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Low Temperature Processing of Printed Oxide Transistors

Garlapati, Suresh :
Low Temperature Processing of Printed Oxide Transistors.
Technische Universität darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Low Temperature Processing of Printed Oxide Transistors.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Low Temperature Processing of Printed Oxide Transistors
Language: English
Abstract:

Solution processed/printed electronics have gained a lot of attention in recent years because they are inexpensive, easy to fabricate, can be produced on very large areas and on all kinds of substrates. The choice of suitable functional/active materials that can be printed is of essential for the performance of the electronic devices in printed electronics. In case of printed field-effect transistors (FETs), which are elemental building blocks of most logic circuits, the right choice of solution-processable semiconductors is the key to obtain high performance electronic devices. In this regard, inorganic oxide semiconductors are considered as a suitable material, because of their excellent electronic transport properties, i.e., high intrinsic charge carrier mobility, in combination with the high thermal and environmental stability. In the design of FETs, apart from the semiconductors, gate insulators/dielectrics play a crucial role. In the present thesis, printable composite solid polymer electrolyte (CSPE) is chosen as gate insulator due to its high capacitance (1-10 μF/cm2). Furthermore, CSPEs provide extremely conformal interfaces to the rough oxide semiconductor channel layer, which is the key for high gating efficiency and exceptional device performance. Two different approaches, i.e., oxide precursors and nanoparticle dispersions, are used to print the semiconductor channels of FETs. The FETs are prepared from appropriate indium oxide precursors, which are annealed at different temperatures (300-500 °C) to be converted to the oxide; however, the devices need to be heated to 400 °C in order to achieve the best electrical performance characterized by a field effect mobility as high as 126 cm2/Vs and a sub-threshold slope of 68 mV/decade, which is close to the theoretical limit. Furthermore, the effect of the annealing rate on the performance of FETs has been studied. In addition to the single components (FET), complementary metal oxide semiconductor (CMOS) inverters and common source amplifiers have been prepared following a similar fabrication route using indium oxide and copper oxide precursors (annealed at 400 °C). The CMOS inverters have demonstrated a very high signal gain of 21 at 1.5 V. As a second approach and avoiding high processing temperatures, a novel chemical curing method for nanoparticles has been adopted, resulting in a field-effect mobility value of 12.5 cm2/Vs, strikingly high for a nanoparticulate channel completely processed at room temperature (RT). CMOS inverters based on chemically cured indium oxide and copper oxide nanoparticle dispersions have been prepared, which show a signal gain of 18 at 1.5 V. Another novel technique, i.e. photonic curing, has also been used to fabricate printed FETs on plastic substrates at low temperatures. Precursor-based FETs cured by UV-laser and UV-visible light demonstrate mobility values of 15 and 50 cm2/Vs, whereas nanoparticulate-based FETs by the same methods show mobilities of 12 and 8 cm2/Vs, respectively. These values in comparison with those of organic semiconductors verify the outstanding performance of FETs processed at low temperatures (in some cases, even at RT). Furthermore, the low operating voltages (≤ 2V) can be very attractive for battery compatible and portable electronic devices.