mittelwert aufweist (siehe Abbildung 4.12(b)), wird für den Wafer mit 20 nm dickem Pen-
tacen ein leicht größerer Wert von 3.2±2.4Vermittelt (siehe Abbildung 4.13(b)). Diese im
Vergleich der beiden Wafer leichte Verschiebung in Richtung positiver Schwellenspannungswerte
kann möglicherweise durch eine leichtere Erreichbarkeit unterer Pentacen-Moleküle durch den
Luftsauerstoff im Falle des dünneren Films erklärt werden. Hierbei kann es trotz des kurz ge-
haltenen Aufenthalts der Probe vor und während der Messung an der Luft zu einer vermehrten
56
4.3. REINHEIT DES ORGANISCHEN HALBLEITERMATERIALS
Reaktion des Pentacens mit Sauerstoff und einer damit verbundenen Schwellenspannungsver-
schiebung kommen (siehe Abschnitt 5.2.1).
Zusammenfassend ist für die statistische Auswertung der Schichtdickenabhängigkeit festzuhal-
ten, dass die bereits in der Literatur an Einzelproben angestrebte Pentacen-Dicke von 30 nm
[16] [105] durch die hier gewonnenen Erkenntnisse statistisch untermauert wird.
4.3 Reinheit des organischen Halbleitermaterials
Bereits in Abschnitt 2.3 wurde die Notwendigkeit eines chemisch hochreinen Ausgangsmaterials
zur Herstellung kristallin geordneter und elektrisch hochwertiger Pentacen-Filme beschrieben.
Weite Verbreitung in der OFET-Herstellung findet das Pentacen des Anbieters ’Aldrich’, das in
der Literatur fast ausnahmslos Verwendung findet. Die Angaben zum Reinheitsgrad des Halb-
leitermaterials schwanken dabei in den Veröffentlichungen zwischen 97% und 99.9%, wobei das
angebotene Material laut Hersteller eine Reinheit von mehr als 99.5% aufweisen soll. Häufig
resultiert die Verwendung ungereinigten Pentacens, in der Literatur als ’as received’ bezeichnet,
in unterdurchschnittlichen Transistoreigenschaften [22] [37] [74] [93]. Eine zusätzliche Reinigung
des Ausgangsmaterials ist daher anzustreben und wird üblicherweise durch Dreizonensublima-
tion realisiert [7].
Da dieses Reinigungsverfahren für die hier vorgestellte Arbeit zunächst nicht zur Verfügung
steht, wird das Pentacen ebenfalls ohne zusätzliche Reinigung verwendet. Dass die Benutzung
ungereinigten Halbleitermaterials nicht zwangsläufig zu schlechten Transistoreigenschaften bei
kleinen Pentacen-Kristalliten führen muss, zeigen verschiedene Veröffentlichungen [112] [113].
Knipp et al. [98] erreichen trotz der Verwendung ungereinigten Pentacens eine bemerkenswerte
on-off-Rate von 108, obwohl vielfach die Meinung vertreten wird, dass solch große Verhältnis-
se von Einschalt- zu Ausschaltstrom und große Werte für die Ladungsträgerbeweglichkeit nur
durch Aufreinigen des Pentacens erreicht werden können [71]. Trotz dieser Gegenbeispiele wer-
den die bisher besten Ergebnisse für die Ladungsträgerbeweglichkeit (bis zu 5cm2/V s) [16] [41]
[114], große Kristallite [115] und hohe on-off-Raten [34] bei Verwendung sublimationsgereinigten
Pentacens erzielt.
Im letzten Projekt-Drittel der hier vorgestellten Arbeiten wird zu Vergleichszwecken durch ein-
fache Sublimation gereinigtes Pentacen vom ’Fraunhofer Institut Dresden IPMS’ getestet. Der
Vergleich dient dabei zur Einordnung der bisher erzielten Ergebnisse in die der Fachliteratur.
Dazu wird das gereinigte Pentacen unter den bisher üblichen Bedingungen wie einer Sauerstoff-
Plasma-Reinigung des Dielektrikums auf interdigital strukturierte OFETs aufgedampft. Abbil-
dung 4.14(a) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFET mit einem Weite zu Länge Verhältnis
von 16800. Dieser liefert einen bemerkenswerten Strom von −15.1mA bei VDS =−40 Vund
VGS =−40 V. Ein mit ungereinigtem Pentacen verarbeiteter OFET mit einem leicht größeren
W/L-Verhältnis von 23400 hingegen kann bei gleicher Betriebsspannung lediglich einen Strom
von −6.8mA treiben (siehe Abbildung 5.14(a)).
Wird die Eingangskennlinie in Abbildung 4.14(b) mit 5.14(b) verglichen, so stellt sich eine
geringere Schwellenspannung von 7Vund eine leichte Steigerung der on-off-Rate auf >104
heraus. Andere OFETs mit aufgereinigtem Pentacen können darüber hinaus eine geringfügig
bessere on-off-Rate von über 105aufweisen, liefern jedoch einen geringeren Strom als das in
57
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
-40 -30 -20 -10 0
-1,6x10
-2
-1,4x10
-2
-1,2x10
-2
-1,0x10
-2
-8,0x10
-3
-6,0x10
-3
-4,0x10
-3
-2,0x10
-3
0,0
2,0x10
-3
-
10...+5V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit aufge-
reinigtem Pentacen
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
10
20
30
40
50
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
I
DS
[A ]
V
th
=
7
V
V
GS
[V]
sq rt| I
DS
|[ µA
1/2
]
V
DS
=-
5
V
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit aufgereinig-
tem Pentacen
Abbildung 4.14: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 16.8cm
und L= 10 µm auf 110 nm thermisch gewachsenem SiO2als Dielektrikum. Die Schichtdicke des
Pentacen betrug ca. 30 nm, aufgedampft bei Raumtemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s
und einem Kammerdruck von 2·10−6mbar
Abbildung 4.14 gezeigte Muster. Für die Ladungsträgerbeweglichkeit bedeutet die Verwendung
aufgereinigten Pentacens eine Steigerung auf 2.6·10−2cm2/V s verglichen mit 8.3·10−3cm2/V s
für den OFET mit ungereinigtem Pentacen, wobei anzumerken ist, dass die Ladungsträger-
beweglichkeiten infolge der unterschiedlichen Transistorgeometrie und des Kontaktwiderstands
nur bedingt vergleichbar sind (siehe Abschnitt 4.4.3).
4.4 Einfluss der Drain- und Source-Kontakte auf die Tran-
sistoreigenschaften
Wie bereits in den Abschnitten 2.1.1 und 3.3 angesprochen wurde, kommt den Drain- und
Source-Elektroden im organischen Transistor eine besondere Bedeutung zu. Sie stehen im di-
rekten Kontakt mit dem organischen Halbleiter und sind für eine gute Ladungsträgerinjektion
am Source und ein effizientes Abführen der Ladungsträger am Drain verantwortlich. Neben
der Wahl eines Kontaktmetalls mit geeigneter Austrittsarbeit ist eine glatte Oberfläche an den
Kontaktflanken ebenso wichtig, um eine gute Anbindung des Halbleiters zu gewährleisten.
4.4.1 Einfluss des Kontaktmetalls
Günstige Voraussetzungen für eine gute Ladungsträgerinjektion und -extraktion in bzw. aus
dem Halbleiter bietet ein Kontaktmetall, dessen Austrittsarbeit für einen ungehinderten La-
dungsträgerübergang zwischen Metall und Halbleiter auf gleicher Höhe des HOMO-Levels des
Pentacens liegt. Als geeignete Materialien sind wegen ihrer Austrittsarbeit nach Abbildung 2.3
die Metalle Gold, Nickel und Palladium anzusehen. Bis auf das Palladium, welches im Rahmen
dieser Arbeit als Target-Material für die Elektronenstrahlverdampfung nicht vorliegt, werden
58
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
diese und die bezüglich der Austrittsarbeit energetisch niedriger angeordneten Metalle Titan
und Chrom zu Beginn dieser Arbeit als Kontaktmetall im OFET systematisch untersucht.
Abbildung 4.15(a) zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFET mit Lift-off strukturierten
Nickel-Kontakten. Erkennbar ist, dass die Kennlinien im Anlaufbereich des Transistors bei
kleinen Drain-Source-Spannungen ein nichtlineares Verhalten zeigen. Ein leicht positiver Strom-
anteil im Bereich geringer Drain-Source-Spannungen deutet auf einen Leckstrom durch das Di-
elektrikum hin. Dieser tritt bei fast allen OFETs auf, wird häufig jedoch vom deutlich größeren
negativen Stromanteil in den Hintergrund gedrängt (siehe Abbildung 4.15(b)). Eine leicht gebo-
gene Kurvenform im linearen Bereich des OFET mit reinen Nickel-Kontakten deutet auf einen
erhöhten Kontaktwiderstand beim Übergang der Ladungsträger vom Metall in den Halbleiter
hin. Dieses scheint in der leichten Oxidierbarkeit des Nickels an der Luft begründet. Durch den
dünnen Nickeloxid Film an der Oberfläche der Kontakte wird die Ladungsträgerinjektion in
den Halbleiter gehemmt, während deren Extraktion unberührt bleibt [116].
-20 -15 -10 -5 0
-3x10
-8
-2x10
-8
-1x10
-8
0
0V
-2V
-4V
-6V
-8V
V
gs
=-10V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit
Nickel-Kontakten
-20 -15 -10 -5 0
-1,5x10
-6
-1,0x10
-6
-5,0x10
-7
0,0
0V
-2V
-4V
-6V
-8V
V
gs
=-10V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(b) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit
Nickel-Gold-Kontakten
Abbildung 4.15: Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Nickel-Kontakten und eines OFETs
mit Nickel-Gold-Kontakten mit W= 1000 µm und L= 5 µm, bedampft mit ca. 60 nm Pentacen
bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.3nm/s und einem Kammerdruck von
8·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 110 nm
Wird ein bis auf die Abscheidung des Kontaktmetalls identisch präparierter OFET mit Nickel-
Gold-Kontakten als Vergleich hinzugezogen (siehe Abbildung 4.15(b)), so ist ein linearer Anstieg
der Kennlinie aus dem Ursprung erkennbar. Dies deutet auf einen günstigen Ladungsträger-
transfer vom Metall zum Halbleiter hin. Zusätzlich zeigt sich, dass der in gleicher Charge
hergestellte Transistor mit den Nickel-Gold-Kontakten einen deutlich höheren Strom bei glei-
cher Ansteuerung liefert. Die Verwendung einer 5−10 nm dünnen Nickel-Schicht unter dem als
Kontaktmetall dienenden Gold wird nach ersten fehlgeschlagenen Versuchen mit reinen Gold-
Kontakten erprobt. Das Nickel stellt sich dabei als guter Haftvermittler für das auf dem SiO2
schlecht haftende Gold heraus. In erster Näherung beeinflusst die Verwendung des Nickels die
elektrischen Eigenschaften des Bauelementes nicht.
Die Metalle Chrom und Titan werden zwar in ersten Versuchen ebenfalls als Kontaktmate-
rial eingesetzt, jedoch sind die elektrischen Kenndaten verglichen mit dem Nickel- und dem
Nickel-Gold-Kontakt zu schlecht, um als alleiniges Kontaktmetall zum Einsatz zu kommen. In
59
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
weiteren Experimenten wird der Ersatz des Nickels als Haftvermittler durch Chrom oder Titan
untersucht. In Abbildung 4.16 ist das Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit einer acht Nano-
meter dünnen Haftvermittlerschicht aus Titan dem eines OFETs mit acht Nanometer dünnem
Nickel unter dem Gold gegenübergestellt. Beide Transistoren sind bis auf die Abscheidung und
Strukturierung des Kontaktmetalls identisch prozessiert.
-80 -60 -40 -20 0
-8x10
-6
-6x10
-6
-4x10
-6
-2x10
-6
00 V
-15 V
-20 V
-25 V
-30 V
-35 V
-40 V
GS
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Titan-
Gold-Kontakten
-80 -60 -40 -20 0
-2,0x10
-5
-1,5x10
-5
-1,0x10
-5
-5,0x10
-6
0,0
-
15 V
-20 V
0 V
-25 V
-30 V
-35 V
-40 V
-40 V
GS
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(b) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Nickel-
Gold-Kontakten
Abbildung 4.16: Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Titan-Gold-Kontakten und eines
OFETs mit Nickel-Gold-Kontakten mit W= 1000 µm und L= 1 µm, bedampft mit je 22.5nm
Pentacen, aufgedampft bei 70◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und
einem Kammerdruck von 7·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 90 nm
Beide Kennlinienfelder zeigen im Anlaufbereich zwar eine leichte Abweichung vom gewünsch-
ten linearen Verlauf, gerade aber bei dem OFET mit der dünnen Nickel-Schicht scheint diese
Abweichung in ihrem Ausmaß noch tolerierbar. Klar erkennbar, wenn auch überraschend, ist,
dass bei gleicher Dicke der Haftvermittlerschicht der Drain-Source-Strom des OFET mit Titan-
Haftschicht geringer ausfällt, als beim Transistor mit Nickel-Haftschicht. Erwartet wird, da in
beiden Fällen Gold als elektrisch leitender Kontakt vorgesehen war, annähernd gleich gute Wer-
te für den Strom. Das Ergebnis lässt die Vermutung zu, dass die Funktion des Haftvermittlers
nicht alleine auf die Erhöhung der Haftung des Goldes auf dem Dielektrikum beschränkt ist.
Tatsächlich muss es zumindest zu einem Teilbeitrag der Ladungsträgerinjektion in den Tran-
sistorkanal durch das Nickel bzw. das Titan gekommen sein (siehe Abbildung 4.17). Da die
Austrittsarbeit des Titans geringer als beim das Nickel liegt, kommt es hier zu einer erschwer-
ten Ladungsträgerinjektion bei reduziertem Stromfluss im Transistorkanal.
In [117] wird im Rahmen einer Untersuchung zur Dicke von Haftvermittlerschichten der Vor-
schlag gemacht, dass der Ladungstransport im eingeschalteten Zustand des OFETs nur in den
unteren drei Nanometern des Pentacens geschieht (siehe Abschnitt 2.3, siehe Abbildung 4.17).
Werden dünnere Haftschichten verwendet, so soll dies dem Bericht zufolge einen deutlich gerin-
geren Kontaktwiderstand zur Folge haben. Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikro-
skop (REM) zeigen jedoch, dass dabei nicht alleine die Dicke des Haftvermittlers, sondern auch
die Wahl der Prozessierung eine Rolle spielt, wie im folgenden Abschnitt gezeigt wird.
60
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
Abbildung 4.17: Metall-Halbleiter-Kontakt mit Titan-Haftschicht. Stromfluss im Falle eines
Titan-Films >3nm (links) und einer Titan-Schicht <3nm (rechts) (Nach [117])
4.4.2 Strukturierung der Kontakte
Um den Einfluss des Präparationsweges zur Strukturierung der Kontakte zu überprüfen, werden
OFETs mit unterschiedlich dicken Kontaktmetallen jeweils mittels nasschemischen Ätzens oder
durch Lift-off strukturiert. Die erzielte Strukturtreue wird im Anschluss im REM ermittelt. Die
obere Darstellung in Abbildung 4.18 zeigt das Ziel der Strukturierung der Kontakte: Glatte
und senkrechte Kontaktflanken mit einem glatten Übergang zur Kontaktoberseite.
Si
SiO2
Si
Si
SiO2
SiO2
Abbildung 4.18: Die Strukturierung der Drain- und Source-Kontakte erfolgt über Ätzen oder Lift-
off. Im Idealfall sollten dabei glatte Kanten ohne Unterätzung entstehen (oben). Beim nasschemi-
schen Ätzen kommt es durch isotrope Ätzwirkung oft zu Unterätzungen der Lackmaske (mitte). Das
Resultat vom Lift-off sind glatte Flanken, jedoch eine scharfe Abrisskante an der Kontaktoberseite
(unten)
Beim nasschemischen Ätzen der Goldkontakte schützt eine Maskierung aus Fotolack die Struk-
turen vor dem Ätzangriff durch das Königswasser (HCl :HNO3,2:1). Da die Ätzung beim
61
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
nasschemischen Strukturieren der Kontakte jedoch isotrop wirkt, kommt es schon bei kurzen
Ätzzeiten zur Unterätzung der Fotolackmaske. Dieses ist im REM erkennbar an den ansteigen-
den Flanken der Kontakte, wie in Abbildung 4.18 in der Mitte dargestellt. Dieser Flankenverlauf
behindert beim späteren Aufdampfen des Pentacens die Anlagerung der Molekül-Längsseite an
den Kontakt. Wie bereits in Abschnitt 2.3 angesprochen ist die Ladungsträgerbeweglichkeit
senkrecht zur Molekül-Hauptachse am größten. Zusätzlich wird durch diese Kontaktform die
Ordnung der Moleküle beim Aufwachsen auf die ansteigende Flanke behindert.
Im Lift-off Verfahren wird vor der Abscheidung des Kontaktmetalls eine verglichen mit der
Strukturierung durch nasschemisches Ätzen negative Fotolackmaske aufgebracht. An den nicht
maskierten Kontaktbereichen, wird das Metall direkt auf dem Wafer abgeschieden, während es
in den anderen Bereichen auf dem Fotolack aufwächst. In einem Ablöseschritt in Aceton mit
Ultraschallunterstützung wird der Fotolack wieder entfernt und trägt das überschüssige Metall
mit ab. Verglichen mit dem Strukturieren der Kontakte durch Ätzung liefert der Lift-off steile
Flanken mit glatten Oberflächen (siehe Abbildungen 4.18 (unten) und 4.19(a)).
Wird im Falle eines Nickel-Gold Sandwiches die Goldschicht zu dick aufgebracht, oder der Lift-
off mit zu hoher Ultraschallleistung oder Einwirkzeit durchgeführt, so kann dies zur Ablösung
der Goldschicht vom Haftvermittler führen, wie in Abbildung 4.19(b) ersichtlich.
