Organische Feldeffekttransistoren

Warum „Plastik-Elektronik“?Funktionsweise des anorganischen Transistors

Organische Transistoren, BesonderheitenElektronik mit organischen Komponenten, Plastik-Chips

Herstellung von organischen TransistorenAnwendungen

Angewandte Physik SS04

BTU Cottbus Angewandte Physik - Sensorik

Art der Dotierung von Polymeren und Anwendungen

Organische Transistoren, Besonderheiten

S D

Substrat

HL

Isolation

Gate

S D

Substrat (=Gate)

HL

Isolation

„Top-Gate“ „Bottom-Gate“

Zumindest das Halbleitermaterial ist organisch:

z.B. Poly(3-Hexylthiophen), Polyfluorene, Phthalocyanine

für die Charakterisierung der organischen Halbleiter oft verwendet: Bottom-Gate“ Aufbau mit Si/SiO2 als Substrat/Isolation mit Goldelektroden

Ziel ist aber:Vollorganisches System

Transistoraufbau

Besonderheiten organischer Transistoren

•bisher keine Inversion beobachtet (Erzeugung eines n-Kanals in p-Halbleiter oder umgekehrt)•Schaltbetrieb im Anreicherungsmodus•Ohne Gatespannung (VGS) fließt im Idealfall kein Strom im organischen Halbleiter (HL undotiert).•Gatespannung erzeugt Ladungsträger im Kanal, also:•„Akkumulation“ von Ladungsträgern•Höhe des Stroms abhängig von:

•Gatespannung•Ladungsträgerbeweglichkeit (Vergleich: Si: 500cm2/Vs -Pentacen-Moleküle 2cm2/Vs, Polymere10-4-0,1cm2/Vs)

•p-leitendende Polymere sind stabiler und haben höhere Beweglichkeiten als n-Leiter•organische Transistoren meistens vom p-Typ•Ladungstransport bei organischen HL noch nicht eindeutig geklärt. Ladungsträger (Löcher) bewegen sich auf den Molekülen und müssen von Molekül zu Molekül tunneln.•Ladungsträgerbeweglichkeit geringer, auch abhängig von Anordnung der Moleküle

UGS

S D

Substrat

HL

Isolation

Gate

UDS

Stromkanal, durchFeldeffekt erzeugt

Schematischer Querschnitt durch einen organischen Transistor.Typische Schichtdicken:•Substrat z.B. Polyester): 100µm•Elektroden: 40nm•Halbleiter: 30-100nm•Isolator: 300-1000nm

keine Inversion, nur

Stärke des Kanalstroms:

ISD = µUDS/l2(QK0-CGK(UGS-UDS/2))

µ in der Sättigung:IS

D = µCGK (UGS - QK0/CGK)2/2l2

Schaltgeschwindigkeit f des Transistors:

abhängig von:•Ladungsträgerbeweglichkeit µ•Kanallänge l

f = µUDS/l2

Physik Journal 2 (2003), Nr.2,

Wichtige Kenndaten

On/Off-Verhältnis:

Bei organischen Transistoren:abhängig vom Off“-Strom

d.H. Strom ohne Gatespannung

SteilheitÄnderung des Kanalstroms pro

Gatespannugnseinheit:

∂IDS/∂UG = -(µCiW/L)VDS

Stärke des Kanalstroms:

ISD = µUDS/l2(QK0-CGK(UGS-UDS/2))

in der Sättigung:

ISD = µCGK (UGS - QK0/CGK)2/2l2

Sättigung:

Sättigungsspannung US = UGS- QK0/CGK

Materialien

Physik Journal 2 (2003), Nr.2,

Materialien für „All-organic“-Feldeffekttransistoren

Name Chemisch Eigenschaften Verwendungim FET

PEDOTPoly(3,4-Ethylen-Dioxy-thiophen),dotiert mit PSS:Polystyrolsulfonat

• Kann aus wässrigerLösung abgeschiedenwerden

• Ist quasimetallisch

• AlsGateelektrode

• Source-drain-Elektroden

Polypyrrol, dotiertmit p-Tuluolsulfonsäure(POPY-TOS)

• Quasimetallisch• Polymerisierung

elektrochemisch

• AlsGateelektrode

• PMMA• P4VP Poly(4-

Vinylphenol)• Polyimide

• hoheDurchschlagsfestigkeit

• Gateisolator

Halbleitermaterialien für die „aktive Schicht“

warum „Plastik-Elektronik“?

