OFET – THEORETISCHE GRUNDLAGEN

Transistoren stellen die wichtigsten Bauelemente für die Halbleiterelektronik dar. Man unterscheidet prinzipiell zwischen zwei verschiedenen Transistorarten, den Bipolaren und den Unipolaren, auch Feldeffekttransistoren genannt. Wie der Name schon sagt arbeiten erstere auf Grundlage von zwei Polaritäten (Elektronen und  Löcher) und letztere nur mit jeweils einer Ladungsträgerart. [8] Im Folgenden soll dabei näher auf den Feldeffekttransistor (FET) und im speziellen den OFET eingegangen werden. Anzumerken sei, dass der Aufbau und die Funktionsweise adäquat zum anorganischen Gegenstück dem MOS-FET[1] sind. Den grundlegende Unterschied zur bisher verwendeten anorganischen Halbleiterelektronik stellen die Polymere dar. Durch deren Eigenschaften können diese sowohl als Isolatoren, Halbleiter und Leiter eingesetzt werden. Die Merkmale der Polymere hängen von ihrer Molekülstruktur ab, bereits bei der Synthese (Herstellung) wird auf die späteren Eigenschaften, wie Elastizität, Sprödheit, Löslichkeit, mechanische oder chemische Beständigkeit, sowie elektrische Leitfähigkeit Einfluss genommen. [4] Die Leitfähigkeit des Stoffes wird durch das Einbringen von Fremdatomen gesteuert, diesen Vorgang nennt man Dotieren. Dabei gibt es verschiedene Verfahren, man unterscheidet zwischen chemischer, elektrochemischer oder Photo-Dotierung, sowie der Ladungsträgerinjektion an Grenzflächen.

Ein OFET besteht prinzipiell aus sechs Elementen, die in Abbildung 1, einer Top-Gate Architektur[2], dargestellt sind.

 

Abbildung 1: Top-Gate Struktur eines OFET’s

Die Grundlage eines jeden Transistors stellt das Substrat, der Träger der Funktionsstruktur dar. Die Wahl des Materials ist dabei vom Verwendungszweck abhängig, neben den Eingangs erwähnten flexiblen Trägermaterialien ist auch das Aufbringen auf eine Glasoberfläche, beispielsweise für Displays (OLED’s)[3], möglich. [9] Da für die vorliegende Forschungsarbeit die Herstellung mittels verschiedener Druckverfahren[4] betrachtet werden soll steht die Verwendung einer flexiblen Folie im Vordergrund. Diese muss zum einen funktionsbedingte Anforderungen, wie Haftung, chemische Beständigkeit oder Temperaturbeständigkeit erfüllen und zum anderen Fertigungsbedingte, wie Verfügbarkeit[5], mechanische Eigenschaften oder ebenfalls chemische Beständigkeit. [4] Materialien dafür sind beispielsweise PVC- und PET- (Polyethylenterephthalat) Folien, wobei die Letzteren bei dieser Arbeit zur Anwendung kamen.

Die nächsten beiden Elemente sind die Source (S) und Drain (D) Kontakte. Der Abstand zwischen diesen beiden Anschlüssen ist mit entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Transistors und sollte von daher im Mikrometerbereich oder kleiner liegen. [2] Zwischen diesen beiden Elektroden bildet sich später beim OFET der leitfähige Kanal, welcher die Grundfunktion des Transistors darstellt. Als Material verwendet man gut leitfähige Polymere, wie beispielsweise  Polyethylendioxythiophen  (PEDOT) oder Polyanilin.

Die Halbleiterschicht des OFET’s ist das Kernstück der Struktur. In der Grenzfläche zum Isolator findet der Ladungsträgertransport und damit der Stromfluss statt. Dessen chemische Zusammensetzung entscheidet unter anderen über die Ladungsträgerbeweglichkeit µ (Mobilität) des Transistors und ist damit ein Hauptkennwert für Halbleiterelektronik. Derzeitige Mobilitätsgrößen von OFET’s werden mit maximal 2,7 cm²/Vs unter Verwendung von einkristallinem Pentacen angegeben. [5] Zum Vergleich besitzen anorganische Halbleiter wie einkristallines Silizium Ladungsträgerbeweglichkeiten von über 1000 cm²/Vs. [4] Als Halbleitermaterial für OFET’s verwendet man beispielsweise Poly(3-hexylthiophen) (P3HT, PT6), Polyarylamine (PTAA, PTPA) oder F8T2.

Die Isolatorschicht dient der Abgrenzung des Halbleiterkanals zwischen Source und Drain gegenüber der Steuerelektrode, dem Gate (G). Anforderungen an die Isolatorschicht sind unter anderen ein hoher Volumenwiderstand, gute Filmbildungseigenschaften für das Druckverfahren und die Erzeugung von dichten elektrischen Schichten bei geringer Schichtdicke. [4] Als polymeres Material verwendet man beispielsweise Polymethylmethacrytal (PMMA) oder Polyvinylphenol (PVP). Aktuelle Studien belegen, dass das Aufbringen einer zweiten Isolatorschicht, also einer high k[6] und einer low k Schicht, die elektrischen Eigenschaften des Transistors verbessern. [11, 12] Dabei sind die Anforderungen an die high k Schicht eine hohe Kapazität (C) zu gewährleisten und für den low k Isolator die Ladungsträgerbeweglichkeit (µ) zu erhöhen. In Abbildung 2 ist eine Top-Gate Struktur mit 2 Isolatorschichten dargestellt.

 

Abbildung 2: Darstellung einer Top-Gate Architektur mit low k und high k Isolatorschicht.

Als abschließendes Element wird der bereits angeführte obere Kontakt, das Gate aufgetragen. An dieses werden dieselben elektrischen und stofflichen Anforderungen gestellt, wie an die beiden Source und Drain Kontakte.

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[1] engl. Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect-Transistor

[2] Weitere Architekturen, die für die Forschungsarbeit verwendet wurden, werden in Punkt 2.1.2. näher erläutert.

[3] OLED = Organische Licht Emitter Diode

[4] Für die jeweiligen Schichten des Transistors werden verschieden Verfahren verwendet. So wird die Source-Drain Struktur im Offsetdruck hergestellt, die Halbleiter- und Isolatorschicht mittels Tief- und Flexodruck. Die nähere Beschreibung der Druckverfahren erfolgt im Punkt 2.3.

[5] Unter Verfügbarkeit ist zum einen die Form (Rolle) und zum anderen die geforderte Dimension, Abmessung des Trägermaterials gemeint.

[6] Das Symbol k bezeichnet die Dielektrizitätskonstante.