(a) REM-Aufnahme Lift-off strukturierter
Drain- und Source-Kontakte
(b) REM-Aufnahme eines Lift-off strukturierten
OFETs mit Ablösungen des Goldes von der Ni-
ckel Haftschicht
Abbildung 4.19: REM-Aufnahme Lift-off strukturierter Drain- und Source-Kontakte. Links:
Goldkontakte mit senkrechten Flanken und glatter Oberfläche. Rechts: Eine zu dicke Goldschicht
führt zum Ablösen des Goldes vom Nickel während des Lift-offs
Wie bereits ins Kapitel 4.4.1 erwähnt, kann es bei der Verwendung einer Nickel- oder Titan-
Haftvermittlerschicht zu einem Stromfluss auch durch diesen Haftvermittler kommen (siehe
Abbildung 4.20). Erkennbar ist dies an den unterschiedlich großen Drain-Source-Strömen der
bis auf die Haftvermittlerschicht identisch präparierten OFETs (siehe Abbildung 4.16). Dieses
Phänomen entsteht prozessbedingt, da beim Bedampfen der Fotolackmaske mit dem Haftver-
mittlermetall auch die Flanken des Fotolacks mit dem Nickel bzw. Titan beschichtet werden.
Üblicherweise werden die zu bedampfenden Substrate in einem Käfigläufer in der Aufdampf-
anlage unter verschiedenen Winkeln bewegt, um eine hohe Kantenbedeckung zu erhalten. Ver-
62
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
hindern lässt sich der negative Einfluss des Haftvermittlers durch Verwenden einer dünnen
(<3nm, vgl. [117]) und mit geringer Konformität aufgewachsenen Schicht. Eine geringe Kon-
formität kann beispielsweise durch thermisches Verdampfen des Metalls auf das senkrecht zur
Verdampfungsquelle ausgerichtete Substrat erreicht werden. Somit ist dieses Verfahren einer
konformen Abscheidung des Metalls vorzuziehen.
Si
SiO2
Si
SiO2
Fotolack
Nickel
Gold Pentacen
Stromfluss
Abbildung 4.20: Die Strukturierung der Drain- und Source-Kontakte mittels Lift-off bringt bei
Standardbeschichtung in Verbindung mit der Nickel-Haftvermittlerschicht eine Ummantelung der
Gold-Kontakte mit sich
4.4.3 Kontaktwiderstand
Wie bereits im Kapitel 2.2 beschrieben, beeinflusst der Kontaktwiderstand die Leistungsfä-
higkeit eines OFETs erheblich. Wird die Ladungsträgerbeweglichkeit beispielsweise wie in der
Literatur üblich über die Eingangskennlinie des Bauelements ermittelt, so erscheint die intrin-
sische Ladungsträgerbeweglichkeit bei großem Kontaktwiderstand nach außen hin stets kleiner
als ihr tatsächlicher Wert, wie er beispielsweise mit einer time-of-flight Messung messbar wäre
[31]. Wird als Halbleiter ein polykristalliner Film verwendet, so kommt es beim Übergang der
Ladungsträger an den Korngrenzen zusätzlich zu einer Absenkung der Beweglichkeit [118], die
jedoch geringer ausfällt als die Reduktion verursacht durch den Kontaktwiderstand [116]. Eine
Aussage über die Ladungsträgerbeweglichkeit im Kristallit kann demnach auch die time-of-flight
Messung nicht liefern.
Erkennbar wird ein hoher Kontaktwiderstand, wenn die Kennlinie des Ausgangskennlinienfeldes
im Anlaufbereich vom linearen Verlauf abweicht (siehe Abbildung 4.15(a)). Während der Kon-
taktwiderstand von der Austrittsarbeit des Metalls im Vergleich zur Bandlage des Halbleiters
abhängt und einen konstanten Beitrag liefert, so ist der Kanalwiderstand von der Kanallän-
ge und der Gate-Source-Spannung abhängig [95] [119]. Wird die Ladungsträgerbeweglichkeit
im Halbleiter über die Auswertung der Eingangskennlinie bestimmt, so resultiert dies für große
Kanallängen in höheren Ladungsträgerbeweglichkeiten, weil der Anteil des Kontaktwiderstands
mit zunehmender Größe des Kanalwiderstands reduziert wird [31] [120]. Erst unterhalb eines
Kontaktwiderstands von ca. 0,6kΩcm kann die Ladungsträgerbeweglichkeit nach [117] un-
abhängig von der Kanallänge berechnet werden. In der Literatur finden sich jedoch für das
Pentacen im Kontakt mit Gold ausschließlich höhere Werte für den Kontaktwiderstand. Die
Angaben schwanken zwischen 1,2kΩcm [121], über 12 −45 kΩcm [120] und 9,75 kΩcm [31] bis
zu 40 kΩcm [122], womit der Kontaktwiderstand den Kanalwiderstand bei weitem übertreffen
sollte [122].
63
4.4. EINFLUSS DER DRAIN- UND SOURCE-KONTAKTE AUF DIE TRANSISTOREIGENSCHAFTEN
0123456
0,0
5,0x10
6
1,0x10
7
1,5x10
7
2,0x10
7
V
GS
=-
10
V
-
15
V
-
20
V
-
25
V
-
30
V
-
35
V
-
40
V
R [ ]
L[µm]
Abbildung 4.21: Bestimmung des Kontaktwiderstands und der effektiven Kanallänge. Aufgetragen
ist der Gesamtwiderstand über der Kanallänge mit der Gate-Source-Spannung als Parameter. Die
Kanalweite beträgt in allen Fällen W= 1000 µm
Über die in [123] vorgestellte Methode werden im Rahmen dieser Arbeit Kontaktwiderstän-
de und effektive Kanallängen ermittelt. Dazu werden Transistoren mit Nickel-Gold-Kontakten
im Lift-off Verfahren gefertigt und vermessen. Die Gesamtwiderstandswerte werden für un-
terschiedliche Kanallängen und Gate-Source-Spannungen aufgetragen und linear gefittet (siehe
Abbildung 4.21). Die gefitteten Geraden sollten sich dabei in einem Punkt schneiden, der auf die
Gesamtwiderstandsachse gelotet den Kontaktwiderstand ergibt. Im Fall L= 0 µm verschwin-
det der kanallängenabhängige Widerstand und es verbleibt der Widerstand für die Drain- und
Source-Kontakte. Wird vom Schnittpunkt der gefitteten Geraden auf die Achse der Kanallänge
gelotet so ergibt dieser Wert die effektive Kanallänge. Trotz eines nahezu linearen Anstiegs der
Ausgangskennlinien im Anlaufbereich (Die Aus- und Eingangskennlinien eines in das Ergebnis
einfließenden OFET sind in Abbildung 5.1 dargestellt) wird so ein nicht unerheblicher Kontakt-
widerstand von 20 kΩcm ermittelt [124]. Dieser scheint verglichen mit den Widerstandswerten
aus der Literatur hoch. Angesichts der Tatsache, dass zur Verbesserung der Haftung des Goldes
auf dem SiO2auch in diesem Fall Nickel als Haftvermittler eingesetzt wird, relativiert sich die-
ser Wert jedoch: In einer Untersuchung der Abhängigkeit des Kontaktwiderstands von der Dicke
des Haftvermittlers kann nur unterhalb einer Schichtdicke von 3nm ein Kontaktwiderstand von
weniger als 1MΩcm ermittelt werden [117].
Zur Senkung des Kontaktwiderstands werden neben einer stetigen Abnahme der Schichtdicke
des Nickels Versuche mit einer Thiol-Verbindung unternommen, die die Anbindung des Penta-
cens während des Aufdampfvorgangs an das Gold der Drain- und Source-Kontakte begünstigen
soll. Wie in Abbildung 4.22(a) dargestellt, scheidet sich die Anthracenthiol-Verbindung aus der
Lösung selektiv auf den Kontakten ab. Dort fungiert das Molekül als Zwischenglied mit entspre-
chenden funktionalen Enden für das Pentacen und das Gold ähnlich einem Tensid. Der erhoffte
positive Effekt auf das elektrische Verhalten der OFETs kann jedoch nicht nachgewiesen wer-
den. Zwar liefert der OFET einen respektablen Strom im eingeschalteten Zustand, allerdings
64
4.5. SKALIERBARKEIT
(a) Self-assembled-monolayer Behand-
lung der Drain- und Source-Kontakte
-40 -30 -20 -10 0
-3,0x10
-5
-2,5x10
-5
-2,0x10
-5
-1,5x10
-5
-1,0x10
-5
-5,0x10
-6
0,0
0V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(b) Ausgangskennlinienfeld eines Anthracenthiol-
Behandelten OFETs
Abbildung 4.22: Zur Verringerung des Kontaktwiderstands wurde eine self-assembled-monolayer
(SAM) Behandlung der Goldkontakte mit einer Lösung aus Anthracenthiol durchgeführt. Die SAM
lagert sich dabei selektiv aus der Lösung an das Gold an und verbessert beim späteren Aufdampfen
des organischen Halbleiters die Anlagerung des Pentacens an die Kontakte (links). Ausgangskenn-
linienfeld eines OFETs mit Anthracenthiol-Behandlung (rechts); W= 1000 µm,L= 1 µm
zeigt sich im Anlaufbereich des Transistors eine geringfügige Abweichung vom idealen linearen
Verlauf. Diese Verbiegung der Ausgangskennlinie im Anlaufbereich deutet auf einen erhöhten
Kontaktwiderstand hin, so dass die Ergebnisse dieser SAM-Behandlung eine Verschlechterung
gegenüber denen bereits vorgestellter OFETs darstellen.
Abschließend kann festgehalten werden, dass die Kontaktwiderstände in OFETs einen erhebli-
chen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Bauelements haben. Die Widerstände übersteigen
den Kanalwiderstand scheinbar bei weitem. Eine Reduzierung des Kontaktwiderstands mit Hilfe
einer SAM-Behandlung kann nach den hier vorgestellten Ergebnissen nicht empfohlen werden.
Zur Erhöhung der Haftung des als Kontaktmetalls favorisierten Goldes während der Lift-off-
Prozessierung wird eine Nickel-Haftschicht vorgeschlagen. Die Haftschicht sollte dabei möglichst
dünn angewendet werden, um eine elektrische Beeinflussung des Bauelements zu vermeiden.
4.5 Skalierbarkeit
Ein treibender Faktor des Erfolgs der MOS-Technik ist die Skalierbarkeit der Transistoren. Die
Miniaturisierung der Transistoren um einen konstanten Faktor für Kanallänge und -weite sowie
die Dicke des Dielektrikums resultiert in gleich bleibenden elektrischen Eigenschaften. Lediglich
die Taktfrequenz der Schaltung liefert hier eine Ausnahme, sie erhöht sich bedingt durch eine
kürzere Ladungsträgertransferzeit im Transistorkanal. Damit bringt die Skalierung der Schal-
tung neben einem Gewinn an Chip-Fläche eine zusätzliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit
mit sich. In Fachkreisen wird auch von einem doppelten Vorteil der Skalierung gesprochen [125].
Auch im Bereich der Entwicklung organischer Feldeffekt Transistoren findet sich eine Tendenz
zu kleineren Strukturgrößen, jedoch scheint dies häufig lediglich in der Erprobung neuer Struk-
65
4.5. SKALIERBARKEIT
turierungsverfahren begründet, weniger in der Absicht, die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen
[106] [126]. Eine systematische Untersuchung der auch für die elektrische Beschreibung der
OFETs herangezogenen Shockley-Gleichungen (siehe Abschnitt 1.2) wird in der Literatur nicht
gefunden, jedoch Hinweise auf die Abhängigkeit des Drain-Source-Stroms von der Kanalweite
und -länge und ein bisher ungeklärter Zusammenhang der Ladungsträgerbeweglichkeit mit der
Kanallänge [28]. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit die Anwendbarkeit der MOS-Gleichungen
für den Fall der OFETs sowohl im Experiment [124] [127] als auch durch Modellierungsversuche
geprüft.
Zur Untersuchung der Kanallängen- und Kanalweitenabhängigkeit des Drain-Source-Stroms,
der Ladungsträgerbeweglichkeit, der Schwellenspannung und der on-off-Rate werden auf ei-
nem Chip benachbarte Transistoren gleicher Länge sowie ebenfalls benachbarte OFETs glei-
cher Weite herangezogen. Durch die Wahl dicht beieinander liegender Bauelemente kann davon
ausgegangen werden, dass Abweichungen in der Pentacen-Schicht sowie Inhomogenitäten in
Dielektrikum und Kontakten vernachlässigbare Rollen spielen. Eine Streuung der elektrischen
Transistorparameter ähnlich des Experiments in Abschnitt 4.2.1 kann somit als unwahrschein-
lich betrachtet werden. Wie in Abbildung 4.23 und 4.24 dargestellt, stehen alle ermittelten
Transistorparameter im Zusammenhang mit den geometrischen Abmessungen des Transistors.
Die Abhängigkeit des Drain-Source-Stroms von der Kanallänge und der Kanalweite ist jeweils
in beiden Abbildungen im Punkt a) dargestellt und erfüllt die Erwartungen, die die Beschrei-
bung der Transistorkennlinien mit Hilfe der Shockley-Gleichungen 2.1 bis 2.4 geweckt hat: Der
Stromfluss zwischen den Drain- und Source-Kontakten hängt demnach proportional von der Ka-
nalweite und umgekehrt proportional von der Kanallänge ab, wobei die dargestellten Geraden
in beiden Fällen nicht durch den Ursprung verlaufen. Wie bei Transistoren der MOS-Bauart ist
die Stromstärke somit von der Länge des Transistorkanals durch den linearen Kanalwiderstand
und von der Weite des OFETs über den linearen Leitungsquerschnitt abhängig. Eine Grundvor-
aussetzung zur Skalierbarkeit der OFETs mit vergleichbaren elektrischen Transistorkenndaten
ist damit bereits erfüllt.
Bei Betrachtung der Ladungsträgerbeweglichkeit offenbart sich ebenfalls eine Änderung des
ermittelten Wertes mit der Kanallänge und -weite (siehe Abbildung 4.23 und 4.24, b)). Dieser
Effekt wird in Ansätzen bereits in verschiedenen Artikeln beschrieben [117][120] und entspricht
nicht den Erwartungen aus der MOS-Technik, bei der die Beweglichkeit der Ladungsträger ledig-
lich von der Temperatur und der Dotierung des Halbleiters abhängt. Das verwendete organische
Halbleitermaterial weist anders als in anorganisch basierten Bauelementen keine rein kristalli-
ne Form auf, sondern besitzt Korngrenzen zwischen kristallinen Bereichen, die den Ladungs-
transport hemmen. Daher sollte es mit Abnahme der Kanallänge bei gleich bleibend großen
Kristalliten zu einer Reduktion der Zahl an Korngrenzen zwischen Drain- und Source-Kontakt
kommen [128]. Die gemessene Ladungsträgerbeweglichkeit müsste demnach mit abnehmender
Kanallänge steigen [118], das Gegenteil ist hier der Fall.
Als Erklärung kann der Kontaktwiderstand herangezogen werden, der, wie bereits in Kapitel
4.4.3 erläutert, bei organischen Feldeffekt Transistoren sehr groß ausfällt und in Relation zum
Kanalwiderstand bei abnehmender Kanallänge zusätzlich an Einfluss gewinnt. Die Abhängig-
keit der Ladungsträgerbeweglichkeit von der Kanalweite des Transistors kann hingegen nicht
mit geometrischen Überlegungen erklärt werden. Hier scheint der über die Transistorgleichun-
gen berechnete Beweglichkeitswert der Schwankung der dort einfließenden Schwellenspannung
66
4.5. SKALIERBARKEIT
0 0.2 0.4 0.6 0.8
−3.5
−3
−2.5
−2
−1.5
−1 x 10−6 a)
1/L [1/µm]
IDS [A]
0 2 4 6 8 10
1
2
3
4
5
6
7x 10−3 b)
L [µm]
µ [cm2/Vs]
0 2 4 6 8 10
0
0.5
1
1.5
2
2.5 c)
L [µm]
Vth [V]
0 2 4 6 8 10
400
600
800
1000
1200
1400 d)
L [µm]
Ion/Ioff
Abbildung 4.23: Abhängigkeit a) des Drain-Source-Stroms, b) der Ladungsträgerbeweglichkeit, c)
der Schwellenspannung und d) der on-off-Rate von der Kanallänge des OFETs. Die Kanalweite
der Transistoren mit Nickel-Gold-Kontakten beträgt 1000 µm; das Pentacen wird bei 6.8·10−7mbar
auf das auf 60◦Cgeheizte Substrat aufgedampft
zu folgen. Eine bei konstanter Ladungsträgerbeweglichkeit mit der Verkürzung der Ladungs-
trägertransferzeit durch den Transistorkanal bedingte Erhöhung der möglichen Schaltfrequenz
wie bei MOS-Transistoren, kann somit für OFETs zunächst nicht gezeigt werden. Es ist jedoch
weiterhin davon auszugehen, dass die Reduzierung der Zahl der Korngrenzen eine Erhöhung der
Ladungsträgerbeweglichkeit zur Folge hat, wie Experimente mit einer Steigerung des Kristallit-
Durchmessers zeigen [15]. Der Erfolg der Skalierung von OFETs hängt nunmehr von der Über-
windung des Kontaktwiderstands ab, der die Steigerung der Ladungsträgerbeweglichkeit bei
Abnahme der Kanallänge noch deutlich überwiegt.
Ein uneinheitliches Bild bietet sich bei Betrachtung der Schwellenspannung in Abbildung 4.23
und 4.24 c). Während hier einerseits eine klare Abhängigkeit der Schwellenspannung von der
Kanallänge festgestellt wird, zeigt sich im Bezug auf die Kanalweite keine eindeutige Richtung.
Hier variiert der Wert der Schwellenspannung ohne besondere Tendenz um 0V. Die Abnahme
der Schwellenspannung und ihre Annäherung an 0Vbei zunehmender Kanallänge deutet auf
ein überwiegendes selbstsperrendes Verhalten bei großen Kanallängen hin, welches von Klauk
ebenfalls festgestellt wird und mit dem bei großen Längen hochohmigen Kanalwiderstand be-
gründet wird [122].
67
4.6. MODELLBILDUNG MIT HILFE DER MOS-GLEICHUNGEN
Die Untersuchung der on-off-Rate in Abhängigkeit von der Länge und Weite der OFETs er-
gibt wenig Überraschendes. Aufgrund eines nahezu gleich bleibenden Stroms im ausgeschalte-
ten Zustand hängt das Verhältnis von Einschalt- zu Ausschaltstrom fast nur vom Strom im
Betriebszustand des Transistors ab. Dieser jedoch wächst mit zunehmender Kanalweite und
abnehmender Kanallänge der OFETs, wie bereits oben beschrieben.
