Die Entwicklung und Verbesserung von Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) ist seit der Entdeckung des Feldeffektprinzips stetig vorangetrieben worden. Unter dem Feldeffektprinzip versteht man die Beeinflussung der Ladungsträgerverteilung durch das elektrische Feld einer angelegten Spannung an die Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors. Die physikalischen Vorgänge und Abläufe in einem MOSFET sind heutzutage größtenteils bereits erforscht und bekannt. Aufbauend auf diesem Wissen werden seit den 1970er Jahren auch die Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten sogenannter organischer Feldeffekttransistoren (OFETs) weiterentwickelt und untersucht.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Motivation
1.2. Ziel
2. Grundlagen
2.1. Ladungstransport in organischen Halbleitern
2.2. Das Funktionsprinzip des organischen Feldeffekttransistors
3. Herstellung von organischen Feldeffekttransistoren
3.1. Reinigung der Silizium-Wafer
3.2. Spincoating-Verfahren
3.3. Thermisches Aufdampfverfahren
4. Verwendete Halbleiter und durchgeführte Versuche
4.1. 9,10-Bis[(triisopropylsilyl)ethynyl]anthracen
4.2. Anthracen
4.3. 5,5-Di(4-biphenylyl)-2,2-bithiophen (PPTTPP)
5. Auswertung und Vergleich der Ergebnisse
5.1. Messung mit dem Paramter Analyzer
5.2. Kennlinien und Charakterisierung der verwendeten Halbleiter
5.3. Referenzmesswerte mit Pentacen
5.4. Ergebnisvergleich zwischen Pentacen und verwendeten Halbleitern
6. Zusammenfassung und Ausblick
A. Versuchsparameter
B. Einstellungen am Parameter Analyzer
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Verwertbarkeit verschiedener organischer Halbleiterstoffe zur Herstellung organischer Feldeffekttransistoren (OFETs), um Alternativen zu etablierten Materialien wie Pentacen zu finden und existierende Kenntnisse im Laborbetrieb zu validieren.
- Methoden zur Herstellung von OFETs (Spincoating und thermisches Aufdampfen).
- Analyse der elektrischen Eigenschaften und des Ladungstransports.
- Experimentelle Untersuchung von TIPS-Anthracen, Anthracen und PPTTPP.
- Vergleich der Messergebnisse mit Referenzwerten von Pentacen.
Auszug aus dem Buch
4.3. 5,5-Di(4-biphenylyl)-2,2-bithiophen (PPTTPP)
Im Gegensatz zu den Versuchsergebnissen der beiden vorher beschriebenen organischen Halbleiter stellte sich PPTTPP als vielversprechend und geeignet für die Herstellung von OFETs heraus. Bereits bei den ersten in der Aufdampfanlage hergestellten Transistoren ergaben die Messungen am Parameter Analyzer verwertbare Kennlinien. Die Parameter der einzelnen Herstellungsprozesse in der Aufdampfanlage sind, aufgrund ihres Umfanges, im Anhang aufgelistet und dort zu entnehmen. Für die ersten drei Chargen wurden wiederholt gereinigte Wafer aus den Versuchen drei bis fünf mit TIPSANT verwendet und für die darauffolgend hergestellten OFETs standen neue Si-Wafer zur Verfügung. Bemerkenswert ist, dass im Schmelztiegel nach einigen Durchläufen in der Aufdampfanlage ein rötlicher Rückstand des Quellmaterials zurückblieb. Zum einen ist PPTTPP ein optisch gelb aussehender Stoff und zum anderen bildete sich dieser Rückstand unabhängig von der Menge des organischen Halbleiters. Die Vermutung, dass bei geringerer Menge des aufzudampfenen Materials kein Rest im Tiegel zurückbleiben würde, hat sich nicht bestätigt. Bei sonst gleichen Parametern blieb etwas von dem roten Feststoff zurück, manches andere Mal jedoch nicht.
