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
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