Verständnis der transienten Charakteristik organischer Transistoren

Flexible, transparente Schaltungen welche aus organischen Dünnschichtransistoren (OTFTs) bestehen erreichen derzeit Taktfrequenzen bis zu ca. 30MHz. Dabei konnte dank der enormen Erhöhung der Ladungsträgermobilitäten und aufgrund der Verringerung der charakteristischen Bauelementabmessungen allein in den vergangenen 7 Jahren die Taktfrequenzen um drei Größenordnungen gesteigert werden. Dies erlaubt die Anwendung organischer Transistoren Sensoren, Pixelsteuerungen für organische Matrixdisplays und RFID-Tags realisiert werden. Im Vergleich dazu erreichen siliziumbasierte Dünnschichtransistoren (TFT) Frequenzen im GHzBereich, obwohl organische Halbleiter (OHL) mittlerweile mit nanokristallinem oder amorphem Silizium vergleichbare Mobilitäten aufweisen können. Dementsprechend gibt es eine Vielzahl von Anstrengungen, um den Frequenzbereich, in dem organischer Schaltkreise einsetzbar sind, um wenigstens eine Dekade zu erweitern. Die dabei verwendeten Optimierungsstrategien sind dabei weitestgehend den Ansätzen für siliziumbasierte TFTs entlehnt. Sie vernachlässigen daher den wichtigsten Unterschied zwischen Silizium und organischen Halbleitern: Aufgrund ihrer großen Bandlücke, besitzen OHL nur eine verschwindend kleine Anzahl intrinsischer, frei beweglicher Ladungsträger; die Funktion eines OTFTs beruht daher vollends auf den von den Kontakten injizierten Ladungsträgern. Damit spielen Injektionsprozesse eine außerordentlich wichtige Rolle für das dynamische Verhalten von organischen Dünnschichtransistoren. Das grundlegendes Verständnis des Einflusses der Injektion auf das Verhalten von OTFTs fehlt jedoch noch weitestgehend. Es ist daher das Ziel dieses Antrages, erstmalig fundamentale Einsichten in die Auswirkungen der Injektion auf das Frequenzverhalten von OTFTs zu gewinnen. Dafür wird das dynamische Verhalten systematisch bezüglich des Einflusses von Ladungsträgermobilitäten, Injektionsbarrieren, lokalen Feldverteilungen und Trap- bzw. Ladungsverteilungen (inkl. Dotierungen) im Bauelement erforscht. Dies wird durch eine Kombination .... Dafür sollen erstmalig zeitaufgelöste und frequenzabhängige drift-diffusions- basierende Simulationen kombiniert werden. Die Simulationen werden mit einem eigens von uns für organische Bauelemente entwickeltem Programmpaket durchgeführt, welches es gestattet, die relevanten Injektions- und Rückflussmechanismen an den Kontakten selbstkonsistent und unter Einbeziehung des Ladungsträgertransports zu berücksichtigen. Mit diesen Simulationen wird es möglich sein, die Auswirkung der Injektion im Vergleich zur Bedeutung von Ladungsträgermobilitäten für das zeitabhängige Transistorverhalten zu klären. Die dabei erzielten Erkenntnisse werden der wissensbasierten Ausarbeitung von Frequenzoptimierungsstrategien dienen. Dieses theoretische Projekt wird in einem engen Rückkopplungszyklus mit experimentellen Gruppen durchgeführt werden, um Zugang zu qualitativ hochwertigen Messdaten zu gewinnen.

Um elektrischen Strom in organischen Dünnschichttransistoren schalten zu können, müssen zunächst im Gegensatz zu Dünnschichttransistoren aus konventionellen Halbleitern wie Silizium bewegliche elektrische Ladungen von den Kontakten für den organischen Halbleiter zur Verfügung gestellt werden. Während des Betriebes muss daher der organische Transistor genügend elektrische Ladungen einfließen lassen (Injektion). Das Projekt widmet sich mithilfe von Bauelementsimulationen der Frage, ob die Einschaltzeit des Transistors durch den notwendigen Zwischenschritt der Injektion beweglicher Ladungen verlängert oder gar ausschließlich bestimmt. Es stellt sich klar heraus, dass der Grad der Beeinträchtigung des Transistorbetriebes durch eine unzureichende Injektion von mehreren, komplex wechselwirkenden Faktoren abhängt. Insbesondere diktiert ein Faktor, nämlich die Ausrichtung der Kontaktflächen, die in einer gegebenen Bauform hauptsächlich zur Injektion beitragen, wie sich der Transistorbetrieb durch unzureichende Injektion ändert. Während in der gestapelten Bauform Injektion vor allem zu einer effektiv kleiner wahrgenommenen Ladungsträgermobilität führt, verschiebt sich in der koplanaren (bottom-contact bottom-gate) Bauform im wesentlichen die Einschaltspannung. Dank dieser Einsicht konnte desweiteren gezeigt werden, wie die Stromverluste insbesondere in koplanaren Transistoren (i) eindeutig einer unzureichenden Ladungsinjektion zugeordnet und, vor allem, (ii) kompensiert werden können. Dank der vorgeschlagene Kompensationsmassnahmen (Reduzierung der Isolatorschichtdicke und der Injektionsbarriere) wird erstmalig auch experimentell nachgewiesen, dass koplanare Transistoren nicht nur kompetativ, sondern gar schneller als gestapelte Transistoren schalten können. Dies wiederlegt die bisher weitläufig anerkannte Meinung, dass koplanare Transistoren keinesfalls die Schaltgeschwindigkeit ansonsten baugleicher gestapelter Transistoren erreichen können. Überdies zeigt sich, dass die Frage nach u.U. verzögerten Schaltzeiten durch nichtausreichende Injektion nur für Betriebsbedingungen mit geringem Stromverlust relevant ist. Unter diesen Umständen leistet die Injektion einen Betrag zur Gesamteinschaltzeit, ist aber nicht zwingend ausschlaggebend, da meist anteilig mehr der Einschaltzeit für das Aufladen von Halbleiterbereichen außerhalb des Transistorkanals aufgewandt wird. Verhindert mangelnde Injektion praktisch den Stromfluss, dann wird die Einschaltzeit vom Injektionsvorgang dominiert.