TU Darmstadt / ULB / TUprints

Charakterisierung von lösungsprozessiertem Zirkoniumdioxid für den Einsatz in gedruckten Schaltungen

Kaloumenos, Mareiki :
Charakterisierung von lösungsprozessiertem Zirkoniumdioxid für den Einsatz in gedruckten Schaltungen.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

[img]
Preview
Text
Promotion_Kaloumenos.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (4MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Charakterisierung von lösungsprozessiertem Zirkoniumdioxid für den Einsatz in gedruckten Schaltungen
Language: German
Abstract:

Gedruckte Elektronik hat sich in den letzten Jahren zu einem weiten Forschungsgebiet entwickelt. Sie soll jedoch keinen Ersatz für die konventionelle Siliziumtechnologie darstellen. Vielmehr verfolgt sie das Ziel, einen kostengünstigen Prozess zur großflächigen strukturierten Schichterzeugung zu etablieren. Dies soll unter anderem durch den Verzicht auf kostenintensive Vakuumtechnologien erreicht werden und für Schaltungen mit geringer Komplexität und Performanz geeignet sein. Neben organischen werden auch anorganische druckbare Materialien in Form von Metalloxiden untersucht. Mit diesen lassen sich beim Halbleiter deutlich höhere Ladungsträgermobilitäten erreichen. Doch während lösungsbasierte anorganische Halbleiter schon gute Ergebnisse erzielen, wurde die Forschung im Bereich der druckbaren anorganischen Dielektrika bisher vergleichsweise vernachlässigt. Dabei ist ein funktionales und dichtes Dielektrikum maßgeblich für die Funktionalität von Transistoren und Kondensatoren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Charakterisierung des anorganischen lösungsprozessierten Dielektrikums Zirkoniumdioxid (ZrO2) für den Einsatz in gedruckten Schaltungen. Im Fokus steht hier vor allem der Einfluss der umgebenden Atmosphäre, da für kostengünstiges Drucken auf Vakuumprozesse verzichtet werden muss. Die hier untersuchten ZrO2-Schichten werden mit Hilfe eines Präkursors hergestellt und mittels Impedanzspektroskopie an Kondensatoren untersucht. Ergänzend dazu werden Messungen per Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenreflektometrie (XRR) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ausgewertet sowie Strom-Spannungs-Messungen durchgeführt. In der Arbeit wird gezeigt, dass Feuchtigkeit sowohl die Impedanz als auch das Strom-Spannungs-Verhalten der untersuchten Kondensatoren stark beeinflusst. Die hergestellten dielektrischen Schichten besitzen eine reduzierte Dichte, die zur Folge hat, dass Feuchtigkeit das gesamte Bauteil durchdringen kann. Weiterhin sind Metalloxide im Allgemeinen hygroskopisch, was den starken Einfluss der Feuchtigkeit erklärt. Durch eine thermische Nachbehandlung unter Schutzgas kann an den hergestellten Kondensatoren eine Impedanz nahe am idealen Kondensatorverhalten gemessen werden. Einzig die Leckstromdichte fällt zu hoch aus. Mithilfe der Ergebnisse der Charakterisierung wird im Rahmen dieser Arbeit eine Ersatzschaltung abgeleitet und vorgestellt. Diese berücksichtigt den Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Impedanz der hergestellten ZrO2-Kondensatoren. Am Ende der Arbeit wird in einer Machbarkeitsstudie der Einsatz des verwendeten ZrO2 als Gate-Dielektrikum im Transistor überprüft. Es wird gezeigt, dass die am Kondensator beobachteten Effekte prinzipiell übertragbar sind und Feuchtigkeit damit auch Auswirkungen auf das Transistorverhalten hat. Zusammengefasst eignet sich das vorliegende lösungsprozessierte ZrO2 ohne weitere Optimierung nur sehr begrenzt für den Einsatz in gedruckten Kondensatoren und Transistoren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In recent years printed electronics has evolved to a wide area of research. However, it's not supposed to be a substitute for the conventional silicon technology. Rather, it establishes a cost-effective process for large-scale production of structured layers. This shall be achieved among other things by avoiding costly vacuum technologies and shall be suitable for circuits with low complexity and performance. In addition to organic, inorganic printable semiconductors in the form of metal oxides are analysed. They offer the possibility to achieve significantly higher charge carrier motilities. Whereas solution processed inorganic semiconductors already achieve good results, printable inorganic dielectrics have been neglected by research. Even though for the functionality of transistors and capacitors a functional and dense dielectric is crucial. Therefore, the present work deals with the characterization of inorganic solution-based Zirconiumdioxide (ZrO2) to be utilized as dielectric in printed circuits. The focus here is mainly on the influence of the surrounding atmosphere, as for a cost-effective printing process vacuum technologies have to be avoided. The investigated ZrO2-layers are produced with a precursor and examined by impedance spectroscopy at capacitors. In addition measurements by scanning electron microscopy (SEM), X-ray reflectometry (XRR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) are performed as well as current-voltage measurements. In this work it is shown that moisture strongly affects the impedance and the current-voltage behaviour of the capacitors analysed. The produced dielectric layers have a reduced density, so moisture can easily penetrate the whole device. In addition metal oxides are hygroscopic in general, which explains the strong influence of moisture. After a thermal post-treatment in inert atmosphere, an impedance close to that of ideal capacitors can be measured on the manufactured capacitors. Only the leakage current density is too high. Based on the findings derived from the characterization, an equivalent circuit is presented. It models the influence of humidity on the impedance of the produced ZrO2-capacitors. At the end of this work a feasibility study is carried out to test the suitability of the presented ZrO2 as gate dielectric within a transistor. It is shown, that effects observed at the capacitor are transferable in principle and moisture thus has an impact on the transistor performance. In summary, without further optimization, the used solution-based ZrO2 is only suitable for the use in printed capacitors and transistors with limitations.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Zirkoniumdioxid, gedruckte Elektronik, Dielektrikum, high-k, Kondensator, TFT
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
zirconium dioxide, printed electronics, dielectric, high-k, capacitor, TFTEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Integrated Electronic Systems
Date Deposited: 07 Oct 2016 09:44
Last Modified: 07 Oct 2016 09:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56942
Referees: Hofmann, Dr.-Ing. Klaus and Jaegermann, Dr. Wolfram
Refereed: 11 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5694
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year