0 200 400 600 800 1000
−7
−6
−5
−4
−3
−2
−1
0x 10−7 a)
W [µm]
IDS [A]
0 200 400 600 800 1000
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01 b)
W [µm]
µ [cm2/Vs]
0 200 400 600 800 1000
−0.4
−0.2
0
0.2
0.4
0.6 c)
W [µm]
Vth [V]
0 200 400 600 800 1000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400 d)
W [µm]
Ion/Ioff
Abbildung 4.24: Abhängigkeit a) des Drain-Source-Stroms, b) der Ladungsträgerbeweglichkeit, c)
der Schwellenspannung und d) der on-off-Rate von der Kanalweite des OFETs. Die Kanallänge
der Transistoren mit Nickel-Gold-Kontakten beträgt 3µm; das Pentacen wird bei 6.8·10−7mbar
auf das auf 60◦Cgeheizte Substrat aufgedampft
Zusammenfassend zu diesem Abschnitt lässt sich feststellen, dass das elektrische Verhalten der
gefertigten OFETs prinzipiell der Weiten- und Längenabhängigkeit der Shockley-Gleichungen
genügt und damit dem der MOSFETs ähnelt. Damit scheint einer Skalierung der OFETs nur
noch die Senkung des hohen Kontaktwiderstands im Wege zu stehen, der sich nach außen hin
als Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit auswirkt.
4.6 Modellbildung mit Hilfe der MOS-Gleichungen
Die genaue Beschreibung des elektrischen Verhaltens des organischen Feldeffekt Transistors
ist für das grundlegende Verständnis und die fortschreitende Entwicklung der Bauelemente von
68
4.6. MODELLBILDUNG MIT HILFE DER MOS-GLEICHUNGEN
großer Bedeutung. Wie im Abschnitt 4.4.3 und 4.5 gezeigt wurde, können nur durch das gezielte
Auswerten von Kennlinien Störeffekte lokalisiert und eingekreist werden.
Bisher werden zur Erklärung des elektrischen Verhaltens organischer Feldeffekt Transistoren
hauptsächlich die Shockley-Gleichungen herangezogen, die zwar für die Beschreibung von MOS-
FETs entwickelt worden sind, aber auch prinzipielle Übereinstimmung mit dem Verhalten der
OFETs aufweisen (siehe Abschnitt 4.5). In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der Mo-
dellierung der gemessenen Kennlinien mit Hilfe der Shockley-Gleichungen und dem Programm
’Matlab’ vorgestellt. Es wird dabei versucht, die gemessenen Kennlinien durch Eingabe der bau-
elementspezifischen Daten beispielsweise der Gate-Oxiddicke oder der Transistorgeometrie mit
den Shockley-Gleichungen nachzuvollziehen. Beispielhaft werden hier nun die Modellierungs-
versuche zweier im Rahmen dieser Arbeit auch unter anderen Gesichtspunkten untersuchter
OFETs vorgestellt, wobei bereits vorweggenommen werden kann, das bei keinem der Modellie-
rungsversuche eine Übereinstimmung der aus den einfachen Shockley-Gleichungen berechneten
Kurvenverläufe mit den gemessenen Daten erzielt werden kann.
Als entscheidende Faktoren für die Beschreibung der OFET-Kennlinien stellen sich dabei der
Kontaktwiderstand und die Morphologie des organischen Films heraus, wie sich bereits in den
vorangegangenen Kapiteln 4.4.3 und 4.5 angedeutet hat. Die Größe des Kontaktwiderstands
fließt dabei indirekt über die aus den Eingangskennlinien ermittelte Ladungsträgerbeweglichkeit
ein, wobei, wie schon in Kapitel 1.2 beschrieben wurde, bereits hier die korrekte Bestimmung der
Schwellenspannung Diskussionsbedarf in der Literatur geweckt hat. Ein großer Kontaktwider-
stand kann im linearen Anlaufbereich des Ausgangskennlinienfeldes durch einen kurvenförmigen
Verlauf leicht entdeckt werden. Die Morphologie der Pentacen-Schicht wirkt sich über die Größe
der kristallinen Bereiche und die damit verbundene Anzahl an Korngrenzen auf die Beweglich-
keit der Ladungsträger aus. Eine erhöhte Zahl an Korngrenzen senkt die über das Bauelement
gemessene Ladungsträgerbeweglichkeit durch Potenzialschwellen und Ladungsträgerstreuung
[118].
In die Shockley-Gleichungen zur Beschreibung von MOS-Transistoren fließt die Ladungsträger-
beweglichkeit nun anders als im Falle der OFETs als Konstante ein, die im Falle der MOSFETs
lediglich von der Temperatur oder der Dotierung des Halbleiters abhängen kann. Im Gegen-
satz zu den OFETs ist der Kontaktwiderstand bei MOSFETs verschwindend gering; selbst bei
Ermittlung der Ladungsträgerbeweglichkeit über die Eingangskennlinie zeigt dieser so keinen
Einfluss. Zusätzlich scheint der Kontaktwiderstand für OFETs eine Abhängigkeit von der ange-
legten Gate-Source-Spannung aufzuweisen, die nach [119] jedoch nur im Falle besonders hoher
Widerstandswerte eine Rolle spielt.
Diese Gate-Spannungsabhängigkeit soll in der durchgeführten Modellierung durch das Hin-
zufügen eines zusätzlichen Faktors VGS/VTbzw. durch dessen unterschiedliche Gewichtung κ
berücksichtigt werden, so dass nunmehr die Modellierung mit folgenden Gleichungen durchge-
führt werden:
Für den Anlaufbereich des Transistors:
IDS =µε0εr
tox
W
L[(VGS −Vth)VDS −1
2V2
DS]·κVGS
VT
,(4.1)
mit der Variablen VT=k·T
q≈26 mV als Temperaturspannung bei Raumtemperatur. Als
Variablen werden in die Gleichung kals Boltzmann-Konstante, Tals Temperatur und qals die
69
4.6. MODELLBILDUNG MIT HILFE DER MOS-GLEICHUNGEN
Elementarladung eingesetzt. Der Sättigungsbereich des OFETs wird entsprechend durch:
IDS =µε0εr
2·tox
W
L[(VGS −Vth)2]·κVGS
VT
(4.2)
beschrieben. Die Verwendung der Temperaturspannung soll in diesem Fall zunächst vorläufig
der Temperaturabhängigkeit des Systems Rechnung tragen. Zusätzlich wird ein Gewichtungs-
faktor κeingeführt, der die Größe des Kontaktwiderstands berücksichtigen soll.
-40 -30 -20 -10 0
-7x10
-5
-6x10
-5
-5x10
-5
-4x10
-5
-3x10
-5
-2x10
-5
-1x10
-5
0
1x10
-5
Messdaten
Simulation
0V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
G
S
=-
40V
I
D
S
[A ]
V
D
S
[
V
]
Abbildung 4.25: Ausgangskennlinienfeld (schwarz) und modellierte Kennlinie (rot) eines OFETs
mit W= 1000 µm und L= 1 µm, bedampft mit 58 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur,
einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und einem Kammerdruck von 6·10−7mbar vor der Alterung
unter Laborbedingungen. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 110 nm. Die gemessene Kennlinie ist
identisch mit Abbildung 5.1
Abbildung 4.25 zeigt das Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit Nickel-Gold Kontakten und
den Versuch, den Kennlinienverlauf durch Modellierung mit den angepassten Shockley-Gleich-
ungen zu beschreiben. Der herangezogene OFET stammt aus der gleichen Charge wie die
OFETs, die zur Ermittlung des Kontaktwiderstands in Abschnitt 4.4.3 herangezogen werden
und weist somit einen moderaten Kontaktwiderstand auf. Erkennbar ist, dass durch Anpassung
der Shockley-Gleichungen mittels des zusätzlichen Faktors für die Gate-Source-Spannung ei-
ne übereinstimmende Beschreibung sowohl im linearen Bereich, als auch im Sättigungsbereich
gelingt. Der Gewichtungsfaktor κist in diesem Fall bei moderatem Kontaktwiderstand deut-
lich kleiner gewählt als für große Widerstände. Der Einfluss der Gate-Source-Spannung auf die
Spreizung der Kennlinien ist daher eher gering. Abbildung 4.26 zeigt das Ausgangskennlinien-
feld eines OFETs mit größerem Kontaktwiderstand. Auch hier soll der Kontaktwiderstand über
die Anpassung des κ-Faktors in das Modell integriert werden. Besonders im Sättigungsbereich
der Kurven wird jedoch deutlich, dass die Spreizung der Kennlinien stärker als im ersten Fall
ausgeprägt ist. Der Versuch, dieses durch die Modellierung zu beschreiben, führt hierbei zu deut-
lichen Abweichungen von den gemessenen Kurven speziell im Anlaufbereich des Transistors. Die
Anfälligkeit der verwendeten Transistoren mit so genannten ’bottom-contact’ Strukturen (siehe
70
4.6. MODELLBILDUNG MIT HILFE DER MOS-GLEICHUNGEN
-40 -30 -20 -10 0
-3x10
-5
-2x10
-5
-1x10
-5
00V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
Messdaten
Simulation
I
D S
[A ]
V
DS
[V]
Abbildung 4.26: Ausgangskennlinienfeld (schwarz) und modellierte Kennlinie (rot) eines OFETs
mit W= 1000 µm und L= 1 µm, bedampft mit 30.5nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur,
einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und einem Kammerdruck von 4.2·10−7mbar. Das Gate-Oxid
hat eine Dicke von 93 nm. Die gemessene Kennlinie ist identisch mit Abbildung 4.22(b)
Kapitel 3.3) gegenüber dem Kontaktwiderstand wird schon in [129] beschrieben und in der dort
vorgestellten Simulation über ein Paar antiparallel angeordneter Schottky-Dioden angenähert.
Zusammenfassend soll festgehalten werden, dass die hier angestellten Überlegungen sicherlich
nur den Anfang einer mathematischen Beschreibung der OFET-Kennlinien darstellen können.
Der Versuch, die Funktion der OFETs durch die einfachen Shockley-Gleichungen zu erklären,
scheitert zunächst an einem zu großen Kontaktwiderstand der Bauelemente. Die aus der Ein-
gangskennlinie ermittelte Ladungsträgerbeweglichkeit wird durch den Kontaktwiderstand der-
art beeinflusst, dass eine Beschreibung der elektrischen Funktion des OFETs über die Shockley-
Gleichungen erst durch Verwendung eines zusätzlichen, den Kontaktwiderstand berücksichtigen-
den Vorfaktors möglich ist. Als Lösungsvorschlag wäre einerseits die Ermittlung der Ladungs-
trägerbeweglichkeit über ’time-of-flight’ Messungen oder aber das Einführen einer ’effektiven
Ladungsträgerbeweglichkeit’ unter Berücksichtigung der Morphologie des organischen Films
sowie des Kontaktwiderstands denkbar [118].
71
Kapitel 5
Alterungsuntersuchungen
Einer der schwer wiegendsten Nachteile organischer Halbleitermaterialien ist, wie im Abschnitt
2.4 erwähnt, deren Alterung durch Luft-Sauerstoff [54] und Wasserdampf [11] beim elektri-
schen Betrieb der Bauelemente [130]. Schon bei der einfachen elektrischen Charakterisierung
der OFETs durch Eingangskennlinien und Ausgangskennlinienfelder ist die Degradation offen-
sichtlich, denn bereits Stunden oder Tage nach der erstmaligen Vermessung des Bauelements
sinken die on-off-Rate [56], die Ladungsträgerbeweglichkeit [97], außerdem tritt eine Schwellen-
spannungsverschiebung auf [131].
Als Ursachen für die Alterung der OFETs im Experiment werden in der Literatur bisher zwar
immer die oben genannten Gründe angeführt, die Beschreibung der Effekte ist dabei jedoch
meist qualitativer Natur und wird als Nebenerscheinung anderer Experimente wahrgenommen
[68][132]. Eine zielgerichtete Quantifizierung und Bewertung der einzelnen Degradationsmecha-
nismen hingegen lässt sich in den Veröffentlichungen nicht finden und soll im Rahmen dieser
Arbeit geschehen.
Zunächst wird dazu der Gesamteffekt der Alterung unter Einwirkung aller bekannter Alterungs-
ursachen an der Atmosphäre untersucht, um die Notwendigkeit und den Aufwand einer späteren
Kapselung abzuschätzen. Anschließend werden die Effekte der einzelnen Alterungsmechanis-
men isoliert voneinander charakterisiert, um deren tatsächlichen Einfluss auf das Bauelement
zu quantifizieren. Abschließend werden Experimente mit einer Verkapselung zur Unterdrückung
bzw. Verzögerung der Degradation durchgeführt und deren Langzeitstabilität getestet.
Alle Alterungsexperimente werden mit OFETs auf Siliziumsubstraten durchgeführt, da das
Verhalten von Silizium-Wafern im Langzeitexperiment bekannt ist und sie ein relativ unemp-
findliches Substratmaterial darstellen. Für eine spätere Realisierung von OFET-Schaltungen
auf Polymersubstraten sollten daher gesonderte Untersuchungen zu den Bauelement-Substrat-
Wechselwirkungen während der Alterung des Bauelements durchgeführt werden.
Aufgrund der positiven Erfahrungen mit Gold-Kontakten auf einer Nickel-Haftschicht (siehe
Kapitel 4) werden alle für die Alterungsuntersuchungen verwendeten OFETs mit diesen Kon-
takten ausgestattet.
72
5.1. ALTERUNG UNTER LABORBEDINGUNGEN
5.1 Alterung unter Laborbedingungen
Zur Durchführung erster Alterungsuntersuchungen an ungeschützten Pentacen-Filmen werden,
gemessen am technologischen Stand, besonders leistungsfähige OFET-Elemente ausgewählt,
da unbekannt ist, wie stark der Einfluss der Umgebungsbedingungen tatsächlich ist. Selbst
während und nach der Alterung sollten daher die Ströme im Sättigungsbereich des Transistors
noch gut messbar sein. In einer eingehenden Charakterisierung gleich nach dem Bedampfen
mit dem Pentacen werden sowohl Eingangs- als auch Ausgangskennlinien aufgenommen (siehe
Abbildung 5.1).
-40 -30 -20 -10 0
-7x10
-5
-6x10
-5
-5x10
-5
-4x10
-5
-3x10
-5
-2x10
-5
-1x10
-5
0
1x10
-5
-
15V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
gs
=-40V
I
ds
[A ]
V
ds
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld vor der Alterung
-30 -20 -10 0 10 20 30
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
sq rt |I
ds
| [ µA
1/2
]
V
g
s
[
V]
1E-8
1E-7
1E-6
|I
ds
| [ A
]
V
ds
=-
2V
(b) Eingangskennlinie vor der Alterung
Abbildung 5.1: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 1000 µm
und L= 1 µm, bedampft mit 58 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von
0.1nm/s und einem Kammerdruck von 6·10−7mbar vor der Alterung unter Laborbedingungen.
Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 110 nm
Die Ausgangskennlinie in Abbildung 5.1(a) zeigt einen fast linearen Anstieg aus dem Ursprung
des Diagramms und deutet damit auf einen geringen Kontaktwiderstand und eine gute La-
dungsträgerinjektion hin. Der Transistor geht im weiteren Verlauf sicher in Sättigung mit einem
maximalen Sättigungsstrom bei VDS =−40 Vund VGS =−40 Vvon bis zu −61 µA und weist
einen geringen Leckstrom von wenigen nA auf. Die Schwellenspannung des OFETs liegt bei
einem akzeptablen Wert von 4.8V, lediglich die on-off-Rate ist mit einem Wert von ca. 100
eher gering, wie aus der Eingangskennlinie in Abbildung 5.1(b) abgelesen werden kann. Der
Subschwellenspannungstromanstieg ist mit einem Wert von 10.3V/Dek ebenfalls noch relativ
hoch.
Der Wafer mit diesem Transistor wird nach der ersten eingehenden Vermessung an Laborluft
bei Raumtemperatur in einer lichtdichten Kunststoffbox gelagert und nach jeweils drei Monaten
erneut vermessen. Während der Lagerung befindet sich die Box im Dunkeln und innerhalb des
metallischen Messschranks.
Abbildung 5.2 stellt die bei einer jeweiligen Gate-Source-Spannung von VGS =−40 Vaufge-
nommene Kennlinie des Drain-Source-Stroms des eingangs vorgestellten OFETs dar. Erkennbar
ist, dass nach drei und sechs Monaten Alterung der Strom um jeweils eine Größenordnung ab-
genommen hat und nach neun Monaten in einer Sättigung zu münden scheint. Wie aus Tabelle
73
5.1. ALTERUNG UNTER LABORBEDINGUNGEN
-40 -30 -20 -10 0
1x10
-9
1x10
-8
1x10
-7
1x10
-6
1x10
-5
1x10
-4
9 Mon.
V
GS
=-40V
6 Mon.
3 Mon.
0 Mon.
|I
D S
|[ A ]
V
DS
[V]
Abbildung 5.2: Kennlinie des Sättigungsstrombetrags bei VGS =−40 Vin Abhängigkeit von der
Drain-Source-Spannung direkt nach dem Bedampfen mit dem Pentacen und während der Alterung
über neun Monate
5.1 abzulesen ist, sind auch die weiteren elektrischen Parameter des OFETs stark von der
Degradation betroffen. Neben der Ladungsträgerbeweglichkeit kommt es auch bei der Schwel-
lenspannung zu einer Verschiebung, deren Vorzeichen in negative Richtung an dieser Stelle
betont werden soll. Als Erklärung für die hier festgestellte Alterung kommen sowohl der wäh-
rend der Lagerung anwesende Luftsauerstoff, als auch die Luftfeuchtigkeit in Frage. Da beide
Effekte in diesem Experiment nicht voneinander getrennt werden können, soll hier zunächst
keine Diskussion des Ergebnisses in Hinblick auf die Alterungsmechanismen stattfinden. Zu
einem späteren Zeitpunkt werden die hier ermittelten Messdaten, speziell die Verschiebung der
Schwellenspannung, jedoch bei der Gewichtung des jeweiligen Effektes einen entscheidenden
Einfluss haben.
