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Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren

Finnberg, Torsten :
Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren
Language: German
Abstract:

Trotz der Fortschritte in der Technologie der organischen Feldeffekttransistoren sind viele grundlegende Prozesse in realen Bauteilen nur unvollständig verstanden. Der Hauptgrund hierfür liegt in dem Auftreten von Haftstellen in realen Materialien. Unter Haftstellen versteht man lokalisierte Zustände mit einer hohen Verweildauer für Ladungsträger. Diese Zustände behindern daher den Ladungstransport. Gründe für das Auftreten dieser Zustände sind vor allem chemische Verunreinigungen und Fehlordnungen in der Struktur der organische Transportmaterialien. Für ein tiefergehendes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Haftstellen und Ladungstransport ist es notwendig, die energetische Verteilung der Fallen und Transportzustände im organischen Materialien sowie deren Morphologie zu bestimmen. Das Ziel dieser Arbeit ist somit die Aufklärung des Einflusses von Haftstellen in organischen Halbleitern auf den Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren. Spezielle Schwerpunkte liegen in der Bestimmung der Zusammenhänge zwischen chemischen Verunreinigungen sowie dem Wachstumsverhalten auf die energetische Verteilung der Haftstellen und den elektronischen Transport. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Halbleitertechnik der TU Darmstadt wurde die Entwicklung eines Substrates zur Präparation von Feldeffekttransistoren auf Basis organischer Halbleiter durchgeführt. Für diese Substrate wurde eine Methode zur Reinigung sowie eine Behandlung zur Einstellung der Polarität der Oberfläche entwickelt. Auf diesen Substraten wurden mit Hilfe eines bestehenden Aufbaus zur Vakuumverdampfung die organischen Halbleitern abgeschieden. Diese Anlage wurde um eine Einrichtung zum Transfer der Proben ohne direkten Kontakt zur Laboratmosphäre sowie eine Heizung zur Variation der Substrattemperatur bei der Deposition erweitert. Die elektrische Charakterisierung der so präparierten organischen Feldeffekttransistoren erfolgte in einer dazu speziell entworfenen und aufgebauten Messapparatur. Zur Charakterisierung der Materialien und Substrate wurden die Methoden der thermisch stimulierten Ströme, der Rasterkraftmikroskopie, sowie der Röntgenphotoelektronenspektroskopie und der Massenspektroskopie zur Anwendung gebracht. Eine Materialaufreinigung erfolgte in einem Sublimationsofen. Als theoretische Methode wurde die Monte-Carlo-Simulation zur Modellierung des Ladungstransports herangezogen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass für den Ladungstransport in Feldeffekttransistoren basierend auf organischen Halbleitern alle drei untersuchten Faktoren bestimmend sind. Zunächst ist es wichtig, Injektionsbarrieren zwischen dem Sourcekontakt und dem organischen Halbleiter zu vermeiden. Dazu ist es erfordlich, die Materialien hinsichtlich einer geringen Energiedifferenz zwischen der Austrittsarbeit der Kontakte und dem Transportniveau des organischen Halbleiters auszuwählen. Ebenso notwendig ist es, Verunreinigungen der Kontakte zu vermeiden. Hinsichtlich von chemischen Verunreinigungen des organischen Halbleiters wurde für das hier vorgestellte Material Pentacen festgestellt, dass es möglich ist, die durch Verunreinigungen verursachten Haftstellen mit Hilfe einer Sublimation des Pentacens zu reduzieren. Nach Optimierung der Injektion und der Reinheitsgrades ist abschließend der Einfluß der Morphologie zu beachten. Die Morphologie beeinflußt den Ladungstransport durch zwei verschiedene Mechanismen. Auf Grund von Korngrenzen kommt es zur Bildung struktureller Fallen, welche die Beweglichkeit herabsetzen. Die Dichte der Korngrenzen kann durch eine geeignete Modifikation der Isolatorgrenzfläche verringert werden. Dadurch wird die Beweglichkeit erhöht. Des Weiteren beeinflußt die Morphologie den Einsatz der Perkolation der Ladungsträger während des Schichtwachstums.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Despite the advances in the technology of organic field-effect transistors, many fundamental processes in real devices are only partially unterstood. The main reason for this is the presence of traps in real materials. Traps are localised states with a long retention time for charge carriers. These states therefore impede the charge transport. The reasons for the presence of traps are mainly chemical impurities and faults in the structure of organic transport materials. For a deeper understanding of the relationship between traps and charge transport it is necessary to determine the energetic distribution of traps and transport states in organic materials as well as their morphology. The goal of this work is therefore the clarification of the influence of traps in organic semiconductors on the charge transport in organic field-effect transistors. The main focus is on the determination of the influence of chemical impurities and growth behavior on the energetic distribution of the traps and the electronic transport. In collaboration with the Institut für Halbleitertechnik der TU Darmstadt the development of a substrate for the preparation of field-effect transistors based on organic semiconductors was conducted. For these subtrates a method to clean the surface and a method for the adjustment of the polarity of the surface was developed. On these substrates organic semiconductors were deposited by means of an existing setup for vacuum evaporation. This setup was extended by devices for the transfer of the samples without exposure to ambient air and the heating of the substrate during depostion. The electrical characterisation of those field-effect transistors was performed in a specially designed and constructed measurement setup. For the characterisation of substrates and materials the methods of thermally stimulated currents, atomic force microscopy, as well as the x-ray photo electron spectroscopy and mass spectroscopy were applied. The theoretical investigation of the charge transport was conducted by means of a monte-carlo analysis. In summary it can be stated, that three factors are fundamental for the charge transport in field-effect transistors based on organic semiconductors. First, it is important to avoid injection barriers between the source contact and the organic semiconductor. Therefore it is essential to choose the materials in consideration of a low difference in the work function of the contacts and the transport levels of the organic semiconductor. Also it is necessary to avoid adhesives on the contacts. Considering the chemical impurites of the organic semiconductors it was established for pentacen that a reduction of the traps caused by impurities by means of sublimation is possible. Finally, after optimisation of contacts and the degree of purity, the influence of the morphology has to be investigated. The morphology acts on the charge transport in two different ways: Due to grain boundaries, structural traps are formed, reducing the mobility. The density of grain boundaries can be reduced by an appropriate modification of the polarity of the isolator surface, increasing the mobility. Furthermore the morphology affects the onset of percolation of charge carriers during the film growth.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000526
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5261
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Ortner, Prof. Dr. Hugo and Jägermann, Prof. Dr.r Wolfram and Elsäßer, Dr.rer.nat Wolfgang
Advisors: von Seggern, Prof. Dr.i Heinz
Refereed: 16 November 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/526
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