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Forschungsgebiet der druckbaren Elektronik konnte in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregen, da es bestehende Grenzen der konventionellen Technik aufweicht und neue Produktionsstrategien von elektrischen Bauteilen ermöglicht. Ein Beispiel für diese neuen Möglichkeiten ist die Verwendung von flexiblen Substraten, welche in Zukunft zu flexiblen elektrischen (portablen) Geräten und Displays führen kann. Durch die druckbare Elektronik ist es möglich verschiedenste Ausgangsmaterialien für den Druckprozess zu verwenden; dementsprechend ist die Wahl geeigneter funktionaler und aktiver, druckbarer Materialien essentiell für die geeignete Anwendung in den einzelnen Bauteilen. Die zentralen Bauteile eines elektrischen Schaltkreises sind Transistoren, welche als Schalter fungieren und das elektrische Bauteil steuern. Eine bestimmte Art von Transistoren sind Feldeffekttransistoren (FETs), deren Funktion i.d.R. auf anorganischen Halbleitern als Kanalmaterialien basiert, welche durch angelegte elektrische Felder in einen elektrisch leitfähigen Zustand gebracht werden können. Inerte anorganische Halbleiter auf Oxidbasis werden aufgrund ihrer hohen elektronischen Transporteigenschaften und hohen intrinsischen Ladungsträgerbeweglichkeiten als geeignete Materialien für FETs angesehen. Eine wichtige Komponente in den FETs sind Dielektrika, welche die angelegte Feldstärke und deren Einfluss auf den Halbleiter kontrollieren. Alternativ zu Dielektrika können Elektrolyte zur Steuerung der Leitfähigkeit des Halbleiters genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit werden druckbare Feststoff-Polymer-Kompositelektrolyte (CSPEs – composite solid polymer electrolytes) als Elektrolyt gewählt, da diese hohe Kapazitäten aufweisen (1-10 µF/cm²) und sich an die Rauigkeit verschiedener Oberflächen anpassen können. Diese Eigenschaften lassen CPSEs zu idealen Elektrolyten für gedruckte FETs werden. In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Druckansätze für Halbleitermaterialien vorgestellt; dabei beruht die Erste auf Precursoren, welche durch Nachbehandlung zu einem halbleitenden Material werden, die Zweite auf Nanopartikeldispersionen welche durch Agglomeration der Partikel eine durchgängige Schicht bilden. Halbleitermaterialien aus Indiumoxidprecursoren, welche auf 300-500 °C erhitzt wurden, zeigen hierbei aussergewöhnlich hohe Feldeffektmobilitäten (126 cm²/Vs) und Anstiege der Übertragungskennlinien (68 mV/Dekade), welche nahe an der theoretischen Grenze liegen. Im Zuge dieser Arbeit wurden hierbei auch die Einflüsse der Heizraten auf die elektrischen und materialwissenschaftlichen Eigenschaften der Kanalmaterialien untersucht und komplexere elektrische Bauteile (z.B. CMOS-Inverter) aus den gedruckten Transistoren hergestellt. Ein gedruckter CMOS-Inverter mit einer Signalverstärkung von 21 bei 1,5 V konnte hierbei durch Nutzung von Kupferoxid- und Indiumoxid-Precursorverbindungen hergestellt werden. Als zweiter Ansatz wurde, um hohe Prozessierungstemperaturen zu umgehen, eine neuartige Methode, welche auf einer chemischen Agglomerationstechnik der Nanopartikel basiert, genutzt, damit Feldeffektmobilitäten von 12,5 cm²/Vs erreicht werden konnten. Diese Werte sind für nanopartikelbasierte Kanäle, die ausschließlich bei Raumtemperatur (RT) prozessiert wurden, auffallend hoch. Auch mit dieser Methode konnten erfolgreich CMOS-Schaltkreise gedruckt werden. Eine weitere Methode zur niedrigtemperatur Synthese von FETs auf Kunststoffmaterialien ist UV-Lichtbehandlung von Precursoren mit Laser oder Gasentladungslampen, welche Mobilitätswerte von 15 bzw. 50 cm²/Vs erzeugt, während bei nanopartikelbasierten FETs mit den gleichen Methoden 12 bzw. 8 cm²/VS erhalten wurden. Im Vergleich zu organischen Halbleitern zeigen diese Werte die herausragenden Eigenschaften von bei Raumtemperatur hergestellten FETs. Desweiteren sind die genutzten Betriebsspannungen von weniger als 2 V sehr attraktiv für portable Elektrogeräte welche eine tragbare Energiequelle benötigen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Electronic Materials
Date Deposited: 22 Feb 2017 13:16
Last Modified: 22 Feb 2017 13:16
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59998
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and von Seggern, Prof. Dr. Heinz
Refereed: 19 December 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5999
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