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Improving Performance in Metal Oxide Field-effect Transistors

Walker, D E. :
Improving Performance in Metal Oxide Field-effect Transistors.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Improving Performance in Metal Oxide Field-effect Transistors
Language: English
Abstract:

The work described in this thesis is concerned with increasing the mobility of inorganic, solution processed field-effect transistors, fabricated from organo-matallic precursors. Devices were fabricated by depositing the zinc oximate or indium oximate, precursor formulation onto a prefabricated substrate, consisting of a doped silicon gate electrode and silicon dioxide gate dielectric, with gold source and drain electrodes. The formulations used to fabricate the zinc oxide (ZnO) or indium-zinc oxide (IZO) active layers are optimised, for both spin coating and inkjet printing, by changing the solvents according to their Hansen solubility parameters, to result in formulations which give the best mobilities. The thicknesses of the active layers were controlled by varying the precursor concentration in the formulation and found to be a critical parameter, where the mobility of the final layer, rises, peaks, and then decreases as the active layer thickness is increased. This non-intuitive result is examined in detail by direct imaging with scanning probe microscopy techniques and extracting electron density profiles from x-ray reflection measurements. These measurements reveal full thickness variations within the film which are assumed to adversely affect charge transport. Coating additional layers to fill these defects results in a considerable increase in performance. It was found that the optimal single layer thickness was sub-optimal when coating additional layers and by coating many thin layers, films could be created with a density approaching that of bulk IZO and which exhibit a mobility up to 20 cm2/Vs. These results enable a consistent, qualitative model of layer formation to be developed explaining how the morphology of the film develops as the concentration of precursor in the initial formulation is varied. Throughout the work it was found that the environment in which the active layers were created and measured was critical to the final performance. The effects of light, oxygen exposure, electrical stress and temperature on the electrical performance are measured and the effect of oxygen on the source and drain contacts is examined via Kelvin probe force microscopy (KPFM). It is found that oxygen is critical to all aspects of the device performance, however, the effects are always reversible by annealing in the correct atmosphere, oxygen free for ZnO, or air for IZO.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurde die Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeit von lösungsprozessierten, Metalloxid-basierten Feldeffekttransistoren (FETs) untersucht, die aus metallorganischen Vorstufen hergestellt wurden. Die Herstellung der Bauelemente erfolgte durch das Aufbringen einer Zinkoximat- bzw. einer Indiumoximat- Precursor-Formulierung auf ein vorgefertigtes Substrat. Dieses bestand aus einer hochdotierten Silizium-Gateelektrode und Siliziumdioxid als Gatedielektrikum, worauf schon Source- und Drain-Elektroden aus Gold vorstrukturiert vorlagen. Die zur Herstellung der Zinkoxid (ZnO) oder Indium-Zinkoxid (IZO) Halbleiterschichten genutzten Formulierungen wurden für die Rotationsbeschichtung und den Tintenstrahldruck dadurch optimiert, dass das Lösungsmittel gemäß seiner Hansen-Löslichkeitsparameter so angepasst wurde, dass die bestmögliche Ladungsträgerbeweglichkeit der FETs resultierte. Die Schichtdicke der Metalloxidschichten wurde durch Änderung der Precursor-Konzentrationen in den Formulierungen kontrolliert. Dabei stellte sich heraus, dass die Konzentration ein kritischer Parameter für die Bauteilfunktionalität ist. Bei Erhöhung der Metalloxidschichtdicke zeigte sich, dass die Mobilität der gefertigten FETs zunächst ansteigt, einen Maximalwert erreicht und für dickere Halbleiterschichten wieder sinkt. Dieses nicht erwartete Ergebnis wurde detailliert zunächst mithilfe von bildgebenden Methoden wie der Rastersondenmikroskopie und im Anschluss mithilfe von Röntgenreflexionsmessungen untersucht, um das Elektronendichteprofil der Schicht zu ermitteln. Die Messungen zeigten, dass es in der Schicht morphologische Defekte gibt, die z.T. bis zum Gatedielektrikum reichten, so dass davon ausgegangen werden kann, dass der Ladungstransport beeinträchtigt wird. Um die Performanz der IZO-FETs zu steigern, konnten diese Defekte durch das Aufbringen zusätzlicher Schichten gefüllt werden. Wurden mehrere Schichten aus einer für Einzellagen optimal konzentrierten Precursor-Formulierung aufgetragen, verbessert sich die Performanz des FETs nicht, während das Aufbringen von Multilagen aus gering konzentrierten Precursor-Formulierungen zu Filmen führte, deren Dichte gemäß Röntgenreflexionsdaten nahezu jener von IZO als Volumenmaterial entsprach. Dementzufolge konnten hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten von bis zu 20 cm²/Vs erreicht werden. Diese Ergebnisse ermöglichten es, ein konsistentes, qualitatives Modell der Schichtbildung in den untersuchten Metalloxidfilmen zu entwickeln. Das Modell erklärt, wie die Morphologie der Filme sich entwickelt, wenn die Konzentration des Precursors in der anfänglichen Formulierung verändert wird. Während der Untersuchungen stellte sich außerdem heraus, dass die Atmosphäre, in der die Metalloxidschichten hergestellt und die fertigen Bauteile elektrisch charakterisiert wurden, kritisch für die endgültige Leistung des Bauteils war. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen von Licht, Sauerstoff, elektrischer Belastung und Temperatur auf die elektrische Leistung der FETs untersucht, sowie der Einfluss von Sauerstoff auf die Source- und Drain-Kontakte mithilfe der Kelvinsondenkraftmikroskopie (KPFM). Dabei wurde festgestellt, dass sich Sauerstoff kritisch auf die elektrische Charakteristik der Transistoren auswirkt. Es handelte sich allerdings um einen reversiblen Effekt, der durch Tempern der Bauteile in der geeigneten Atmosphäre – sauerstofffrei (also in der Govebox) für ZnO oder in Luft für IZO - rückgängig gemacht werden konnte.German
Journal or Publication Title: Improving Performance in Metal Oxide Field-effect Transistors
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Electronic Materials
Date Deposited: 18 Dec 2013 09:53
Last Modified: 18 Dec 2013 09:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35969
Additional Information:

Date of Submission: 19.04.2013 Date of Exam: 21.06.2013

Additional Information:

Date of Submission: 19.04.2013 Date of Exam: 21.06.2013

Referees: von Seggern, Prof. Heinz
Refereed: 21 June 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3596
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