Tabelle 5.1: Degradation der elektrischen Transistorparameter eines ungekapselten OFETs bei
Lagerung über einen Zeitraum von neun Monaten unter Laborbedingungen
IDS Vth µ
0 Monate −60.9µA 4.8V2.0·10−3cm2/V s
3 Monate −6.8µA 2.3V2.4·10−4cm2/V s
6 Monate −457 nA −3.4V2.2·10−5cm2/V s
9 Monate −187 nA −8V1.2·10−5cm2/V s
Als erstes Resultat kann festgehalten werden, dass ungekapselte Pentacen basierende OFETs
auch nach neun Monaten Alterung unter Umgebungsbedingungen noch funktionstüchtig sind,
wenn auch mit reduzierten Transistorparametern. Die Transistorkennlinien weichen auch nach
neun Monaten in ihrer Form nur leicht von denen ab, die direkt nach dem Bedampfen mit
dem Pentacen gemessen werden. Dieses Ergebnis ist überraschend, wird berücksichtigt, dass
die Bauelemente bei der OLED-Fertigung schon Minuten nach der Exposition an der Luft oft
keine Funktion mehr aufweisen.
74
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
Auf keinen Fall sollte dieses Ergebnis verwechselt werden mit einem neun-monatigen Betrieb
des OFETs. So genannte Stressmessungen weisen einen deutlich schnelleren Alterungsprozess
auf. Denkbar sind jedoch mit dieser Erkenntnis mit geringem Aufwand gekapselte Schaltungen
auf Pentacen-Basis z.B. in Funketiketten, deren kurzfristige oder einmalige Benutzung beim
Auslesen der Preisinformation an der Kasse durchaus auch einige Monate nach der Herstellung
möglich ist.
5.2 Fraktionierung der Alterungsmechanismen
Als mögliche Ursachen für die Veränderung der elektrischen Transistorparameter im voran-
gegangenen Experiment sind sowohl der Sauerstoff aus der Luft, als auch Wasserdampf in
Form von Umgebungsfeuchte denkbar. Mit seiner relativ groben Körnung und pyramidenför-
migen Morphologie bietet der organische Pentacen-Film eine große Oberfläche und damit auch
Angriffsfläche für die Anlagerung von Luftsauerstoff und Wassermolekülen. Eine Trennung der
beiden Einflüsse ist in dieser Form des Versuchs nicht möglich, da sich beide über eine Änderung
der gesamten Breite messbarer elektrischen Kenndaten ausdrücken. Ziel der anschließenden Un-
tersuchungen ist es, die genauen Einflüsse der Alterung auf die OFET-Parameter zu ermitteln,
elektrisch zu lokalisieren und im Vergleich mit anderen Alterungsmechanismen zu gewichten.
5.2.1 Sauerstoff
Da im bisherigen Experiment die Einflüsse von Wasserdampf und Sauerstoff auf die elektrischen
Parameter des OFET nicht voneinander getrennt werden können, wird in einem weiteren Ver-
such ein Transistor der alleinigen Alterung durch technischen Sauerstoff ausgesetzt [133]. Ein
auf Siliziumsubstrat basierter OFET wird zur Messung im Vakuum auf einen Platinenträger
montiert (siehe Abbildung 5.3) und im Ultraschallbondverfahren gebondet. Die Messleitun-
gen werden durch eine Vakuumdurchführung aus dem Vakuum mit dem Parameter-Analyser
verbunden. So ist es möglich, den Transistor im Hochvakuum direkt nach dem Bedampfen mit
dem organischen Halbleiter zu charakterisieren. Im Anschluss wird die Vakuumkammer mit
technischem Sauerstoff bis zum Erreichen des Umgebungsdrucks geflutet und der Transistor
erneut vermessen (siehe Abbildung 5.4).
Schon vor Beginn der Alterungsuntersuchungen zeigt die Ausgangskennlinie (siehe Abbildung
5.4(a)) im Anlaufbereich des Transistors eine Krümmung des Kurvenverlaufs. Diese ist auf
einen erhöhten Kontaktwiderstand zwischen dem Metall der Drain- und Source-Kontakte und
dem Halbleiter zurückzuführen. Der Kontaktwiderstand scheint jedoch durch die Alterung im
Sauerstoff vorerst nicht betroffen zu sein, da der Kurvenverlauf auch nach dem Einwirken des
Gases eine ähnliche Form aufweist.
Als eindeutige Reaktion auf das Fluten der Aufdampfanlage mit dem hochreinen Sauerstoff
ist eine sofortige Abnahme des Sättigungsstroms zu erkennen. Dieser reduziert sich durch die
Sauerstoff Einwirkung auf die Hälfte des Ausgangswertes von −15.9µA auf −6.4µA bei einer
Drain-Source-Spannung von VDS =−80 Vund einer Gate-Source-Spannung von VGS =−40 V.
Die Drain-Source-Spannung wird in diesem Experiment bedingt durch den hohen Kontaktwi-
derstand vom sonst verwendeten Wert von VDS =−40 Vbis zum doppelten Wert gesteuert,
um den Transistor sicher in Sättigung zu betreiben.
75
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
Abbildung 5.3: Um die mit Pentacen bedampften OFETs im Vakuum charakterisieren zu können,
werden einzelne Siliziumchips auf eine Platine geklebt und gebondet. Die Messleitungen werden über
eine Vakuumdurchführung zum Messplatz geleitet
Der Vergleich der Eingangskennlinien vor und nach der Exposition des OFETs an Sauerstoff
(siehe Abbildung 5.4(b)) zeigt, dass mit der Abnahme des Sättigungsstroms eine gleichzeitige
Reduktion des Verhältnisses von Einschalt- zu Ausschaltstrom einhergeht. Da die Größe des
off-Stroms scheinbar kaum auf den Sauerstoff zu reagieren scheint, halbiert sich die on-off-
Rate bedingt durch die Halbierung des Sättigungsstroms von einem Anfangswert von 1000 auf
nunmehr 500.
-80 -60 -40 -20 0
-1,5x10
-5
-1,0x10
-5
-5,0x10
-6
0,0
0V
0V
-35V
-40V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld vor (schwarz) und nach
(rot) der Alterung durch Sauerstoff
-40 -20 0 20 40
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
V
DS
=-
10
V
|I
DS
|[A ]
sq rt |I
DS
|[µ A
1/2
]
V
GS
[V]
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
(b) Eingangskennlinie vor (schwarz) und nach (rot)
der Alterung durch Sauerstoff
Abbildung 5.4: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 1000 µm
und L= 1 µm, bedampft mit ca. 30 nm Pentacen bei 25◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate
von ca. 0.1nm/s und einem Kammerdruck von 7·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von
100 nm
Wie aus der Kennlinie der Wurzel des Drain-Source-Stroms ersichtlich ist, sinkt deren Stei-
gung nach dem Belüften der Vakuumanlage mit Sauerstoff. Da über die Steigung der Wurzel-
kennlinie sowohl die Ladungsträgerbeweglichkeit ermittelt werden kann als auch die Schwellen-
spannung des Transistors abgeleitet wird, kann von einer Änderung beider Parameter ausge-
76
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
gangen werden. Die Beweglichkeit wird dabei von einem Anfangswert von 6.0·10−4cm2/V s
auf 2.1·10−4cm2/V s gesenkt. Die Schwellenspannung verschiebt sich in positive Richtung
von Vth =−2.6Vauf Vth =−0.6V. Diese positive Schwellenspannungsverschiebung, bedingt
durch die Einwirkung von hochreinem Sauerstoff, steht nun in direktem Kontrast mit der ne-
gativen Verschiebung, verursacht im Langzeitexperiment bei Anwesenheit von Sauerstoff und
Wasserdampf (siehe Kapitel 5.2). Da im Langzeitexperiment beide Alterungsmechanismen als
Verursacher der Schwellenspannungsverschiebung in Betracht kommen, die Schwellenspannung
trotzdem jedoch in negative Richtung verschoben wird, muss schon hier vermutet werden, dass
die Auswirkungen der Alterung durch den Wasserdampf zum einen eine negative Schwellen-
spannungsverschiebung hervorrufen und zum anderen den Einfluss durch den Sauerstoff auf die
Schwellenspannung übersteigen, wie bereits in [36] vermutet wird. Die genaue Untersuchung
der Reaktion der Schwellenspannung auf die Luftfeuchtigkeit erfolgt in Abschnitt 5.2.3.
Sowohl die Reduzierung des Drain-Source-Stroms und der Ladungsträgerbeweglichkeit als auch
die Schwellenspannungsveränderung lassen sich über die Anlagerung des Sauerstoffs an die
Korngrenzen erklären. Die raue Morphologie des Pentacen-Films mit den zahlreichen Korn-
grenzen bietet eine große Oberfläche, an der der Sauerstoff ansetzen kann. Im direkten Kontakt
mit dem Pentacen bildet sich dabei in einer chemischen Reaktion das Pentacen-Chinon, wobei
sich der Sauerstoff mit hoher Wahrscheinlichkeit an den mittleren Ring des Pentacens anlagert,
da diese Stelle die stabilste Verbindung garantiert [55] (siehe Abbildung 5.5). Durch die daraus
entstehende Störung des delokalisierten Elektronensystems wird der Ladungstransport auf dem
und über das Molekül behindert und macht sich außerhalb des Bauelements in einer Reduktion
der Ladungsträgerbeweglichkeit bemerkbar [97]. Betroffen von der Beeinträchtigung der Be-
weglichkeit sind dabei jedoch nur Moleküle an den Korngrenzen, wo sich das Pentacen-Chinon
bildet. Im kristallähnlichen Bereich innerhalb des Korns ist die Ladungsträgerbeweglichkeit un-
verändert. Tatsächlich finden sich in der Literatur auch Hinweise, dass das Ausmaß der Alterung
von der Kanallänge des Transistors und damit indirekt von der Anzahl der Korngrenzen, also
der Morphologie der organischen Schicht abzuhängen scheint [134].
Abbildung 5.5: Bei Anwesenheit von Luftsauerstoff reagiert das Pentacen in einer exothermen
Reaktion durch Anbinden des Sauerstoffs an den mittleren Benzol-Ring zum Pentacen-Chinon
Durch die Einlagerung des Sauerstoffs entstehen bei der Ausbildung des Pentacen-Chinons zu-
sätzliche Elektronenzustände innerhalb der Bandlücke, so genannte Ladungsträgerfallen oder
Traps [91]. Im Betrieb des OFETs füllen sich diese als Akzeptor wirkenden Fallenzustände mit
Elektronen auf und bilden eine Potenzialbarriere aus, welche eine lokale Bandverbiegung be-
wirkt [128]. Diese Bandverbiegung erfordert für den Löchertransport im organischen Halbleiter
zusätzliche Energie zur Überwindung dieser Barriere, vergleichbar mit dem Hopping-Transport
im Falle eines ungeordneten Pentacen-Films (siehe Abbildung 2.6). Das Resultat ist eine Stö-
77
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
rung des Ladungsträgertransports über die Korngrenzen hinweg, welche sich nach außen in
einer Reduktion des geschalteten Stroms ausdrückt.
Das Binden der Elektronen in den Trap-Zuständen hat neben der Reduktion des Sättigungs-
stroms eine Verschiebung der Schwellenspannung zur Folge. Die mit der Bindung der Elektronen
an die Traps frei gewordenen und im HOMO zurückgelassenen Löcher erhöhen die intrinsische
Leitfähigkeit des Materials. Das Resultat ist eine positive Schwellenspannung, da nun ein po-
sitives elektrisches Feld benötigt wird, um die zusätzlichen Ladungsträger zum Sperren des
Transistors aus dem Kanal zu drängen. Positive Schwellenspannungen werden daher oftmals in
Transistoren mit vermutlich durch Chinon-Verbindungen verunreinigtem Pentacen festgestellt
[128].
5.2.2 Einfluss ausgewählter Laborgase
Da die in den vorangegangenen Abschnitten vorgestellten Experimente nur einen Teil der mög-
lichen Alterungsursachen aus den Umgebungsbedingungen wiederspiegeln, werden weitere Ver-
suche zur genauen Klärung der Transistoralterung und deren Umfang unternommen. Speziell
der Einfluss weiterer atmosphärischer Gase sowie des Luftdrucks werden dabei untersucht, um
den in Abschnitt 5.2.1 beschriebenen Effekt der Parameterbeeinflussung durch den Sauerstoff zu
isolieren. Ohne Klärung des genauen Druckeinflusses ist denkbar, dass die Änderung der Tran-
sistorparameter beim Fluten der Vakuumkammer mit Sauerstoff alleine dem Druckunterschied
zuzuschreiben ist.
In einem zu Kapitel 5.2.1 vergleichbaren Versuch wird ein gebondeter OFET auf einem Silizi-
umchip zum Bedampfen in die Aufdampfanlage eingebaut und direkt nach dem Aufdampfen
des Pentacens im Hochvakuum bei 7·10−7mbar charakterisiert. Diese ersten Messungen stellen
den Ausgangspunkt der anschließenden Experimente dar. Jeder Punkt der in Abbildung 5.6
dargestellten Kurve stellt dabei den aus dem Ausgangskennlinienfeld des Transistors extrahier-
ten Drain-Source-Strom bei VGS =−40 Vund VDS =−40 Vdar. Mit den Messungen wird
direkt nach dem Eintreten der Umgebungsbedingungen begonnen. Sie erstrecken für sich für
jede Messbedingung über einen Zeitraum von ca. zehn Minuten.
Die unterschiedliche Anzahl von Messpunkten in diesem Zeitraum resultiert dabei aus der
unterschiedlichen Zeitdauer, die für die Aufnahme einer einzelnen Messung notwendig ist. Die
Messdauer kann von der Integrationszeit, vom Betrag und der Eindeutigkeit der gemessenen
Größe abhängen. Schwankt ein Messsignal beispielsweise stark oder ist der Messwert sehr klein,
so muss für jeden Messpunkt über einen längeren Zeitraum gemittelt werden, um zu einem
eindeutiges Ergebnis zu gelangen. Jeweils nach der Exposition des OFET an eines der Laborgase
ist die Zeitachse unterbrochen. Zwischen den Messungen in Gas-Atmosphäre und einer erneuten
Charakterisierung im Vakuum wird die Aufdampfanlage stets für 24 Stunden evakuiert.
Nach der Messung der elektrischen Ausgangsparameter des OFETs direkt nach dem Bedamp-
fen mit dem Halbleitermaterial im Hochvakuum wird die Aufdampfanlage zunächst mit tech-
nischem Stickstoff geflutet. Dabei wird sichergestellt, dass weder Gase oder Wasserdampf aus
der Umgebung in die Kammer hineinströmen noch in der Kammer ein Überdruck gegenüber
dem Atmosphärendruck entsteht. Aus Abbildung 5.6 ist ersichtlich, dass der Sättigungsstrom
des Transistors nach dem Belüften der Aufdampfanlage mit Stickstoff geringfügig abnimmt
78
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
-6x10
-5
-5x10
-5
-4x10
-5
-3x10
-5
-2x10
-5
V
GS
=-
40
V
V
DS
=-
40
V
10min
Vac
10min
10min
10min
O
2
Vac
N
2
Vac
I
DS -
m
a
x
[A ]
Abbildung 5.6: Verhalten des Transistor Sättigungsstroms bei VGS =−40 Vund −VDS = 40 V
nach Exposition an Stickstoff bzw. Sauerstoff und zwischenzeitlichem Abpumpen von 24h. Her-
stellungsbedingungen des OFETs: W= 1000 µm,L= 1 µm, bedampft mit ca. 30 nm Pentacen
bei 25◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und einem Kammerdruck von
7·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 100 nm
und zum Ende der zehnminütigen Messzeit einen Sättigungswert anstrebt. Direkt im Anschluss
an diese Charakterisierung wird die Vakuumkammer wieder evakuiert und das Hochvakuum
für 24 Stunden gehalten. Die dann durchgeführte Messung zeigt ein langsames aber deutliches
Ansteigen des Sättigungsstroms, ein Hinweis auf die Reversibilität des Stickstoffeinflusses.
Im weiteren Verlauf des hier vorgestellten Experiments wird der Rezipient nach der Untersu-
chung des Stickstoffeinflusses auf den OFET mit technischem Sauerstoff belüftet. Erneut wird
über einen Zeitraum von ca. zehn Minuten durch wiederholtes Messen des Ausgangskennli-
nienfeldes die Reaktion der elektrischen Transistorparameter auf den Druckeinfluss und den
bereits bekannten Effekt des Sauerstoffs festgehalten. Wie in Abbildung 5.6 deutlich zu erken-
nen ist, kommt es dabei zu einer starken Abnahme des Drain-Source-Stroms um ungefähr die
Hälfte innerhalb weniger Minuten. Dieser Effekt wird bereits im vorangegangenen Experiment
in Abschnitt 5.2.1 beschrieben. Eine alleinige Abnahme des Sättigungsstroms aufgrund der
Druckdifferenz erscheint in Verbindung mit diesem Versuch nunmehr unwahrscheinlich, zeigt
der vermessene OFET bei Belüftung mit Stickstoff doch eine deutlich schwächere Reaktion auf
die in beiden Fällen identische Druckdifferenz.
Im Anschluss an diese Messungen wird das Hochvakuum wieder hergestellt und für weitere 24
Stunden beibehalten. Das Verhalten des Sättigungsstroms in Abbildung 5.6 zeigt zunächst einen
kleinen Sprung zu größeren Strömen, dann jedoch im weiteren zeitlichen Verlauf nahezu keine
Änderung mehr. Im Gegensatz zum Einfluss des Stickstoffs ist die Reaktion des OFETs auf die
Sauerstoff-Einwirkung nicht oder nur sehr gering reversibel. Dieses legt die Vermutung nahe,
dass es, wie in Abschnitt 5.2.1 beschrieben, unter Sauerstoffathmosphäre zu einer chemischen
Reaktion des Pentacens zum Pentacen-Chinon kommt, die nur unter externer Energiezufuhr
reversibel ist. Alleine das Senken der Sauerstoff-Konzentration an der Oberfläche des Pentacen-
Films und das Senken des Druckes führt nicht zum Wiederherstellen der Ausgangsbedingungen.
79
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
Zunächst ist die Reduktion des Transistorsättigungsstroms unter dem Einfluss des Stickstoffs
überraschend, da allgemein angenommen wird, dass Stickstoff keinen Einfluss auf die Funk-
tionsweise von OFETs hat [36]. Eine chemische Reaktion des Stickstoffs mit dem Pentacen
erscheint unter den gegebenen experimentellen Bedingungen relativ unwahrscheinlich.
