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Modellierung nasschemisch hergestellter anorganischer Zinkoxid-Dünnfilmtransistoren

Keil, Hans-Peter :
Modellierung nasschemisch hergestellter anorganischer Zinkoxid-Dünnfilmtransistoren.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung nasschemisch hergestellter anorganischer Zinkoxid-Dünnfilmtransistoren
Language: German
Abstract:

In der klassischen Mikroelektronik ist das Ziel die Entwicklung von immer kleineren und schnelleren Transistoren auf Siliziumbasis für die Herstellung von immer performanteren Hochleistungsschaltungen mit zunehmender Integrationsdichte wie beispielsweise Zentralprozessoren für Computer (engl. central processing unit, CPU). Zusätzlich gibt es zur Zeit eine zweite Entwicklung, die sich mit der Herstellung von möglichst preisgünstiger Elektronik befasst, bei der die Geschwindigkeit und die Integrationsdichte der Transistoren nur eine untergeordnete Rolle spielen. Hierzu sollen die Herstellungsprozesse der klassischen Siliziumtechnik, wie die Lithographie, Dotierung und Aufdampfverfahren, die zumeist unter Hochvakuum stattfinden, ersetzt werden. Statt diesen hochentwickelten aber auch sehr aufwändigen und damit teuren Verfahren sollen für die Herstellung der Halbleiterschaltungen Druckverfahren wie der Tintenstrahldruck oder das Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren eingesetzt werden wie sie im Zeitungsdruck verwendet werden. Diese Beschichtungsverfahren können aber nur angewendet werden, wenn das zu übertragende Material in einem Lösungsmittel gelöst werden kann, das weder toxisch noch hochaggressiv ist, da einerseits die Bediener einer solchen Druckmaschine den Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt werden und andererseits die Druckeinrichtung selbst nicht von dem Lösungsmittel beschädigt werden darf. Für die Verarbeitung mit nasschemischen Verfahren sind aktuell zwei Materialgruppen vorgesehen. Dies sind zum einen organische Halbleiter, die sich zumeist sehr gut in Lösung verarbeiten lassen und neben den halbleitenden Eigenschaften durch ihre mechanische Flexibilität neue Anwendungen und Produkte wie zum Beispiel biegsame Displays ermöglichen. Zum anderen sind dies Metalloxid-Halbleiter. Durch chemische Modifikationen können diese als lösbarer Präkursor verarbeitet werden. Nach der Beschichtung des Trägersubstrats kann durch thermische Nachbehandlung der Präkursor in die Ursprungsform zurückgewandelt werden. Dabei sind moderate Verarbeitungstemperaturen (200°C) ausreichend. Ein Halbleiter, der durch seine optische Transparenz und die erwartete relativ hohe Ladungsträgermobilität -- vergleichbar mit amorphem Silizium -- als besonders interessant gilt, ist Zinkoxid (ZnO). Durch die nasschemische Verarbeitung und die nur moderate thermische Nachbehandlung finden keine Sinterprozesse bzw. kein Kristallwachstum statt. Es entsteht kein einkristalliner Halbleiter; stattdessen bildet sich eine nanokristalline Schicht aus, die aus vielen kleinen Halbleiterkristallen zusammengesetzt ist. Der Durchmesser dieser zumeist kugelförmigen Körner liegt dabei in der Regel bei wenigen Nanometern. Damit weisen diese Schichten andere Eigenschaften auf als einkristalline Halbleiter. Um Halbleiterschaltungen vor der eigentlichen Herstellung an einem Computer simulieren und deren Funktion überprüfen zu können, werden Modelle benötigt. Diese Modelle müssen die elektronischen Eigenschaften und das Verhalten dieser Bauteile möglichst genau beschreiben. Aufgrund des nanokristallinen Aufbaus des hier beschriebenen Halbleiters sind existierende Modelle, die für einkristalline Halbleiterschichten entwickelt wurden, ungeeignet. Es werden neue Modelle benötigt, die die besonderen Eigenschaften dieser Schichten berücksichtigen. Dabei können einfache mathematische Modelle verwendet werden, die nur die elektrische Charakteristik durch Formeln nachbilden und durch Anpassungsparameter auf die Kennlinien dieser Bauteile angepasst werden. Da diese Modelle aber die zugrundeliegenden Ladungstransportprozesse und die physikalischen Effekte in diesen Schichten nicht berücksichtigen, eignen sie sich nur bedingt für die Simulation dieser Halbleiterschichten. In dieser Arbeit wurde deshalb ein Modell entwickelt, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht soweit wie möglich aus physikalischen und zumeist messbaren Größen berechnet werden und die besonderen Eigenschaften dieser Schichten berücksichtigt wurden. Hierzu wurden zuerst umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Ladungstransport und die Einflüsse auf die Ladungsträgermobilität dieser Schichten zu analysieren. Anschließend wurde ein existierendes Modell für ZnO-Halbleiterschichten mit wenigen Korngrenzen erweitert und so ein Modell entwickelt, das an die besonderen morphologischen und physikalischen Eigenschaften nasschemisch hergestellter ZnO-Halbleiterschichten angepasst ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Besides the continued development of smaller and faster transistors based on silicon for fast and highly integrated circuits like central processing units (CPU), there is actually a second trend, the development of cheap electronics, where speed and integration is not important. For this, production processes that are used for classical silicon technology like lithography, doping and evaporation that take place in high vacuum have to be replaced. Instead of those highly developed, very complex and very cost-intensive processes, the semiconductor devices shall be produced by printing technologies like inkjet or even roll-to-roll processes that are commonly used for printing newspapers. But in order to apply those wet-chemical processes, a semiconductor material is needed that is soluble in solvents that are neither toxic, as people are breathing the vapors of those solvents, nor too aggressive as these solvents must not damage the printing equipment. Currently, there are two groups of materials that are intended to be used for printing. On the one hand people are developing organic semiconductors that can be solved and are even mechanical flexible, so that new applications or products are possible, like flexible displays. On the other hand, metal oxide semiconductors are used which can be chemically modified and solved. After applying the layer and thermal treatments at moderate temperatures (200°C), the semiconductor layer is formed. One semiconductor that seems to be quite interesting is zinc oxide (ZnO). ZnO is transparent for visible light and the charge mobility is expected to be relatively high, comparable with amorphous silicon. Due to the wet-chemical processes and the moderate thermal treatments, that do not enable sintering or crystal growth, it is not possible to generate monocrystalline layers. Instead, a nanocrystalline layer is formed with a high number of small crystals. The diameter of those mostly ball-shaped crystals is generally in the range of a few nanometers. Therefore, those semiconductor layers have other properties than monocrystalline layers. In order to simulate and check semiconductor circuits before they are produced, there have to be appropriate device models. Those models must describe the electrical behavior as exact as possible. Because of the nanocrystalline build-up of the described semiconductor, existing models for single crystals are not applicable. New models are required, models that take the special properties of those semiconductor layers into account. One possibility is to rely on mathematical models that just use formulas to emulate the electrical characteristics and need fitting parameters to be matched to those devices. But as they do not incorporate the underlying charge transport mechanisms and the physical effects occurring in these semiconductor layers, they are only conditionally applicable. In this thesis, a model is developed that calculates the electric properties of the semiconductor with physical parameters, as far as possible. Most of them can be measured directly. Moreover, this model considers the extraordinary properties of those layers. Therefore, a lot of experiments have been performed to analyze the charge transport and influences on the electrical performance. Afterwards, an existing model for ZnO layers with only a few grain boundaries is extended and a model is formed which is well suited for the special morphological and physical properties of ZnO layers that are produced by wet-chemical processes. English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Device Modeling, Device Simulation, Printed Electronics, ZnO
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microelectronic Systems
Date Deposited: 26 Feb 2013 14:04
Last Modified: 26 Feb 2013 14:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33248
Referees: Glesner, Prof. Dr. Manfred and von Seggern, Prof. Dr. Heinz and Hofmann, Prof. Dr. Klaus
Refereed: 29 October 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3324
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