Im Rahmen der Schichtdickenoptimierung, wurde die Masse des Quellmaterials Stück für Stück herabgesetzt. Dies zielte darauf ab in etwa eine Schichtdicke von 50 nm zu erhalten, um dann die Kennlinien von PPTTPP mit denen von Pentacen-OFETs, welche auch eine Schichtdicke von etwa 50 nm besitzen, zu vergleichen. Im Laufe der Versuche konnte festgestellt werden, dass in etwa ein Faktor 10 genutzt werden kann, um die Schichtdicke während des Aufdampfvorganges zu bestimmen (10·Anzeigewert ergibt in etwa reale Schichtdicke). Die Untersuchung wurde bis zu einer Masse von 3, 5 mg von PPTTPP fortgesetzt, um an dieser Stelle abzubrechen und die Eignung des organischen Halbleiters für das Spincoating-Verfahren zu überprüfen. Die Schichtdickenmessung mit dem Veeco Dektak 150 ergab zu diesem Zeitpunkt für diese Masse einen Wert von etwa 220 nm.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Erforschung von OFETs als kostengünstige und flexible Alternative zu klassischen MOSFETs sowie das primäre Ziel der Untersuchung neuer Halbleitermaterialien.
2. Grundlagen: Erläutert den physikalischen Ladungstransport in organischen Halbleitern und das Funktionsprinzip von Feldeffekttransistoren in Dünnschichtbauweise.
3. Herstellung von organischen Feldeffekttransistoren: Detailliert die notwendigen Schritte der Waferreinigung sowie die zwei verwendeten Fertigungsverfahren: Spincoating und thermisches Aufdampfen.
4. Verwendete Halbleiter und durchgeführte Versuche: Dokumentiert die experimentellen Versuche mit TIPS-Anthracen, Anthracen und PPTTPP, inklusive der spezifischen Herstellungsparameter.
5. Auswertung und Vergleich der Ergebnisse: Analysiert die Kennlinien der Proben, erläutert die Berechnungsformeln für elektrische Parameter und vergleicht PPTTPP mit Pentacen.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Bewertet die Eignung der getesteten Halbleiter und gibt Empfehlungen für zukünftige Optimierungen der Schichtdicke und Prozessführung.
A. Versuchsparameter: Zusammenstellung der tabellarischen Daten zu den verschiedenen Versuchsreihen.
B. Einstellungen am Parameter Analyzer: Auflistung der Messparameter für die Aufnahme der Kennlinien.
Schlüsselwörter
Organische Halbleiter, OFET, Feldeffekttransistor, Ladungsträgermobilität, Spincoating, Thermisches Aufdampfen, Pentacen, PPTTPP, Anthracen, Kennlinienanalyse, Dünnschichttransistor, Schichtdicke, Ladungstransport, Halbleitercharakterisierung, Mikroelektronik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung und Charakterisierung verschiedener organischer Halbleiterstoffe für den Einsatz in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs).
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Materialherstellung mittels Spincoating und thermischem Aufdampfen sowie die anschließende elektrische Vermessung und Analyse der Transistorkennlinien.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, geeignete Alternativen zu den bisher am Labor der Elektronikprofessur verwendeten organischen Halbleitern (insbesondere Pentacen) zu identifizieren und deren Eignung zu bestätigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommen das Spincoating-Verfahren, das thermische Aufdampfverfahren und die Analyse von Ausgangs- und Übertragungskennlinien mittels eines Semiconductor Parameter Analyzers zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die detaillierte Reinigung der Silizium-Wafer, die Versuchsreihen mit den Halbleitern TIPS-Anthracen, Anthracen und PPTTPP sowie die mathematische Auswertung der elektrischen Kenngrößen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlüsselbegriffe sind organische Halbleiter, OFET-Herstellung, Ladungsträgerbeweglichkeit, Kennlinienanalyse und Materialvergleich zu Pentacen.
Warum erwies sich PPTTPP als der erfolgreichste Halbleiter in der Studie?
Im Gegensatz zu den anderen getesteten Materialien lieferte PPTTPP verwertbare Kennlinien und zeigte ein für OFETs typisches Verhalten, das eine Parameterextraktion ermöglichte.
Welche Herausforderungen traten bei der Arbeit mit Anthracen auf?
Anthracen ließ sich nach den verwendeten Beschichtungsverfahren optisch kaum auf dem Substrat nachweisen, wies keine messbare Schichtdicke auf und zeigte keine Transistoreigenschaften.
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- M. Sc. Lee Kirsten (Autor), 2012, Untersuchung der elektrischen Eigenschaften ausgewählter organischer Halbleiterstoffe zur Herstellung organischer Feldeffekttransistoren, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/455650