Tatsächlich können in dünnen Pentacen-Schichten beim Beaufschlagen eines hydrostatischen
Drucks kristalline Phasen-Übergänge zwischen der ’Bulk-Phase’ und der ’kristallinen Phase’
festgestellt werden [135]. Unterschiedliche molekulare Abstände in beiden Phasen bewirken ei-
ne Störung des Überlapps der p-Orbitale benachbarter Pentacen-Moleküle [42]. Eine solche
Störung des Ladungstransports macht sich nach außen z.B. durch einen verringerten Sätti-
gungsstrom bemerkbar. Durch erneutes Evakuieren der Aufdampfanlage wird der organische
Film wieder vom Druck entlastet, die Entspannung des Films geht mit einem Wiederanstieg
des Sättigungsstroms einher. Das reversible Verhalten des Sättigungsstroms nach dem Wieder-
herstellen der Vakuumbedingungen deutet auf ein Zurückkehren des organischen Kristalls in
die Ausgangs-Phase hin und wird bereits in [108] beobachtet. Im Gegensatz zu den in dieser
Arbeit gewonnenen Erkenntnissen zeigt sich im zitierten Artikel jedoch ein positiver Einfluss
der Drucksteigerung allerdings kann in beiden Experimenten nicht von einem vergleichbaren
Kristallwachstum ausgegangen werden.
Neben der Reaktion des organischen Films auf die Druckdifferenz besteht die Möglichkeit, dass
der Sättigungsstrom aufgrund von Wasserdampf, der beispielsweise mit dem Stickstoff über
die Rohrleitungen bei der Belüftung in den Rezipienten gelangt, als Auslöser des gemessenen
Effekts in Frage kommt. Ein Vergleich der Schwellenspannungen in den jeweiligen Phasen des
Experiments (siehe Tabelle 5.2) zeigt, dass es durch das Belüften der Vakuumkammer zu einer
Schwellenspannungsverschiebung mit leicht positiver Tendenz kommt. Dabei werden während
der Messungen im Vakuum schwach negative Schwellenspannungen und bei Beaufschlagen des
organischen Films mit Druck leicht positive Spannungen ermittelt. Für eine Aussage zu ei-
ner Schwellenspannungsverschiebung aufgrund des Druckeinflusses scheinen diese Messwerte zu
schwach. Der Einfluss von Wasserdampf wird aufgrund seiner deutlicheren Wirkung auf die
Schwellenspannung in diesem Experiment für unwahrscheinlich gehalten.
Tabelle 5.2: Schwellenspannungswerte in Abhängigkeit des Druckes bzw. der Präsenz verschiede-
ner Laborgase. Reihenfolge der experimentellen Phasen entsprechend Abbildung 5.6
Vakuum N2Vakuum O2Vakuum
−1.18 V0.10 V−0.24 V0.07 V−0.35 V
Ein zweites Experiment mit identischem Aufbau soll die Ursache der Sättigungsstromabnahme
beim Belüften des Rezipienten mit Stickstoff klären. Abbildung 5.7 zeigt das Verhalten des
Sättigungsstroms eines vergleichbaren OFETs. Bedingt durch eine abweichende Transistorgeo-
metrie und Druckbedingungen beim Bedampfen mit dem organischen Halbleiter, liefert das
Bauelement einen deutlich geringeren Strom als das vorher beschriebene. Trotzdem ist davon
auszugehen, dass die prinzipielle Reaktion auf die eingelassenen Gase vergleichbar ist.
Nach Messung der Ausgangsbedingungen wird in diesem Experiment die Vakuumkammer zu-
nächst mit getrocknetem Stickstoff geflutet, indem dieser durch ein Edelstahlrohr, gekühlt mit
flüssigem Stickstoff, geleitet wird. Eine eindeutige Wirkung der Druckdifferenz auf den Sätti-
gungsstrom ist im Rahmen der statistischen Schwankungen nicht feststellbar. Nach anschließen-
80
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
-4x10
-8
-3x10
-8
-2x10
-8
-1x10
-8
Luft
Vac
O
2
Vac
N
2
V
GS
=-
40
V
V
DS
=-
40
V
Vac
N
2
-
trocken
Vac
I
DS - m a
x
[A ]
Abbildung 5.7: Verhalten des Transistor Sättigungsstroms bei VGS =−40 Vund −VDS = 40 V
nach Exposition an trockenem Stickstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Laborluft bei zwischenzeitlichem
Abpumpen von 24 h. Herstellungsbedingungen des OFETs: W= 500 µm,L= 1.5µm, bedampft mit
ca. 30 nm Pentacen bei 25◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und einem
Kammerdruck von 1·10−6mbar. Das Gate-Dielektrikum hatte eine Dicke von insgesamt 40 nm
der 24 stündiger Lagerung im Hochvakuum wird eine erneute Charakterisierung durchgeführt
und zeigt eine allgemeine geringe Tendenz zur Abnahme des Sättigungsstroms auch unter Va-
kuumbedingungen, vermutlich aufgrund einer langsamen Aufladung des organischen Films. Auf
das folgende Belüften der Anlage mit herkömmlichem technischem Stickstoff reagiert der OFET
wiederum lediglich mit leicht schwankenden Sättigungsströmen ohne eindeutige Tendenz. Damit
scheint eine mögliche Wasserdampfkontamination des verwendeten Stickstoffs ausgeschlossen.
Allerdings liefert das vorgestellte Experiment ebenfalls keinen Hinweis auf eine Druck bedingte
Reaktion des Sättigungsstroms, so dass die im vorangegangenen Experiment festgestellte Ab-
nahme des Einschaltstroms ungeklärt bleibt. Denkbar ist aber, dass es sich bei der Abnahme
des Sättigungsstroms in Abbildung 5.6 ebenfalls um eine Schwankung im Rahmen der Statistik
handelt.
Um festzustellen, ob das vermessene Bauelement tatsächlich die erwarteten Reaktionen lie-
fert, wird der OFET nach weiteren 24 Stunden im Hochvakuum einer Sauerstoffathmosphäre
ausgesetzt. Der erwartete Effekt bleibt jedoch aus, kann aber durch die Verwendung bereits
gealterten Pentacens erklärt werden. Die damit verbundene erhöhte Pentacen-Chinon Konzen-
tration im halbleitenden Film ist einerseits Erklärung für die geringe chemische Reaktion auf
den technischen Sauerstoff, andererseits kann das Pentacen-Chinon für die bereits erwähnten
schlechteren Transistorparameter verantwortlich gemacht werden.
Eine abschließende Belüftung der Aufdampfanlage mit Laborluft liefert den Beweis, dass die
elektrischen Eigenschaften des verwendeten Bauelements durchaus von der umgebenden Atmo-
sphäre abhängen. Der Sättigungsstrom nimmt direkt nach dem Kontakt mit der Laborluft um
ein drittel seines Wertes ab und zeigt eine deutliche Tendenz zur weiteren Abnahme.
81
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
Zusammenfassend sollte festgehalten werden, dass eine Druck bedingte Reaktion der elektri-
schen Transistorparameter im Rahmen statistischer Schwankungen als unwahrscheinlich gilt.
Ebenso kann eine Kontamination des eingebrachten Stickstoffs mit Feuchtigkeit ausgeschlossen
werden.
5.2.3 Luftfeuchtigkeit
Während es zur Alterung von OFETs und deren elektrischer Parameter auf den Einfluss von
Wasserdampf wenige Berichte in der Literatur gibt, so ist der Reaktionsmechanismus organi-
scher Moleküle mit Wassermolekülen aus der Umgebungsluft hingegen ausreichend bekannt:
An den Korngrenzen des Pentacens diffundieren die Wassermoleküle in den organischen Halb-
leiter ein und führen in OFETs zu einer Reduktion des Sättigungsstroms (siehe Abbildung
2.11) und legt z.B. auch die Verwendung von OFETs als Feuchtigkeits-Sensoren nahe [36]. Die
Verminderung des Stroms ist dabei auf eine im elektrischen Feld begründete Reaktion zurück-
zuführen [55]. Im Gate-Feld kann das Wassermolekül während des OFET-Betriebs dissoziieren
und sich an das Pentacen-Molekül anlagern. Kovalent an das Pentacen angebunden, bilden das
H+und das OH−Defekte im Pentacen-Kristall aus, die als Traps für die positiven Majoritäts-
Ladungsträger des Pentacens wirken. Die so polarisierte Grenzfläche zwischen Dielektrikum
und organischem Halbleiter führt zu einer Schwellenspannungsverschiebung des Transistors in
negativer Richtung (siehe Abbildung 5.8), da die getrapten positiven Ladungen als Spiegel-
ladungen das Gate-Feld abschirmen und daher eine größere negative Gate-Source-Spannung
zur Ausbildung der Ladungsträger-Akkumulation im Transistorkanal notwendig ist [55]. Beim
Einwirken eines dauerhaften ’Stresseinflusses’ kann desweiteren über das Vorzeichen der Stress-
spannung die Richtung der Schwellenspannungsverschiebung über die jeweilige Wirkung auf
H+und OH−-Ionen bestimmt werden [55][91].
-30 -20 -10 0 10 20 30
0,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
V
DS
=-
15
V
V
th
=-7.7V
V
th
=-
2
.8V
s q rt | I
D S
|[ µ A
1/ 2
]
V
GS
[V
]
Abbildung 5.8: Eingangskennlinie eines OFETs bei niedriger (rot) und bei erhöhter Luftfeuch-
tigkeit (schwarz). Der Transistor wird wie folgt hergestellt: W= 1000 µm und L= 1 µm, bedampft
mit 58 nm Pentacen bei 60◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und einem
Kammerdruck von 6·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 110 nm
82
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
Bei einfacher Lagerung an der Umgebungsluft und im Dunkeln, kommt es bei längeren Ex-
perimenten auch ohne die Anwendung eines ’Bias-Feldes’ zu einer langsamen Schwellenspan-
nungsverschiebung in negative Richtung [130], wie sie auch im Falle der in Abschnitt 5.1 vor-
gestellten Alterung aufgetreten ist (siehe Tabelle 5.1). Diese scheint, den Erkenntnissen aus
Abschnitt 5.2.1 zufolge, den Einfluss des Sauerstoffs zu übersteigen, so dass die Alterung durch
den Wasserdampf als schwer wiegender zu betrachten ist.
Neben einem direkten Einfluss auf die Schwellenspannung kommt dem Wasserdampf eine wei-
tere Rolle bei der Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit hinzu. Die Anlagerung polarer
Reste an die offenen Kristallflächen der Korngrenzen hat eine Ausbildung von Potenzialbar-
rieren zur Folge, welche den Ladungstransport im Hopping und im Band ähnlichen Transport
beeinträchtigen, da nur Ladungsträger mit genügend großer Energie diese Barrieren überwinden
können.
Ursächlich für die Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeiten ist hingegen eine chemische
Reaktion der dissoziierten Wassermoleküle mit den Pentacen-Molekülen an den Korngrenzen
des organischen Films. Sowohl der Wasserstoff als auch die OH−-Gruppen lagern sich dabei
kovalent an ein Pentacen-Molekül an, wobei hier der mittlere Ring aus energetischen Gründen
bevorzugt wird [55]. Diese Anbindung kann dabei nur unter Auflösung einer Doppelbindung am
äußeren Kohlenstoff-Atom unter Aufgabe der Delokalisierung der Doppelbindungen geschehen.
Dabei kommt es durch die zusätzlichen Liganden am Kohlenstoff-Atom zu einer Verbiegung des
Pentacen-Moleküls aus der planaren Form, resultierend in einem zusätzlichen negativen Einfluss
auf das pz-Orbital. Beide Effekte haben die Störung des Ladungstransports auf dem Molekül
zu Folge und drücken sich nach außen in einer Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit und
des Drain-Source-Stroms aus, wie ebenfalls in Kapitel 5.1 bestätigt wird.
Temper-Versuche
Zur Steigerung der kristallinen Eigenschaften durch eine nachträgliche Ordnung des Pentacen-
Films und zum Austreiben von Wasserresten aus dem Halbleiter wird in der Literatur oft darauf
hingewiesen, dass eine Temperung organischer dünner Schichten einen positiven Effekt auf die
Bauteileigenschaften haben kann [74]. Geschützt durch eine Kapselungsschicht oder im Vakuum
[136] werden dazu die Wafer mit den OFETs in einem Temper-Ofen erhitzt.
In dem hier vorgestellten Versuch wird ein auf einem Silizium-Wafer basierender OFET mit
Nickel-Kontakten zur Temperung auf eine Heizplatte in einer Vakuumkammer montiert. Durch
Evakuieren der Vakuumkammer mit einer Drehschieber-Vakuumpumpe kann ein über die Pro-
zessdauer konstant gewählter Druck von 10 mbar eingestellt werden, während die Temperatur
auf 65◦Cfestgelegt wird. Die Zufuhr thermischer Energie soll dabei die Ordnung der Pentacen-
Moleküle im organischen Films begünstigen [74] [136] (siehe auch Kapitel 2.3). Nach einer
anfänglichen Charakterisierung vor Beginn der Temperatureinwirkung wird der untersuchte
OFET jeweils nach 2, 20 und 200 min erneut vermessen.
Die Auswertung der Messungen zeigt jedoch entgegen der Erwartungen eine Qualitätsver-
schlechterung fast aller Transistorparameter (siehe Abbildung 5.9). Nach spätestens 20 min
Temperdauer kann sowohl beim Sättigungsstrom als auch bei der Ladungsträgerbeweglichkeit
und der on-off-Rate eine deutliche Abnahme des Ausgangswertes um jeweils eine Größenord-
nung festgestellt werden. Einzig die Schwellenspannung variiert über den gesamten untersuch-
83
5.2. FRAKTIONIERUNG DER ALTERUNGSMECHANISMEN
0 50 100 150 200
−10−7
−10−8
−10−9
a)
t [min]
IDS [A]
0 50 100 150 200
10−5
10−4
10−3
b)
t [min]
µ [cm2/Vs]
0 50 100 150 200
3
3.2
3.4
3.6
3.8 c)
t [min]
Vth [V]
0 50 100 150 200
100
101
102
d)
t [min]
on/off−ratio
Abbildung 5.9: Verhalten a) des Sättigungsstroms bei VDS =−20 Vund VGS =−10 V, b) der
Ladungsträgerbeweglichkeit, c) der Schwellenspannung und d) der on-off-Rate eines OFETs mit
W= 1000 µm und L= 1.5µm bei einer Temper-Dauer von 0, 2, 20 und 200 min bei 65◦Cim
Vakuum bei ca. 10 mbar. Die Pentacen Schichtdicke beträgt ca. 60nm
ten Zeitraum in einem schmalen Band zwischen Vth = 3.1Vund Vth = 3.8Vohne eindeutige
Tendenz.
Die ursprünglich zur Optimierung des organischen Films gedachte Prozedur erweist sich unter
den in diesem Experiment gegebenen Bedingungen als unbrauchbar. Statt einer Verbesserung
der elektrischen Transistorparameter durch das Austreiben des Wassers und durch Neuordnung
der Pentacen-Moleküle muss ein weiterer Effekt eingetreten sein. Bereits in [45] wird zwar ein
ordnender Effekt auf die Pentacen-Kristallite festgestellt und durch Röntgenbeugungsmessung
nachgewiesen, jedoch kommt es auch hier zu einer Reduktion der Ladungsträgerbeweglichkeit,
die hier jedoch unerklärt bleibt. Als Ursache für die Reduktion des Sättigungsstroms und der
Ladungsträgermobilität kann der so genannte ’dangling bond’-Mechanismus herangezogen wer-
den.
Während die Ausbildung des Pentacen-Chinons (siehe Kapitel 5.2.1) durch eine chemische Re-
aktion des Pentacens mit Sauerstoff ein exothermer Prozess ist, so lösen sich durch Bereitstellen
thermischer Energie die Wasserstoffatome am mittleren Ring des Pentacen-Moleküls in einer
endothermen Reaktion ab [55], zurück bleiben die ungesättigten Bindungen (siehe Abbildung
5.10). Infolge dessen kommt es durch die Störung der π-Orbitalwolke an den Kohlenstoffato-
84
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
Abbildung 5.10: Thermisch erzeugter ’dangling bond’ am Pentacen. Zwei Wasserstoffatome lösen
sich in einer endothermen Reaktion und hinterlassen freie Bindungen am Kohlenstoff
men zu einer Veränderung der Bandstruktur und zu einem verminderten Ladungstransport
über das Molekül. Zusätzlich bilden die Pentacen-Moleküle durch die zurückgelassenen Elek-
tronen an den offenen Bindungen geladene Streuzentren für den Ladungstransport aus und
senken die Ladungsträgerbeweglichkeit im Film. Die Verminderung der on-off-Rate hingegen
erklärt sich bei gleich bleibend großem Transistorleckstrom ebenfalls durch die Abnahme des
Einschaltstroms. Da die Schwellenspannung keinerlei eindeutige Tendenz durch die Tempera-
turbehandlung zeigt, kann auf diesem Weg nicht nachgewiesen werden, ob die Feuchtigkeit
aus dem organischen Film ausgetrieben wird, oder ob die Ausbildung des dangling-bonds ein
vergleichbares Erscheinungsbild liefert.
5.3 Kapselungsversuche
Die in den vorangegangenen Abschnitten untersuchte Langzeithaltbarkeit von Pentacen ba-
sierten OFETs leidet besonders unter dem Einfluss von Wasserdampf und Sauerstoff aus der
Umgebungsluft. Trotzdem erweisen sich Bauelemente auch nach neun Monaten Alterung an der
Luft als funktionstüchtig (siehe Abschnitt 5.1). Trotz der im Vergleich mit anderen organischen
Halbleitern geringen Empfindlichkeit gegenüber den Umgebungsbedingungen [137] sollen auch
Pentacen-Transistoren gegenüber den getesteten Alterungsmechanismen geschützt werden, um
die Alterung hinauszuzögern und eine sichere Funktion der hergestellten Schaltungen auch un-
ter ungünstigen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Nahe liegend ist also eine Kapselung des
organischen Films gegenüber den Umwelteinflüssen, idealerweise direkt nach dem Aufdampfen
des Halbleitermaterials noch im Vakuum.
