Metalloxidhalbleiter stellen eine Klasse von Halbleitern mit einem enormen Potenzial dar konventionelle Halbleiter auf Siliziumbasis in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen der nächsten Generation zu ersetzen. Die Prozessierung aus Lösung von Metalloxidhalbleitern bietet eine kostengünstige Herstellung von Oxid-Dünnfilmtransistoren für großflächige Beschichtungen. Die Verwendung herkömmlicher Metalloxidvorläufer (z.B. Metallsalze) erfordert die Zugabe mehrerer Additive, um die Bildung der gewünschten multinären Metalloxidhalbleiter zu erreichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Verwendung von definierten, maßgeschneiderten molekularen Vorläuferverbindungen demonstriert. Diese stellen luftstabile Komplexe dar, welche in wässrigen oder organischen Lösungsmitteln löslich sind. Zudem wird die Erzeugung von Oxidnanopartikeln aus solchen Vorläufern mittels Mikrowellensynthese berichtet. Desweiteren werden auch direkte Fotostrukturierungen der multinären Oxide untersucht. Es wurden Indiumzinkoxid (IZO) Nanopartikel durch eine mikrowellenunterstützte Zersetzung unter Verwendung von Lösungen molekularer luftstabiler Oximato-Vorläufer vom In- und Zn-Schiff-Base-Typ mit Methoxyiminopropionato-Liganden synthetisiert, die zu stabilen Suspensionen von IZO-Nanopartikeln mit einer konstanten Partikelgröße von ~ 5 nm führten. Die Entfernung anhaftender organischer und Hydroxy-Einheiten durch thermische Behandlung bei 450°C führte zu einem hervorragenden Halbleiterverhalten der resultierenden hochqualitativen IZO-TFTs mit einer Mobilität von 8,7 cm2/V.s, einem Strom-Ein/Aus -Verhältnis von 2,8×105 und einer Schwellspannung Vth von+3,3 V. Diese Strategie wurde auch auf die Synthese eines bio-anorganischen ZnO/TMV-Hybridhalbleiters ausgedehnt, bei dem eine modifizierte Vorläuferformulierung mit optimaler Menge der Base (TEAOH) milde Grundbedingungen bietet, um eine effiziente Synthese, welche eine mikrowellenbasierte Zersetzung des Zinkkomplexes und in-situ-Bildung von kristallinen Zinkoxid-Nanopartikeln bei einer niedrigen Temperatur von 60°C gewährleistet, zu realisieren. Die ZnO-Nanopartikel mineralisieren selektiv auf dem TMV-Gerüst. Für eine optimale Anzahl (6 Zyklen) von ZnO-Mineralisierungen wurde eine Feldeffektmobilität (µsat) von 6,7 × 10-4 cm2 / V.s, eine Vth von +4,7 V und ein Ion/off von 9,0 × 105 ohne erforderliche thermische Nachbehandlung erzielt. In ähnlicher Weise wurde die Verwendung eines neuen Sn (II) -Oximato-Vorläufers in Kombination mit dem Zinkoximato-Vorläufer zur Bildung von ZTO-Dünnschichthalbleitern verwendet. Die XRD-Analyse zeigt, dass die Zersetzung des Zinn (II) -Vorläufers bei Temperaturen von nur 350°C erfolgt. EPR-Untersuchungen ergaben Oberflächendefekte und keine Bulk-Defektstellen mit einer höheren Defektkonzentration für SnO2 im Vergleich zu ZnO. Die chemische Zusammensetzung der Vorstufe mit höherem Zinngehalt und einem Sn: Zn-Verhältnis von 7: 3 lieferte bei moderaten Prozesstemperaturen von 350 °C Transistorkennwerte von µsat 5,18 cm2/V.s, einem Vth von 7,5 V und einem hohen Ion/off von 6 x 108. Die Oximato-Vorläufer wurden auch auf ihre Fähigkeit zur direkten DUV-basierten Fotostrukturierung von IZO- und ZTO-Halbleitern untersucht. Bei Kalzinierungstemperaturen von 350°C wurden TFT-Bauteile mit einem µsat von 7,8 cm2/V.s, einem Vth von 0,3 V und einem hohen Ion/off von 3,5 x 108 für IZO als Halbleiter erreicht. Für ZTO-TFTs wurden Werte von 3,6 cm2/V.s, einem Vth von 2,4 V und einem hohen Ion/off von 5,3 x 107 erzielt. Für die Realisierung einer Tieftemperatur-Lösungsprozessierung wurden maßgeschneiderte multimetallische Zink- und Indium-Koordinationsverbindungen der Zusammensetzung [Zn4O (dmm-NO)6] und In2O3(dmm-NO2)3·(Toluol) mit Nitro- und Nitroso-funktionalisierten Dimethylmalonato-Liganden untersucht. Bei 250°C prozessierte Bauelemente weisen bereits eine aktive TFT-Leistung auf, bei 300 °C prozessierte eine TFT-Leistung µsat von 2,1 cm2/V.s, einem Vth von +11,5 V und einem Ion/off von 3,3 × 107.
Ein weiterer Ansatz, der auf wasserlöslichen, definierten Harnstoffnitrat-Koordinationsverbindungen von Indium (III), Gallium (III) und Zink (II) zur Bildung amorpher IGZO-Dünnfilme basiert, wurde ebenfalls erfolgreich demonstriert. Die DSC-Analyse bestätigt die exotherme Zersetzung aller drei Vorläufer. Interessanterweise zeigen IGZO-TFTs, die bei 200 °C hergestellt wurden, bereits TFT-typisches Verhalten. Bei 300 °C und 350 °C prozessierte TFTs zeigen eine Leistung mit Ladungsträgermobilitäten μsat von 1,7 cm2/V⋅s bzw. 3,1 cm2/V⋅s sowie Strom Ein-Aus-Verhältnisse von > 107. Solche Vorläufer eignen sich somit hervorragend für die Herstellung von IGZO-Halbleitern in wässriger Lösung.
Schließlich wurde ein auf dem ALD Verfahren basierende In2O3/ ZnO-Heterostrukturdesign, unter Verwendung von Trimethylindium und Diethylzink als molekulare Vorläufer, demonstriert. Die Erzeugung einer optimierten In2O3/ZnO-Heterostruktur auf der Grundlage der sequentiellen Abscheidung der einzelnen Oxide, die in einem niedrigen Temperaturbereich (250–300 °C) durchgeführt wird, liefert funktionelle TFT-Bauteile. Bauelemente, die auf einem solchen Herstellungsprozess basieren, zeigen, bei einer moderaten Prozesstemperatur von 300°C, eine durchschnittliche Sättigungsfeldeffektmobilität μsat von 6,5 cm2/V.s und ein hohes Strom-Ein / Aus-Verhältnis von 4,6 × 107 und einem niedrigen Sub-threshold Swing (SS) von 0,7 V / Dekade. | German |
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