Konventionelle Mikroelektronik beruht auf Einkristallen (Si, GaAs)•Herstellungsverfahren relativ aufwendig•z.B. Einkristallzüchtung, lithographische Prozesstechnik

Organische Mikroelektronik beruht auf halbleitenden Polymeren•Herstellungsverfahren preisgünstig•flüssig verarbeitbar (aus Lösungsmitteln)•Schaltkreise durch Drucktechniken herstellbar•aber: Ladungsträgerbeweglichkeiten in Polymeren langsamer, geringere Schaltgeschwindigeit•Lebensdauer ist ein Problem

Perspektiven der Plastikelektronik: in Bereichen, welche nicht vonSi-Elektronik abgedeckt werden:

•„low cost- low performance“ :• z.B. flexible smart cards, Aktivmatrixdisplays, •Anwendungen mit geringer Speicherdichte: Elektronische Wasserzeichen, Barcodes•für Einmalanwendungen: Biotechnologie, Sensorik

Elektronik mit organischen Komponenten, Plastik-Chips

Voraussetzungen für die Anwendung der Transistoren in integrierten Schaltungen: •Eingangssignal muß verstärkt werden (mindestens Faktor 2)•mit Ausgangssignal muß weiterer Inverter betrieben werden können•unipolare und möglichst geringe Versorgungsspannung•für low cost Anwendungen darf die Schaltung weder positive noch negative Versorgungsspannungen benötigen•Off-Strom (Gatespannung gleich 0) soll sehr gering sein (< 1nA/10Volt)•Prozesstechnik für die Herstellung von „Vias“ , Verbindungen S-D-Ebene zur Gateebene

Einfachste „integrierte“Schaltung:

Inverter: aus niedriger Eingangs-spannung (Logisch 0)wird hohe Ausgangs-spannung (Logisch 1)oder umgekehrt

Ringoszillatoren aus organischem Material

Substrat: PolyesterfolieHalbleiter: PolyalkylthiophenS/D Elektroden und Gate : Gold, gesputtert, lithographisch strukturiert

aus: W. Clemens, W. Fix Physik Journal 2 (2003), Nr.2,

Herstellungsverfahren

Polymere Elektronik Silizium-Elektronik

• Drucken• Spin-Coating• Belichten bzw. Drucken• Tempern < 200 °C• Spin-Coating• Drucken

Entwicklungsdauer für neue Generation: etwa 1 Woche„Rapid Prototyping“ -Siemens

• Ätzen, Implantation• Epitaxie• Photolithographie• Tempern bis zu 1150 °C• Oxidation• Metallisierung

Entwicklungsdauer für neue Generation: mindestens 2 Monate

Drucktechniken

Siebdruck+ schnell+ große Flächen+ Ebenenjustierung möglich- Dickschichttechnologie (einige 100 nm)

Tintenstrahldruck+ leicht anwendbar- Ebenenjustierung schwierig Vorteilhaft für polymere LEDs

Plotten+ leicht anwendbar+ große Flächen möglich+ Ebenenjustierung möglich

Ziel: Schaltkreise gedruckt wie eine Zeichnung

Anwendungen als :

• billige Datenspeicher mit geringen Sicherheitsanforderungen• dünne biegsame Schaltkreise• Einwegelektronik (z.B. in Medizin)• Massenprodukte mit niedriger Leistungsfähigkeit• Integration von Elektronik und Displays auf Folie• Gassensorsysteme auf Polypyrrolbasis

Organische Transistoren in Billigsttechnologie

Graphit ~0,5µm

Polystyrol-Substrat

P3HT

Isolation: PMMA, Novolack ~ 1µm

PEDOT 5 µm

Graphit ~0,5µm

Substrat, flexible Polystyrol-Folie

500 µm

Kapillare

Graphit-Leiterbahn

kolloidaler Graphit

Richtung der Plotterbewegung

Carbon

Carbon

Channel

10 µµµµm

x1000

Low-cost-Präparation: Graphit-Elektroden mit Plot-

Verfahren

erlaubt Auflösung von 20+ 10µm(für einfache S/D-Strukturen)Leitfähigkeit Graphit ~ 10S/cm

Transistoraufbau

COTTBUS A n g e w a n d t e P h y s i k - S e n s o r i kBTU

Graphit oder Leitruß?