Die Literaturrecherche zu systematischen Untersuchungen von Kapselungsexperimenten ergibt
wenige Hinweise auf bereits erfolgreich durchgeführte Versuche. Wie auch bei den Alterungs-
untersuchungen selbst sind die Angaben in den Veröffentlichungen dazu eher oberflächlich und
qualitativ. Als geeignete Kapselungsmaterialien werden beispielsweise das Aufbringen von Po-
lyimide [75] auf Pentacen oder aber das Laminieren eines Polyacrylat basierten Klebstoffes in
Verbindung mit einer dünnen Aluminiumschicht untersucht [138]. Während im ersten Bericht
keinerlei Angaben über die Änderung der elektrischen Transistorparameter gemacht werden,
kann im zweiten Artikel zumindest über einen untersuchten Zeitraum von 45 Tagen berich-
tet werden. Die in diesem Fall auflaminierte Kapselung weist dabei einen nicht unerheblichen
Prozessaufwand auf, da die alleinige Verwendung einer Aluminiumschicht einen Kurzschluss
der dort angewandten top-contact Formation verursachen würde. Außerdem weisen die auf-
laminierten Filme eine erhebliche Dicke von 185 µm für das Aluminium und 15 µm für den
Polyacrylat-Klebstoff auf.
85
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
Im Rahmen dieser Arbeit wird daher an einer alternativen Methode gearbeitet, die Alterung
der Pentacen-Schicht zu reduzieren. Gesucht wird daher ein Material, das:
•bei niedriger Temperatur zu verarbeiten ist, um die thermische Belastung auf den orga-
nischen Film nach dessen Abscheidung zu minimieren,
•bei geringer Aufwachsrate auf dem Pentacen deponiert werden kann, um eine Zerstörung
der empfindlichen Schicht zu verhindern,
•das möglichst hydrophob ist, um das Eindringen von Wasserdampf in den Halbleiter zu
vermindern,
•und einen möglichst dichten Film ergibt, um auch Sauerstoff-Moleküle vom Eindringen
in das Pentacen abzuhalten.
Als geeignetes Material wird schließlich Polytetrafluorethylen (PTFE), auch bekannt unter
dem Handelsnamen ’Teflon’, ausgewählt. PTFE ist hydrophob und kann durch Sputtern im
Hochvakuum auf den Pentacen-Film abgeschieden werden (siehe Abbildung 5.11). Je nach
Sputter-Leistung und Substrattemperatur vernetzt das Molekül stärker oder schwächer mit
den anderen PTFE-Molekülen auf der besputterten Oberfläche, so das unterschiedlich dichte
Filme hergestellt werden können. Zusätzlich bietet sich die Möglichkeit, durch Co-Sputtern von
z.B. Titanoxid die dielektrische Konstante der gesputterten Schicht einzustellen, so dass auch
der Einsatz von PTFE als Dielektrikum z.B. in Top-Gate-Transistoren denkbar ist.
Abbildung 5.11: Durch Kapselung des organischen Halbleiters mit PTFE soll der OFET gegen
die bekannten Alterungsmechanismen Sauerstoff und Wasserdampf geschützt werden
In einem ersten Experiment wird zunächst eine dünne und homogene PTFE-Schicht von nur
20 nm Dicke auf einen Siliziumsubstrat basierten Pentacen-OFET aufgesputtert. Zur Beschich-
tung mit dem PTFE wird ein Transistor mit besonders guten elektrischen Kennwerten gewählt,
da eine Beeinträchtigung des organischen Halbleiters durch das Sputtern nicht ausgeschlossen
werden kann.
Abbildung 5.12(a) zeigt das Ausgangskennlinienfeld des untersuchten OFET vor der Beschich-
tung des Pentacens mit dem PTFE. Der eingangs gemessene Sättigungsstrom von ca. −25 µA
bei VDS =−40 Vund VGS =−40 Vnimmt jedoch nach dem Besputtern des Transistors mit
dem PTFE ab auf einen Wert von ca. −650 nA und wird, bedingt durch eine Verschiebung des
86
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
-40 -30 -20 -10 0
-2,5x10
-5
-2,0x10
-5
-1,5x10
-5
-1,0x10
-5
-5,0x10
-6
0,0
5,0x10
-6
-
10...+5V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
V
GS
=-40V
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs vor der
Beschichtung mit PTFE
-80 -60 -40 -20 0
-8x10
-7
-6x10
-7
-4x10
-7
-2x10
-7
0
2x10
-7
0V
-5V
-10V
-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(b) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs nach der
Beschichtung mit PTFE
Abbildung 5.12: Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit W= 1000 µm und L= 1 µm vor und
nach der Beschichtung mit einer 20 nm dünnen PTFE Kapselung. Die Schichtdicke des Pentacen
beträgt 14.6nm, aufgedampft bei 25◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von 0.1nm/s und
einem Kammerdruck von 8·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 100 nm
Sättigungsbereichs der Ausgangskennlinie, erst bei VDS =−80 Verreicht. Die Abnahme des
Sättigungsstroms in diesem Ausmaß wird zunächst nicht erwartet, kann aber sowohl durch die
Zeitdauer zwischen Herstellung des OFET und dem Beschichten mit dem PTFE von mehreren
Wochen sowie durch die relativ dünne Pentacen Schicht von nur 14 nm begründet werden. Ein
Aufbringen einer Kapselung auf eine so dünne Pentacen Schicht wird mit hoher Wahrscheinlich-
keit auch die untersten Schichten des inselartig aufgewachsenen organischen Halbleiters gestört
haben. Diese sind jedoch für die Ausbildung des leitenden Transistorkanals entscheidend.
Im Anschluss an die erstmalige Charakterisierung nach dem Besputtern des OFETs mit dem
PTFE wird eine Lagerung des Transistors unter vergleichbaren Bedingungen zum Versuch in
Abschnitt 5.1 begonnen. Nach einem Monat wird eine immer noch starke, wenn auch im Ver-
gleich zur Alterung ohne Kapselungsschicht reduzierte, Abnahme des Sättigungsstroms auf
einen Wert von −141 nA bei VDS =−40 Vund VGS =−40 Vfestgestellt. Der Versuch, ein
Ausgangskennlinienfeld aufzuzeichnen, scheitert jedoch, so dass dieser Versuch abgebrochen
wird. Als Resultat dieses Experiments werden folgende Änderungen für neue Versuche vorge-
schlagen:
•Es sollte eine dickere Pentacen-Schicht verwendet werden, um eine Beschädigung des
Pentacens durch das Sputtern auf weiter vom Transistorkanal entfernte Schichten zu
beschränken.
•Das Teflon sollte mit einer größeren Schichtdicke abgeschieden werden, um einen besseren
Schutz gegen die Alterungsmechanismen zu bieten.
•Es sollten Transistoren mit erheblich besseren Transistorparametern benutzt werden, um
eine deutliche Messung trotz reduzierter Kenndaten durch das Sputtern zu gewährleisten.
87
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
Mit diesen Erkenntnissen aus dem vorangegangenen Experiment wird dann ein erneuter Ver-
such mit angepassten Herstellungsparametern durchgeführt. Um auch nach dem Beschichten
des organischen Halbleiters mit dem Teflon möglichst große Ströme messen zu können, werden
so genannte ’Interdigital’-Strukturen auf einem ansonsten unverändert prozessierten Silizium-
Wafer erzeugt (siehe Abbildung 5.13). Die Dicke des Pentacen-Films wird gleichzeitig auf ca.
30 nm erhöht, um einen besseren Schutz der unteren Pentacen-Schichten während des Besput-
terns mit dem PTFE zu gewährleisten.
Abbildung 5.13: Mikroskopaufnahme eines OFETs mit ’interdigital strukturierten’ Kontakten
(L= 20 µm,W= 46.8cm)
Die elektrische Charakterisierung vor dem Beschichten des Pentacens mit dem PTFE ergibt
deutlich verbesserte Transistorparameter, beispielsweise einen erhöhten Sättigungsstrom und
eine größere on-off-Rate. So kann bei einer Drain-Source-Spannung von VDS =−40 Vund einer
Gate-Source-Spannung von VGS =−40 V, bedingt sowohl durch das größere W/L-Verhältnis
von nunmehr 23400 und die Benutzung einer Sauerstoff-Plasma-Reinigung (siehe Abschnitt
4.1.1) ein deutlich erhöhter Sättigungsstrom von −6.8mA gemessen werden (siehe Abbildung
5.14(a)). Die on-off-Rate kann parallel angehoben werden und liegt nun bei einem Wert von ca.
104(siehe Abbildung 5.14(b)). Nachteilig hingegen wirkt sich die Verwendung des großen W/L-
Verhältnisses auf die Schwellenspannung des Transistors aus, die aus der Eingangskennlinie mit
einem Wert von Vth = 12.3Vextrahiert wird.
Scheinbar behindert in diesem Fall die große Transistorfläche die Verarmung des OFET-Kanals
im Ausschaltzustand durch die nicht zu vernachlässigende absolute Zahl freier Ladungsträger im
Gebiet zwischen Drain- und Source-Kontakt. Denkbar ist allerdings auch, dass die Sauerstoff-
Plasma-Behandlung eine Vielzahl von freien Bindungen an der Siliziumdioxid-Oberfläche hin-
terlassen hat, die nunmehr als Fallenzustände agieren und eine erhöhte Schwellenspannung zur
Folge haben können.
Nach der anfänglichen elektrischen Charakterisierung wird der Wafer mit einer nun 1.5µm di-
cken PTFE-Schicht besputtert. Die deutlich größere Schichtdicke soll einen besseren Schutz ge-
gen die Alterungsmechanismen bieten. Um mögliche Beschädigungen des halbleitenden Films zu
vermindern, wird das PTFE mit geringer Leistung bei einer Abscheiderate von nur 21 nm/min
aufgebracht, ein radialer Schichtdickengradient von <10% ist die Folge [111]. Nach einem er-
neuten Vermessen der Eingangskennlinie und des Ausgangskennlinienfeldes wird der OFET
unter vergleichbaren Bedingungen, wie auch der Transistor während des Langzeitexperiments
88
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
-40 -30 -20 -10 0
-7x10
-3
-6x10
-3
-5x10
-3
-4x10
-3
-3x10
-3
-2x10
-3
-1x10
-3
0
1x10
-3
+
5...-15V
-20V
-25V
-30V
-35V
V
GS
=-40V
I
DS
[A ]
V
DS
[V]
(a) Ausgangskennlinienfeld eines OFETs mit ’in-
terdigital strukturierten’ Kontakten vor der Be-
schichtung mit PTFE
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
10
20
30
40
50
60
sq rt |I
DS
|[µ A
1/2
]
V
DS
=-
10V
|I
DS
|[A
]
V
G
S
[
V]
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
(b) Eingangskennlinie eines OFETs mit ’interdigital
strukturierten’ Kontakten vor der Beschichtung mit
PTFE
Abbildung 5.14: Ausgangskennlinienfeld und Eingangskennlinie eines OFETs mit W= 46.8cm
und L= 20 µm vor der Beschichtung mit einer 1.5µm dicken PTFE-Kapselung. Die Schichtdicke
des Pentacen beträgt ca. 30 nm, aufgedampft bei 25◦CSubstrattemperatur, einer Aufdampfrate von
ca. 0.1nm/s und einem Kammerdruck von 6·10−7mbar. Das Gate-Oxid hat eine Dicke von 127 nm
und wird vor dem Bedampfen mit dem Pentacen mit einem Sauerstoff-Plasma gereinigt
(siehe Abschnitt 5.1), gelagert, also im Dunkeln sowie bei Raumluft und -temperatur. Nach
jeweils einem Monat wird der OFET erneut untersucht.
Abbildung 5.15 zeigt das Ergebnis einer im Rhythmus von einem Monat durchgeführten elek-
trischen Charakterisierung des PTFE-beschichteten OFETs. Dargestellt ist jeweils die Aus-
gangskennlinie des Transistors, aufgenommen bei VGS =−40 V. Deutlich wird, dass bereits die
Beschichtung des Pentacens mit dem PTFE eine Beeinträchtigung des Schaltverhaltens ver-
ursacht, erkennbar in der Änderung des Kurvenverlaufs im Anlaufbereich. Die Abnahme des
Sättigungsstroms ist in Relation zum anfänglichen Experiment (siehe Abbildung 5.12) hingegen
überraschend gering. Während es in den ersten zwei Monaten der anschließend durchgeführten
Alterung des OFETs noch zu einer merklichen Reduktion des Sättigungsstroms kommt, so ver-
langsamt sich die Abnahme in den Monaten drei und vier. Verglichen mit der Alterung eines
ungekapselten OFETs unter Laborbedingungen (siehe Abschnitt 5.1) und der dortigen Vermin-
derung des Sättigungsstroms auf ca. 1/10 des Ausgangswertes nach drei Monaten Lagerung
an Luft, kann in diesem Experiment eine Verlangsamung der Alterung durch Verwendung der
PTFE-Kapselungsschicht mit einer Reduktion des Sättigungsstroms auf ca. 1/4des Ausgangs-
wertes festgestellt werden (siehe Tabelle 5.3).
Für die eingangs bereits angesprochene und erläuterte recht hohe Schwellenspannung kann
im Laufe des Experiments eine Verschiebung in Richtung größerer positiver Spannungswerte
festgestellt werden. Nach der Kapselung der Pentacen-Schicht mit dem PTFE zeigt die Schwel-
lenspannung zunächst einen leichten Anstieg in positive Richtung. Diese Verschiebung hängt
vermutlich mit der PTFE-Beschichtung und der damit verbundenen Beeinträchtigung des or-
ganischen Films zusammen. Trotz der Kapselungsschicht kommt es im weiteren Verlauf des
Experiments jedoch zu einer fortgesetzten Verschiebung der Schwellenspannung in Richtung
positiver Spannungswerte (siehe Tabelle 5.3).
89
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
-50 -40 -30 -20 -10 0
-7x10
-3
-6x10
-3
-5x10
-3
-4x10
-3
-3x10
-3
-2x10
-3
-1x10
-3
0
1x10
-3
4 Monate
3 Monate
2 Monate
1 Monat
Nach derPTFE
Beschichtung
Nach der Pentacen Beschichtung
I
D S
[A ]
V
DS
[V]
Abbildung 5.15: Ausgangskennlinien eines ’interdigital strukturierten’ OFETs bei VGS =−40 V
aufgenommen, vor und nach der Beschichtung mit PTFE, sowie nach 1, 2, 3 und 4 Monaten
Lagerung unter Laborbedingungen
Da der Wafer mit dem gekapselten Transistor zwischenzeitlich lediglich gelagert und nicht weiter
vermessen oder prozessiert wird, kann dieser Effekt nur auf die Einwirkung der vorhandenen
Alterungsmechanismen zurückgeführt werden. Der Einfluss von Wasserdampf kann dabei so gut
wie ausgeschlossen werden, ist doch das PTFE für seine hydrophoben Eigenschaften bekannt.
Das unpolare Sauerstoff-Molekül hingegen könnte trotz der relativ dicken Kapselungsschicht
durch das PTFE hindurch diffundiert sein und die Alterung bewirkt haben. Für diese Annahme
spricht auch die Richtung der Schwellenspannungsverschiebung. Wie in Kapitel 5.2.1 bereits
festgestellt wurde, bewirkt der Einfluss von Sauerstoff in den Pentacen-OFETs eine positive
Schwellenspannungsverschiebung. Wasserdampf hätte dagegen eine negative Verschiebung zur
Folge.
Tabelle 5.3: Degradation der elektrischen Transistorparameter eines OFETs mit PTFE-
Kapselung bei Lagerung über einen Zeitraum von vier Monaten unter Laborbedingungen. Für den
zweiten Monat kann keine Schwellenspannung und damit auch keine Ladungsträgerbeweglichkeit
ermittelt werden
IDS Vth µ
Vor der PTFE-Kapselung −6.8mA 12.3V8.3·10−3cm2/V s
Nach der PTFE-Kapselung −6.2mA 13.2V7.3·10−3cm2/V s
1 Monat −4.7mA 18.2V4.8·10−4cm2/V s
2 Monate −1.9mA − −
3 Monate −1.7mA 18.9V1.7·10−4cm2/V s
4 Monate −1.1mA 23.2V1.0·10−4cm2/V s
90
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
(a) Kontaktpad, z.T. mit
PTFE bedeckt, nach vier
Monaten Alterung
(b) Leiterbahn, z.T. mit PTFE bedeckt, nach vier Monaten
Alterung
Abbildung 5.16: Nach vier Monaten Alterung unter Laborbedingungen zeigen sich auf den frei
liegenden Gold-Kontakten und teilweise auch unter dem PTFE Verfärbungen des Metalls
Neben den hauptsächlich positiven Einflüssen der PTFE-Kapselung auf die Langzeitstabili-
tät der OFETs soll an dieser Stelle auf einen mit der Kapselung zusammenhängenden Ef-
fekt hingewiesen werden. Als Nebenerscheinung der Alterungsuntersuchungen werden auf den
Gold-Kontakten nach vier Monaten Lagerung an Laborluft Verfärbungen an der Oberfläche
des Metalls festgestellt (siehe Abbildung 5.16). Das Auftreten dieses bläulich und an den Rän-
dern auch gelblich-grün erscheinenden Farbumschlags begrenzt sich dabei auf die räumliche
Nähe der Kontaktpads, auf denen die Messnadeln des Spitzenmessplatzes aufgesetzt werden.
Zur Kontaktierung des Transistors wird mit den Nadeln das Teflon der Kapselung vorsichtig
durchstochen, das Metall liegt während der Lagerung an Laborluft von nun an frei.
Die Alterung der Kontakte tritt im Folgenden nicht alleine an den durch das Kontaktloch
freigegebenen Flächen auf, sondern wie aus Abbildung 5.16(b) ersichtlich auch in davon weg-
laufenden Kanälen unter dem PTFE. Da diese Verfärbung des Metalls bei den in Abschnitt 5.1
vorgestellten Alterungsuntersuchungen nicht auftritt, muss davon ausgegangen werden, dass
ein Zusammenhang mit der PTFE-Kapselung besteht. Die beschriebene Verfärbung ist den Be-
obachtungen zu Folge nur im Bereich einer Grenzfläche von PTFE, Gold und Umgebungsluft
anzutreffen. Als Erklärung für den aufgetretenen Farbumschlag scheint die Ausbildung einer
AuF3(Gold-(III)-Fluorid) oder auch AuF5(Gold-(V)-Fluorid) Verbindung möglich. Das zu
dieser Reaktion notwendige Fluor könnte dabei aus der PTFE-Kapselungsschicht stammen. In
saurer Flusssäurelösung, entstanden aus dem PTFE-Film in Verbindung mit Luftfeuchtigkeit,
reagiert das AuF3anschließend zu einem gelb-grünen Komplex [139]. Der festgestellte Far-
bumschlag kann für diese Reaktion sicherlich keinen stichhaltigen Beweis darstellen, weitere
Arbeiten wie beispielsweise eine chemische Analyse sind sicherlich notwendig.
Die Auswirkungen dieses Alterungseffektes auf die elektrischen Transistoreigenschaften kann in
den hier vorgestellten Messungen zunächst nicht abgeschätzt werden. Gezielte Untersuchungen
des Kontaktwiderstands an vergleichbaren Proben sollen Aufschluss über die Tragweite des Ef-
fektes während der Alterung liefern. Vermeiden ließe sich die hier beschriebene Alterung des
Metalls durch direkte Exposition der Kontaktpads in Verbindung mit der PTFE-Kapselung an
Luft, indem die zu vermessenden Bauelemente vor dem Besputtern des Halbleiters gebondet
91
5.3. KAPSELUNGSVERSUCHE
werden. Eine Bedeckung der gesamten Oberfläche des Pentacens auch unterhalb der Bond-
Drähte ist dabei durch den konformen Abscheideprozess des Sputterns gewährleistet; eine Mes-
sung des Transistors auch ohne das Durchstechen des Teflons möglich.
Abschließend kann festgehalten werden, dass trotz der dickeren PTFE-Kapselungsschicht eine
wenn auch deutlich reduzierte Alterung mit Luftsauerstoff stattfindet. Der Einfluss des Was-
serdampfes, der eine erheblich stärkere Alterung der organischen Transistoren zur Folge hätte
und den Effekt des Sauerstoffs bei weitem übertrifft, kann verhindert werden. Die Langzeithalt-
barkeit der OFETs kann somit verlängert werden. Als verbesserungswürdig erscheint weiterhin
der geringe Schutz gegen den Luftsauerstoff, der durch ein dichter vernetzendes Abscheiden
des PTFE durch Polymerisation auf der Pentacen Oberfläche reduziert werden könnte. Die
vergleichsweise großen Schwellenspannungen könnten im gleichen Arbeitsschritt bei der Ab-
scheidung des PTFE durch Beigabe eines Elektrets während des Sputterns angepasst werden.
Durch Anwenden eines elektrischen Feldes von bis zu ±100 Vwährend der Abscheidung des
Elektrets kommt es zur Ausbildung einer permanenten Polarisierung im Elektret. Diese könnte
dann zur permanenten Korrektur der Schwellenspannung genutzt werden.
92
Kapitel 6
Aufbau logischer Schaltungen
6.1 Inverter
Die alleinige Untersuchung einzelner Transistoren ist wenig aussagekräftig in Bezug auf die
Nutzbarkeit der vorgestellten Technik in logischen Schaltungen. Als Beweis für die Verwend-
barkeit hergestellter OFETs in komplexen Schaltungen werden in der Literatur häufig Ergeb-
nisse zu Invertern oder Ringoszillatoren, bestehend aus einer ungeraden Anzahl von Inver-
tern, vorgestellt. Mit Hilfe dieser Basiselemente einfachster logischer Schaltkreise lässt sich die
Technologiefähigkeit der hergestellten Transistoren gut abschätzen, da Inverter in ihrem Auf-
bau Anforderungen in vielfacher Hinsicht an die hergestellten OFETs darstellen. Neben guten
Sperreigenschaften ist auch eine gute Stromtreibfähigkeit gefordert, um die erforderlichen Pegel
sicher zu erreichen. Zusätzlich reagieren Inverter besonders empfindlich auf die Ladungsträ-
gerbeweglichkeit, da ihre Schaltgeschwindigkeit stark davon abhängt. Während mit Invertern
der Verstärkungsfaktor einer Schaltung ermittelt werden kann, wird mit Ringoszillatoren die
Schaltfrequenz untersucht.
Zwei OFETs sind zur Herstellung eines Inverters notwendig (siehe Abbildung 6.1). Das Last-
element dient als Widerstand, der sich in Form eines Transistors meist leichter in Schaltungen
integrieren lässt und wird in Sättigung betrieben. Der Source-Kontakt des Lasttransistors liegt
gemeinsam mit dem Gate-Anschluss auf der Betriebsspannung, so dass der OFET ständig lei-
tend geschaltet ist. Über den Eingangskontakt wird ein Signal auf den Schalttransistor gegeben,
der je nach Signalgröße offen oder geschlossen schaltet und somit den Ausgang des Inverters
auf Masse ziehen kann. Je nach Eingangssignal liegt somit im Idealfall am Ausgangskontakt
entweder die Betriebsspannung oder aber Massepotenzial an.
Ergebnisse zu Untersuchungen an unterschiedlichen organischen Halbleitern auf verschiedenen
Substratmaterialien gibt es in der Literatur in großer Zahl. So werden bereits Pentacen basierte
Inverter auf Papier [140], Kunststoff und Glas realisiert [141]. Die hierbei erreichten Schaltfre-
quenzen liegen jedoch trotz großer Anstrengungen im unteren kHz Bereich, lediglich Verzöge-
rungszeiten von 15 µs pro Inverterstufe können für Pentacen bisher erreicht werden [142]. Ein
vollständig auf Glas präparierter Pentacen-RFID-Tag wurde bereits vorgestellt, erreicht jedoch
nur eine Ringoszillatorfrequenz von 200 Hz [58]. Um die Nachteile eines hohen Querstroms in
alleine auf einem Leitungstyp basierenden Invertern zu vermeiden, werden bereits Experimente
93
6.2. LAYOUT 1
L = 6 3 x 1 0 - 6 m
V I A
B e t r i e b s s p a n n u n g ( V B)
M a s s e
E i n g a n g ( V E)A u s g a n g ( V A)
L a s t -
t r a n s i s t o r , TL
S c h a l t -
t r a n s i s t o r , T S
W = 1 0 0 x 1 0 - 6 m
L = 1 0 x 1 0 - 6 m
VA
VE
VB
TL
TS
G a t e - E l e k t r o d e
G a t e - D i e l e k t r i k u m
D r a i n - u n d
S o u r c e - K o n t a k t e
V I A
W = 2 0 x 1 0 - 6 m
Abbildung 6.1: Aufbau eines Inverters des ersten Layouts
mit komplementären Inverter durchgeführt [143]. Da die Ladungsträgerbeweglichkeit des dort
verwendeten n-Typ Halbleitermaterials jedoch deutlich geringer als in Pentacen ist, können
die Ergebnisse bisher nicht überzeugen. Lediglich mit Polymer-basierten OFETs können bisher
Schaltfrequenzen von über 100 kHz erreicht werden, was in diesem Fall einer Verzögerung von
0.68 µs pro Inverterstufe entspricht [144].
6.2 Layout 1
Zur fotolithografischen Herstellung der in dieser Arbeit vorgestellten einzelnen Transistoren
und Inverter wird zunächst ein Layout mit den spezifischen Anforderungen für organischen
Feldeffekt Transistoren entwickelt. Da zu Beginn der Arbeiten keine Erfahrungswerte über die
im projektierten Aufbau erzielbaren Ladungsträgerbeweglichkeiten und Drain-Source-Ströme
vorliegen, werden Literaturangaben hierfür herangezogen und variiert. D.h. für das Design der
auf der Fotomaske erzeugten Inverterstrukturen werden verschiedene Kombinationen aus un-
terschiedlich dimensionierten Schalt- und Lastelementen verwendet, um sicherzustellen, dass je
nach vorhandener Ladungsträgerbeweglichkeit funktionierende Inverter gemessen werden kön-
nen.
Es wird jedoch schon bei ersten Erprobungen festgestellt, dass die erzielbaren Ladungsträgerbe-
weglichkeiten, wohl auch aufgrund des ungereinigten Halbleitermaterials und dessen Aufwachs-
bedingungen, weit von den angenommenen Werten entfernt liegen. So sind die Lastelemente
meist mit einer zu großen Kanallänge, die Schaltelemente mit zu geringer Kanalweite ausge-
stattet. Dies hat zur Folge, dass im ’high’-Pegel nicht der gesamte Betrag der Betriebsspannung
94
6.2. LAYOUT 1
am Ausgang anliegt, bzw. im ’low’-Pegel diese nicht auf Masse gezogen werden kann.
Abbildung 6.2 zeigt eine Inverterkennlinie einer Schaltung des ersten Layouts. Der ’high’-Pegel,
in der Größe der Betriebsspannung, wird in diesem Beispiel zwar erreicht, der ’low’-Pegel hin-
gegen wird nicht vollständig angefahren. Zusätzlich fällt die Verstärkung mit einem Wert von
0.89 zu gering aus. Für logische Schaltungen oder Ringoszillatoren ist der erhaltene Verstär-
kungsfaktor zu gering. Zum Aufbau des Inverter ist festzuhalten, dass eine Doppelschicht aus
30 nm PECVD-Oxid und 120 nm LTO als Dielektrikum auf Titan-Gate-Elektroden verwendet
wird. Trotz vergleichsweise moderater Temperaturen im LTO-Prozess von 410 −550◦Ckann es
bei nahezu allen für die Gate-Metallisierung in Betracht kommenden Metallen zur Oxidation
kommen, welche im Falle des Titans eine nichtleitende Schicht erzeugen. Deswegen wird zu-
nächst unterhalb von 200◦Ceine dünne PECVD-Schicht auf die Gate-Elektrode abgeschieden,
um das Titan im LTO-Prozess vor der Oxidation zu bewahren.
-20 -15 -10 -5 0
-5x10
-8
-4x10
-8
-3x10
-8
-2x10
-8
-1x10
-8
0
1x10
-8
V
OU T
[V ]
I
D S
[A ]
V
IN
[V]
-12
-10
-8
-6
-4
-2
V
B
=-
10
V
Abbildung 6.2: Kennlinie einer OFET-Inverterschaltung. Das Lastelement ist zu L= 20 µm und
W= 127 µm dimensioniert, das Schaltelement zu L= 10 µm und W= 100 µm. Das Pentacen
wird bei 5.7·10−7mbar, mit einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und 60◦CSubstrattemperatur
bis zu einer Schichtdicke von ca. 60 nm auf einen Silizium-Wafer mit Nickel-Gold Drain-Source-
Kontakten aufgedampft
Die Ursache des ungenügenden Inverterverhaltens ist in nicht unerheblichen Leckströmen be-
gründet, welche die Funktionsweise des Schalttransistors stören. Da zum Zeitpunkt des Mas-
kendesigns wenig Kenntnisse über die notwendigen Drain-Source- und Gate-Source-Spannungen
vorliegen, kann zunächst nicht abgeschätzt werden, welcher Abstand zwischen Leiterbahnen und
Kontaktlöchern einzuhalten ist. So ist das in Abbildung 6.3 mit einem Pfeil gekennzeichneten
Kontaktloch zur Verbindung des auf dem Gate-Oxid liegenden Anschlussflecken mit der me-
tallischen Gate-Elektrode, in Anbetracht der angelegten Gate-Source-Spannung viel zu nah
an die Leiterbahn zum Transistorausgang positioniert. Ein parasitärer, über das Signal der
Eingangsspannung gesteuerter Transistor ist die Folge. Es fließt ein Leckstrom vom Gate des
Schalttransistors zum Ausgang des Inverters, der das Ausgangspotenzial auf einen Wert unter-
halb der Betriebsspannung erniedrigt. Somit ist auch das sichere Erreichen des Massepotenzials
ausgeschlossen.
95
6.3. LAYOUT 2
Abbildung 6.3: Mikroskopaufnahme einer OFET Inverterschaltung im Layout 1. Mit dem Pfeil
gekennzeichnet: Ein parasitärer Transistor bildet sich zwischen den Via-Kontaktierungen des Gates
und dem Inverterausgang aus
6.3 Layout 2
Im vorangegangenen Abschnitt wurden ernsthafte Probleme mit dem ersten Layout aufgedeckt,
wie beispielsweise der parasitäre Transistor durch zu dicht an den Drain- und Source-Kontakten
platzierte Kontaktlöcher durch das Dielektrikum. Außerdem zeigt sich die Ladungsträgerbeweg-
lichkeit, beeinflusst z.B. durch die Wachstumsbedingungen der organischen Schicht, als schwer
kontrollierbare Einflussgröße, welche die genaue Vorhersage der Transistorgeometrie von Last-
und Schaltelement erschwert. Ein neues Layout soll die gewonnenen Erkenntnisse berücksichti-
gen und die Schaltungseigenschaften verbessern.
(a) Inverter, Layout2 (b) Inverter, Layout2
Abbildung 6.4: Mikroskopaufnahme zweier OFET-Inverter im Layout 2. Während für das
Lastelement verschiedene Transistorgeometrien genutzt werden können, ist die Geometrie des
Schaltelements unveränderlich. Der Abstand der Via-Kontaktöffnungen zu den Drain- und Source-
Kontakten ist deutlich vergrößert
Wie aus Abbildung 6.4 ersichtlich, werden dazu in den Invertern nun mehrere Lastelemente mit
einem Schaltelement verknüpft. Die Geometrie der verwendeten Schaltelemente orientiert sich
an den mit Erfolg versprechenden Bauelementen des ersten Layouts; Variationen in der Geome-
trie sollen Schwankungen in der Fertigung ausgleichen. Für die Lastelemente wird eine Reihe
von Transistoren mit konstanter Kanallänge, jedoch unterschiedlicher Kanalweite integriert.
Schwankungen in der Ladungsträgerbeweglichkeit können nun durch die Wahl eines Schalt-
elements mit entsprechender Weite korrigiert werden. Es soll an dieser Stelle betont werden,
dass diese Art der Verschaltung von Last- und Schaltelementen nur für den Forschungsbetrieb
gedacht ist. Sind die genauen Einflussgrößen für die Ladungsträgerbeweglichkeit ermittelt, so
sollen entsprechend dimensionierte Inverter und Ringoszillatoren entwickelt werden.
96
6.3. LAYOUT 2
-20 -10 0 10 20
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
V
OU T
[V ]
V
IN
[V]
V
B
=-
40
V
Abbildung 6.5: VIN −VOUT Kennlinie einer OFET-Inverterschaltung. Das Lastelement ist zu
L= 3 µm und W= 10 µm dimensioniert, das Schaltelement zu L= 1 µm und W= 500 µm.
Das aufgereinigte Pentacen wird bei 9·10−7mbar, mit einer Aufdampfrate von ca. 0.1nm/s und
25◦CSubstrattemperatur bis zu einer Schichtdicke von ca. 30 nm auf einen Silizium-Wafer mit
Sauerstoff-Plasma gereinigten Nickel-Gold Drain-Source-Kontakten aufgedampft
Als zweite maßgebliche Änderung zum ersten Layout sind die deutlich gewachsenen Abstände
zwischen den Drain- und Source-Kontakten und den Oxid-Vias zur Gate-Elektrode zu nennen.
Hauptziel dieser Veränderung ist das sichere Unterbinden parasitärer Transistoren von den
Kontaktlöchern zum Ausgangszweig des Inverters. Aufgrund der starken Zunahme an Gate-
Metallfläche soll aber angemerkt werden, dass die Gate-Kapazität bei einer solchen Vergröße-
rung stark zugenommen hat. Als Folge dessen ist mit einer erhöhten Reaktionszeit der Schal-
tung zu rechnen, die die hier vermessene prinzipielle Funktionsweise der Inverter jedoch nicht
beeinflusst.
Neben rein layoutorientierten Änderungen werden zum Aufbau der Inverter mit dem neuen
Design auch prozesstechnische Anpassungen erprobt. Dabei wird das in Abschnitt 4.1.4 vor-
gestellte Verfahren der Nitridation der Titan-Gate-Elektroden verwendet, wobei diese unter
stetigem Stickstofffluss über zwei Stunden zum leitfähigen Titannitrid umgewandelt werden.
Die Abscheidung des LTO wird dann bei 550◦C, einem Verhältnis der Prozessgasflüsse von
TES : O2von 2 : 1 und einem Prozessdruck von 0.7mbar durchgeführt. Die resultierende Oxid-
dicke liegt bei 155 nm, der Brechungsindex wird mit n= 1.44 gemessen. Abbildung 6.5 zeigt die
Inverterkennlinie einer auf diesem Wege prozessierten Schaltung. Betrieben mit einer Spannung
von VB=−40 Vkann im Bereich zwischen +6 Vund −7VEingangsspannung eine Verstär-
kung von 1 ermittelt werden. Die ’high’- und ’low’-Pegel werden sicher gehalten, entsprechen
jedoch nicht den Zielvorgaben, dem Erreichen von Betriebsspannung bzw. Masse. Die Ursache
hierfür scheint noch immer in der mangelnden Ladungsträgerbeweglichkeit des Halbleiters bzw.
im Sperrverhalten des Schaltelements zu liegen.
Als Ergebnis der Untersuchungen zum Einsatz von OFETs in Inverterschaltungen kann somit
nur die prinzipielle Tauglichkeit des hier vorgestellten Layouts genannt werden. In der Praxis
97
6.3. LAYOUT 2
lässt sich bei einem Verstärkungsfaktor von 1 keine Ringoszillatorschaltung zur Messung der
Schaltfrequenz aufbauen, da hier Schwankungen in der Fertigung, resultierend beispielsweise in
der Ladungsträgerbeweglichkeit, jederzeit zum Unterschreiten dieser kritischen Grenze führen
können. Feinarbeiten im Bereich des organischen Kristalls sowie des Dielektrikums sollten eine
Steigerung der Ladungsträgerbeweglichkeit und damit das sicheren Erreichen größerer Verstär-
kungsfaktoren zur Folge haben. Positiv ist festzuhalten, dass sowohl der ’high’- als auch der
’low’-Pegel sicher gehalten werden. Diese Forderung für den Aufbau logischer Schaltungen wird
somit durch das hier vorgestellte Bauelement erfüllt.