Graphit

Kanal: 50µm

Ruß

Kanal: 50µm

Carbon

Carbon

Channel

10 µµµµm

x1000

• Körnung Graphit: 90% < 1µm• Körnung Leitruss: 20 nm

(Durchschnitt)

• Glattere Oberfläche• definiertere Grenze Kanal-

Elektrode

REMREM

COTTBUS A n g e w a n d t e P h y s i k - S e n s o r i kBTU

Graphit[10 S/cm]

LeitrußDegussa

[1 S/cm]

0 10 20 30 40 500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

Str

om

[µ

A]

Spannung [V]

0V - 10V - 20V - 30V - 40V

Feldeffekttransistoren, elektronische Charakteristik (für Graphit)

P3HTSubstrat

S DPMMAPEDOT

0 10 20 30 40 500

100

200

300

400

500

600

700

800

8 12 16 20 24 28 32 36 40

8

12

16

20

24

Wu

rze

l (Is

d b

ei V

sd=

Vg

ate)

Vsd=Vgate

-40 V

-30 V

-20 V

-10 V

Str

om [-

nA

]

Drain-Source-Spannung [-V]

Kennlinienfeld entspricht der Feldeffektcharakteristik gemäß

Isd = (µ/l2)Uds(Q-C(Ugate-Uds/2))

aber:Hoher Nullstrom (Ugate=0 V)

um Nullstrom korrigierte Kennlinien

Korrektur um Nullstrom:Horowitz et.al, J.Appl.Phys. 67 (1990), 528

Ausgangskennlinien

Übertragungskennlinien, I1/2 bei Uds=Ugate

Probe A Probe A

0 10 20 30 400.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

Wu

rze

l

[I

SD

be

i

V

SD=

VG

ate]

VSD

=VGate

Probe A Probe B Probe C

Andere Ansätze für All-Organic-FETsz.B. Kowalsky et al. Mat.Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 796, 2003

Mikrostrukturierung von OFETs durch selektive Elektropolymerisation von PEDOT/PSS

Querschnitt der vorstrukturierten Anode Aufbau der FET-Struktur

PEDOT und PSS (5:1 mol) in Acetonitril: Wasser-Lösung 1:1

Anode+

Kathode(Platin)

3 Volt

Präparation:•Strukturierung der Anode durch lithographischen Prozeß•Elektropolymerisation von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) PEDOT mit Poly(styren sulfonat) PSS als Dotant•Beschichtung mit Polyimid-Film•Film wird von Anode abgenommen•Anode kann wiederverwendet werden•Beschichtung mit Pentacen als Halbleiter durch Bedampfen•Polyvinyl-Alokohol und ammonium- dichromat als Gateisolation•PEDOT als Gate

Kennlinien

Ausgangskennlinie Übertragungskennlinie

Kennlinien für die im Elektropolymerisationsverfahren hergestellten Transisoren:Filmdicke der jeweiligen „Schichten“:Substrat aus Polyimid: 2µm; Halbleiter aus Pentacen: 25nm; PV-OH als Dielektrikum: 0,6mm; PEDOT/PSS Gate: 0,2µm

Anwendungen

Polymere Elektronik: komplementär zur Siliziumtechnologie

ihre Vorteile:•niedrige Kosten (Einwegelektronik)•Substrate sind flexibel (kann auf Plastikfolie integriert werden)•kurze Entwicklungszeiten (Design am Computer-gedruckt wie Zeitung)

zum Beispiel:•Billige Datenspeicher mit geringen Sicherheitsanforderungen•Dünne biegsame Schaltkreise•Einwegelektronik•Massenprodukte mit geringer Leistungsfähigkeit•Integration von Elektronik von Displays auf Folie•Integration von Schaltkreis und Packaging-Technologie

• Ersatz des Barcodes, Elektronische Diebstahlssicherungssysteme, „intelligente Verpackung“, tragbare Elektronik („wearable electronics“) in Kleidung, Anwendungen in der Logistik, Elektronisches Ticket Speicherung eines einfachen Codes mit Funketiketten: ohne eigene Energieversorgung (Passiv), Speicherung von Information und Auslesevorgang möglich.

• Integrierte Steuerung von Sensoren und Aktoren Medizinische Einwegprodukte mit umweltfreundlicher Entsorgung

• Sensorsysteme Gasssensoren auf Polyprrolbasis

Systemanwendungen für Low-Cost Polymerschaltkreise

Sensoren auf der Basis von FeldeffekttransistorenChemisch sensitive Feldeffekttransistoren

(ChemOFET)Transistorlayout:• Top-Gate

• Verstärkung: nA- µA• Mehrere Wechselwirkungsmechanismen separierbar

in der Sättigung:IS

D = WCox µ(VGS - VT)2/2L

Änderung in Cox , µ, VT möglichVT ∞ VFB = φ - Qss/Cox - Qox/Cox

φ : Austrittsarbeitsdifferenz Gate und Bulkhalbleiter Qss : Oberflächenladungen des Halbleiters Qox : Ladungen im Isolator

mehrere Arbeitspunkte - verschiedene Wechsel-wirkungsmechanismen:

Auswertung mit neuronalenNetzen möglich

S/D - Spannung U D

Id

UG= const

Arbeitspunkte V D

S/D-Spannung U d

Id

UG=0

UG=0

Verstärkung nA-uA

Stärke des SensorsignalsAnlagerung von n Molekülen (pro Flächeneinheit) mit dem Dipolmoment pan der Grenzfläche Gatemetall/Gateisolator

bewirktVeränderung der Threshold-Spannung VT = VT0 - ∆V um

∆∆∆∆V= np/εεεεo in Volt (nach Göpel et. al. 1993)(εo Dieelektrizitätskonstante)

durch Veränderung der effektiven Austrittsarbeit (des Gatemetalls an der GrenzeMetall/Isolator)

für NO2 ergeben sich die folgenden Werte: n= (0,5 nm)-2; p = 0,316 Debye

damit ∆∆∆∆V=400mV (entspricht vollständiger Belegung!)Bei Messgenauigkeit von ∆∆∆∆V=10mV liegt Messgenauigkeit im ppm-Bereich

0 20 40 60 80 1000

10

20

30

40

50

60

QMB mit Polypyrrol-Elektroden

50 sccm N2, 25 °C

Messwerte

angepasst mit

∆f = 70 * 0.025*ppm

(1+0.025*ppm)

Fre

qu

en

zve

rsch

ieb

un

g [

Hz]

Konzentration NO2 in N2 [ppm]

NO2 ergibt Frequenzverschiebung vonSchwingquarzen mit Polypyrroltosylatelektrodenbei verschiedenen NO2-Gehalten.

Gestrichelt: Fit mit Langmuir-IsothermeΘ=Kx/(1+Kx) (Gleichgewichtskonstante K derAdsorption: 2,5x104, daraus –dGads= 25 kJ/mol)

Henkel et al., Cottbus 2000

MolekularbiologischerMolekularbiologischer Ansatz Ansatz

Anlagerung von Mikroorganismus (Modellsystem Helicobacter Pylori)

auf der Gateoberfläche

mit Hilfe von„Gensonden“

zu Zielstruktur--Sonden-Komplexen

• Änderung des Dipolmoments• Verschiebung der Transistor- kennlinie

Kategorien von Gensonden:

1. Immonologische Sonden: Antikörperan Zellwandstrukturen des Mikroorganismus

2. Genetische Sonden: DNA-Stränge, diekomplementär zu bestimmten DNA-Se-quenzen des Mikroorganismus sind

Nachweis des Zielstruktur-Sonden- Komplexes

durch Transistor

Vorteile beim Einsatz organischer Vorteile beim Einsatz organischer Feldeffekktransistoren Feldeffekktransistoren in der in der BiosensorikBiosensorik

•Elektronische Verstärkung des Messsignals (Faktor 1000) im Transistor

•die Messung könnte direkt, also „online“ erfolgen

•die Komponenten eines organischen Transistors sind billiger als Einkristalle

•die chemischen und elektronischen Eigenschaften lassen sich durch Funktion- alisierung gezielt einstellen

Zusammenfassung der sich aus dem Stand der Forschung ergebenden Schwerpunkte

Anwendungen• Simulation des elektrischen Verhaltens• Simulation von System- anwendungenPhotolithographie

Bauelement und Technologie• Mehrebenenstrukturierung („Vias“)• Dotierung (komplementär p-n)• Flexible Substrate• Low-Cost• Integration von Leitbahnen, Widerständen und passiven Elementen

Physikalische Grundlagen• Mechanismus des Feld- effektes• Ladungstransport• Austrittsarbeit• Rekombination/Generation

Material• Neue Materialien• Blends• Wechselwirkung• Grenzflächen• Charakterisierung

Polymerchemiker

Physiker

Schaltkreis- technologen

Zusammenfassung/Ausblick

•Organische Transistoren arbeiten im Anreicherungsmodus•bisher keine Inversion•Organische Halbleiter sowohl p- als auch n- leitend•Mikroelektronik ist möglich

•Einsatzgebiete dort, wo sie Si-Elektronik ersetzt:

• Low cost-low performance- BereichAnwendungen mit geringer Speicherdichtebzw. kurzen Einsatzzeiten wie:elektronische Wasserzeichen, Transponder oder Barcodes

•Mit Perspektiven in der Biosensorik•Medizintechnik