98
Kapitel 7
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Feldeffekt Transistoren auf der Basis des organischen Halblei-
ters Pentacen mit unterschiedlichen Dielektrika und Kontaktmaterialien erfolgreich hergestellt.
Die Fertigung der Transistorstrukturen erfolgte auf Silizium-Wafern durch Planartechnologie
unter Verwendung der Fotolithografie mit einer Auflösung bis zu einer minimalen Strukturgröße
von 1µm. Die neu gewonnenen Erkenntnisse zum organischen Bauelement beruhen auf des-
sen elektrischer Charakterisierung durch Auswertung gemessener Ein- und Ausgangskennlinien
sowie der Oberflächenuntersuchung der abgeschiedenen Schichten und erzeugten Strukturen
mittels Raster-Elektronen- und Rasterkraftmikroskopie.
Systematisch wurde ein Großteil der in der MOS-Technik verwendeten Isolatoren auf die An-
forderungen als mögliches Dielektrikum des organischen Feldeffekt Transistors hin getestet.
Untersucht wurden thermisch gewachsenes Oxid, die LPCVD-Oxide TEOS, LTO und Si3N4,
PECVD-Oxid sowie auch durch reaktives Sputtern erzeugtes Ta2O5. Als besonders geeignet
erweist sich nach Auswertung der Ergebnisse thermisches Siliziumdioxid, bedingt durch seine
glatte Oberfläche und einen geringen Gate-Leckstrom. Für den Einsatz in logischen Schaltele-
menten mit frei steuerbarer Gate-Elektrode wird eine Kombination eines dünnen PECVD-Oxids
mit einer darüberliegenden, etwas dickeren LTO-Schicht vorgeschlagen. Die so gewählte Pro-
zessfolge kombiniert die Vorteile eines Niedrigtemperaturprozesses (PECVD), der die Oxidation
der bereits strukturierten Kontakte vermeidet, mit einem störstellenarmen Oxid, abgeschieden
bei gemäßigter Temperatur.
Zur Reinigung der dielektrischen Oberfläche vor dem Aufdampfen des organischen Halbleiters
wird eine Sauerstoff-Plasma-Behandlung bei geringer Leistung und Prozessdauer empfohlen.
Eine deutliche Steigerung des Transistorsättigungsstroms und des Kristallit-Durchmessers des
Pentacens gegenüber ungereinigten Substraten ist die Folge.
Durch kontinuierliche Kontrolle und Justage der Prozessparameter (Aufdampfrate, Substrat-
Temperatur, Schichtdicke und Prozessdruck) während der Pentacen-Abscheidung wurde eine
hohe Reproduzierbarkeit der elektrischen Transistorparameter bei geringer Standardabweichung
erzielt. Die anzustrebende Schichtdicke für einen elektrisch hochwertigen Pentacen-Film liegt
bei ca. 30 nm. Die Verwendung aufgereinigten Pentacens zeigte einen positiven Einfluss auf
die elektrischen Transistorparameter. Insbesondere eine merkliche Steigerung der on-off-Rate
und eine Reduktion des Ausschaltstroms sind das Resultat. Durch das Fehlen der entsprechen-
den technischen Ausrüstung konnte dieser Effekt jedoch erst zum Ende der Arbeit untersucht
werden.
99
Der Kontaktwiderstand des Transistors hat einen wesentlichen Einfluss auf die elektrischen
Eigenschaften des OFETs und übersteigt den von herkömmlichen MOSFETs um mehrere Grö-
ßenordnungen. Er hängt sowohl von der Wahl des Kontaktmaterials als auch von der Prozessie-
rung durch Lift-off oder nasschemisches Ätzen ab. Wird die Ladungsträgerbeweglichkeit über
die Shockley-Gleichungen ermittelt, so entsteht dabei ein erheblicher Fehler verglichen mit bei-
spielsweise ’time-of-flight’-Messungen. Erstmalig veröffentlichte systematische Untersuchungen
der Skalierbarkeit von Pentacen basierten OFETs zeigten daher eine Abhängigkeit der Ladungs-
trägerbeweglichkeit von der Kanallänge. Prinzipiell wurde im Rahmen dieser Experimente die
Skalierbarkeit der OFETs entsprechend dem Beispiel der MOSFETs gezeigt. Weiterführend als
im Falle der MOSFETs kommt es bei der Reduktion der Transistorkanallänge bei gleich blei-
bendem Kristallitdurchmesser zusätzlich zu einer Reduktion der Anzahl der Korngrenzen und
damit zu einer Steigerung der Ladungsträgerbeweglichkeit.
Eine Modellierung der Transistorkennlinien wurde durchgeführt, um die Übertragbarkeit der
Shockley-Theorie auf das elektrische Verhaltens der OFETs zu überprüfen, da dies zum Zeit-
punkt der Arbeiten umstritten war. Dazu wurden die gemessenen Kennlinien mit theoretischen,
aus den Shockley-Gleichungen ermittelte Kurven verglichen. Prinzipiell zeigte sich dabei eine
deutliche Übereinstimmung von Theorie und Praxis, jedoch deuten Abweichungen im Anlauf-
bereich des Ausgangskennlinienfeldes auf einen überhöhten Kontaktwiderstand hin. Dieser ist
in den Shockley-Gleichungen unterrepräsentiert und wurde durch Einführen eines Vorfaktors
entsprechend berücksichtigt, so dass die Beschreibung des Transistorverhaltens mit Hilfe der
korrigierten Gleichungen gelang.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmalig quantitative Ergebnisse aus systematischen Alte-
rungsuntersuchungen gekapselter und ungekapselter OFETs veröffentlicht. In einem Langzeit-
experiment über einen Zeitraum von neun Monaten wurde der Einfluss der Umgebungsbedin-
gungen auf das ungekapselte organische Bauelement festgehalten. Untersuchungen der einzel-
nen Alterungsmechanismen lieferten neue Hinweise zu den vorliegenden Alterungsmechanismen
und insbesondere zu deren relativer Gewichtung. Die Auswertung der Eingangskennlinien, auf-
genommen in reiner Sauerstoff-Atmosphäre, zeigt eine Schwellenspannungsverschiebung des
Bauelements in positive Richtung, während Wasserdampf eine negative Schwellenspannungs-
verschiebung auslöst. Auf diese Weise wurde der Einfluss der Luftfeuchtigkeit als Hauptalte-
rungsfaktor ungekapselter Pentacen-OFETs ermittelt.
Um die Degradation des organischen Halbleiters aufzuhalten, wurde eine Kapselung des Pen-
tacens mit PTFE durchgeführt. Bei Verwendung einer genügend dicken und hochvernetzten
Schicht wurde eine Reduktion der Degradationsrate festgestellt. Eine dennoch auftretende Ver-
schiebung der Transistorschwellenspannung in positiver Richtung deutet lediglich auf eine un-
vollständige Kapselung gegenüber Sauerstoff hin; die Wirkung des Wasserdampfes auf den or-
ganischen Halbleiter hätte diesen Effekt ansonsten in entgegengesetzter Richtung übertroffen.
Speziell für die Anforderungen der Teflon-Kapselung angefertigte OFETs mit großer Kanalweite
lieferten im Rahmen dieser Experimente erstmalig sehr große Ströme im zweistelligen Milliam-
perebereich und sind somit zur Ansteuerung von z.B. Leuchtdioden oder Aktoren geeignet.
100
7.1. AUSBLICK
7.1 Ausblick
Wie bereits im einleitenden Kapitel dieser Dissertation erwähnt, stellt das geplante Haupt-
anwendungsgebiet der organischen Bauelemente eine ’low-cost’-Elektronik auf möglicherweise
flexiblen und kostengünstigen Substraten dar. Die in dieser Arbeit gefertigten und vermessenen
Transistoren beruhen jedoch auf der Basis von Silizium-Wafern, welche zu Beginn der experi-
mentellen Phase die einzige Möglichkeit zur Fertigung von OFETs mit nur wenigen Mikrometern
Abmessungen bieten. Eine Übertragung der OFET Technologie auf flexible Kunststoffsubstrate
ist daher geboten und bereits Teil einer weiteren Dissertation am Fachgebiet. Durch Skalierung
der gefertigten Transistoren könnte eine Steigerung des Stroms erzielt werden, wobei dies aus
heutiger Sicht schwierig erscheint. Die heute verwendeten Prozesse zur Fertigung von Folientran-
sistoren erlauben lediglich Strukturgrößen von mehreren Mikrometern. Interdigital strukturierte
OFETs könnten daher zunächst als Treiberelemente für z.B. OLEDs mit hohem Strombedarf
eingesetzt werden, bis entsprechende Technologien zur Miniaturisierung der Folientransistoren
entwickelt sind.
Ziel weiterer Arbeiten muss es ebenfalls sein, die Ladungsträgerbeweglichkeit weiter zu erhöhen,
da diese einen störungsfreien Betrieb logischer Schaltungen zur Zeit noch nicht gewährleisten
kann. Teil dieser Bestrebungen sollte es zudem sein, den Kontaktwiderstand zu minimieren, da
dieser maßgeblich die von außen messbare Ladungsträgerbeweglichkeit des Bauelements beein-
flusst. Ist der Kontaktwiderstand entschieden gesenkt, so sollte mit einer erneuten Modellierung
der Transistorkennlinien die Übereinstimmung mit der Shockley-Theorie geprüft werden.
Wird eine Kapselung des Pentacens durch Abscheiden einer PTFE-Schicht auf den organischen
Halbleiter des OFETs durchgeführt, so sollte geprüft werden, ob hochvernetzte Teflon-Filme
weitere Vorteile im Schutz vor den Alterungsmechanismen bieten. Theoretischen Überlegungen
zufolge bieten diese eine dichtere Polymer-Struktur, welche neben dem Eindringen von Wasser-
molekülen auch den Kontakt von Sauerstoff mit dem Pentacen verhindern kann. Um die aus
dem Kapselungsschritt resultierenden hohen Schwellenspannungen zu kompensieren, ist es mög-
lich, beim Sputtern des Teflons dem Prozess ein Elektret hinzuzufügen. Dieses kann durch ein
elektrisches Feld während des Sputterns elektrisch aufgeladen werden und dient anschließend
zur Korrektur des Schwellenspannungswertes.
101
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112
Anhang A
A.1 Reinigung A
Reinigung bei organischen Verschmutzungen
- entfernt organische Rückstände - Fotolacke - verschiedene Metalle - Salze
Prozessschrittfolge:
•NCW 1001 im Ultraschallbecken, 10’
•Spülen in vollentsaltzem (VE) Wasser, 1’+1’+3’
•H2O2−H2SO4-Ätzlösung, 10’, 80◦C
•Spülen in VE-Wasser, 1’+1’+3’+... Widerstand >4MΩ
•Spülen und Trockenschleudern
A.2 Reinigung C
Reinigung bei metallbeschichteten Oberflächen
- entfernt Partikel - Fotolacke
Prozessschrittfolge:
•O2- Plasma-Reinigung, 2’
•In Aceton reinigen, 2’
•Spülen in VE-Wasser, 1’
•NCW 1001 im Ultraschallbecken, 10’
•Spülen in VE-Wasser, 1’+1’+3’
•Isopropanol, 5’
•Spülen in VE-Wasser, 1’
•Spülen und Trockenschleudern
A
Danksagung
Abschließend möchte ich mich bei allen Personen bedanken, ohne deren Unterstützung die
Durchführung dieser Arbeit in dieser Form nicht zustandegekommen wäre. Mein Dank gilt
daher:
•Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann, Leiter des Fachgebiets Sensorik, für die Bereitstellung
dieses interessanten Forschungsthemas. Er stellte mir die Infrastruktur für die Durchfüh-
rung der Experimente zur Verfügung, schaffte große Freiräume zu deren Bearbeitung und
war stets zu fruchtbaren Diskussionen bereit.
•Prof. Dr. Veit Wagner, Internationale Universität Bremen, für die Übernahme der Zweit-
gutachteraufgabe.
•Meinen Kollegen Dipl.-Ing. Thomas Diekmann, Dipl.-Ing. Martin Dierkes, Dipl.-Ing. To-
bias Balkenhol, Dipl.-Ing. Andreas Belgardt, Dipl.-Ing. Peter Scholz, Dipl.-Ing. Karsten
Wolff und Dr.-Ing. Ralf Otterbach für zahlreiche Diskussionen, tatkräftige Unterstützung
und das angenehme Arbeitsklima.
•Den Studienarbeitern und Diplomanden des Fachgebiets Sensorik, speziell Dipl.-Ing. Toni
Koblenz für seine Arbeiten am LTO-Prozess.
•Dipl.-Ing. Heinz Funke, Werner Büttner, Dipl.-Ing. Jochen Menzel, den Auszubildenden
und den studentischen Hilfskräften für die technische und logistische Unterstützung.
•Den Mitgliedern des DFG-Schwerpunktes für die intensive Zusammenarbeit, insbesondere:
•Dr. Rainer Adelung und MSc Michael Scharnberg von der Universität Kiel,
•Dipl.-Chem. Michael Voigt von der Universität Bonn,
•Dr. Reinhard Scholz und Beynor Antonio Paez Sierra von der Universität Chemnitz,
•Dr. Jens Pflaum von der Universität Stuttgart,
•Prof. Dr. Christof Wöll und Dr. Gregor Witte von der Universität Bochum.
•Dipl.-Chem. Markus Lauhof, Dr. Stefan Benning und Dr. Thomas Haßheider, Physi-
kalische Chemie - Universität Paderborn, für die Hilfe bei der Herstellung der ersten
organischen Schichten, sowie für die zahlreichen Diskussionen.
•Dr. Olaf Hild, IPMS Fraunhofer Dresden, für die Bereitstellung des aufgereinigten Pen-
tacens.
•Der DFG für die Förderung im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1121.
•Und nicht zuletzt meiner Familie und meiner Freundin für die moralische Unterstützung
in den vergangenen Jahren.
B
Index
Abmessung, geometrische, 66
AFM, 39, 42
Alterung, 72
durch Sauerstoff, 75
durch Wasserdampf, 82
Ammoniak, 45
Argon-Silan, 49
Aufdampfbedingungen, 53
Austrittsarbeit, 28, 58
Auswertung
statistische, 56
Betriebsspannung, 94
Bias, 83
Bond-Verbindung, 75
Brechungsindex, 45, 48, 49
Chemical Vapour Deposition, 43
Low Pressure, 47
Low Pressure-, 45
Plasma Enhanced, 26, 49, 53, 95
dangling-bond, 84
Degradation, 74
Degradationsmechanismus, 72
Dielektrikum, 38, 39
Doppelbindung
delokalisierte, 7
konjugierte, 6
Drain-Kontakt, 4
Dreizonensublimation, 57
effektive Kanallänge, 64
Elektronenstrahlverdampfung, 29, 58
Ellipsometrie, 45
Feldeffekt Transistor, organischer, 4
Feldoxid, 25
Flusssäure, 25
Gate-Elektrode, 4
isolierte, 5, 38, 47
Haftvermittler, 32, 41, 60, 62
Hexamethyldisilazan, 32
high-Pegel, 94, 97
HOMO, 7, 9, 58
Hopping-Transport, 9
Hückel-Theorie, 7
Inselbildung, 16
Interdigital-Strukturen, 88
Inverter, 93
-kennlinie, 95
Kanal
-länge, 66
-weite, 66
-widerstand, 63, 66
Kapselung, 85
Konformität, 49, 63
Kontakt
-loch, 95, 97
-metall, 27, 58, 59
-widerstand, 59, 63, 66, 69, 75
Korngrenzen, 12, 13, 16, 19, 42, 66, 78
Kristallite
organische, 11, 40, 42, 66
Ladungstransport, 60
Ladungsträger
-beweglichkeit, 4, 11, 42, 55, 57, 63, 66, 69,
77, 83, 93, 96
-injektion, 28, 58
Lasttransistor, 93
Layout, 94
Leckstrom, 29, 48, 51
Leuchtdiode, organische, 3
Lift-off, 62
low-Pegel, 95, 97
Low-Temperature-Oxide, 26, 47, 53, 95, 97
LPCVD, 26
Luftfeuchtigkeit, 74
Luftsauerstoff, 74
C
INDEX
LUMO, 7, 9
Metallisierung, 27
Modellierung, 69
n-Typ Halbleiter, 8
Nickel-Haftschicht, 42
Octadecyltrichlorsilan, 4, 32
on-off-Rate, 57
Oxidation
feuchte, 25, 39
trockene, 25, 39
p-leitender Halbleiter, 9, 15
Parameter-Analyser, 37
Pentacen, 15
-Chinon, 18, 77
-Precursor, 31
-Schichtdicke, 54
Planartechnologie, 22
Platine, 75
Polytetrafluorethylen, 86
Prozessdruck, 54
Prozessschritte, 33
PTFE, 86
Rasterelektronenmikroskop, 60
Rasterkraftmikroskop, 13, 39, 42
Reinheit, 57
RFID-Tag, 1, 93
Ringoszillator, 93
Rolle-zu-Rolle Produktion, 18
Sauerstoff, 46, 49, 51, 57
Sauerstoff-Plasma, 32, 40, 41, 88
Schalt
-frequenz, 67
-geschwindigkeit, 65, 93
-transistor, 93
Schwellenspannung, 13, 15, 39, 41, 42, 56, 77,
78, 82, 89
Shockley-Gleichungen, 10, 66, 69
Silizid, 47
Silizium
-Wafer, 24
-nitrid, 26, 45, 47
Skalierbarkeit, 65
Solarzelle, organische, 2
Source-Kontakt, 4
Sperreigenschaften, 93
Spin-Coating, 18, 30
Spitzenmessplatz, 37
Sputtern, 27
Stressmessungen, 75, 82
Stromtreibfähigkeit, 93
Stöchiometrie, 51
Störstellen, 44
-dichte, 49
Subschwellenspannungstromanstieg, 14, 40, 52
Substrattemperatur, 16, 54
Symmetrie, 15
Taktfrequenzen, 1
Tantal, 51
Tantalpentoxid, 4, 27, 51, 53
Teflon, 86
Temperaturspannung, 69, 70
Temperung, 49, 83
TEOS, 26, 43
Titannitrid, 47, 97
Triethylsilan, 45, 47
Ultraschallbondverfahren, 75
Verdampfen, thermisches, 15, 31
Verdampfungsgeschwindigkeit, 53
Verhältnis, stöchiometrisches, 51
Verstärkungsfaktor, 93, 98
D
