Fast alle Transistoren basieren auf anorganischen Halbleitern, wie zum Beispiel Silizium. Trotz dessen
vielfälitger Verwendung besitzt es auch einige Nachteile. Erstens muss die kristalline Reinheit sehr hoch sein, um gute Bauteileigenschaften zu erhalten. Um dies erreichen zu können sind teure und aufwändige Herstellungsmethoden nötig. Für spezielle Anwendungen wie zum Beispiel radio-frequency
identification (RFID)-Systeme sind dessen hohe Herstellungskosten nicht geeignet. Auf der anderen
Seite besitzt Zink-Zinn-Oxid (ZTO), als ein amorpher Metalloxid Halbleiter (AOS), welcher aus der Flüssigphase hergestellt wird, trotz seines amorphen Charakters gute Transistorkennwerte. Im Gegensatz zum umfassend untersuchten Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) enthält es nicht das teure Indium. In dieser Arbeit wurde eine Prekursorenroute entwickelt, die nicht auf dem gängigen, aber giftigen
Methylglycol basiert. Als Hauptlösungsmittel diente Ethanol, mit Ethylenglycol als optionalem Zweitlösungsmittel.
Mit Hilfe dieser Prekursorlösungen konnten dünne ZTO-Schichten entweder mittels Aufschleudern oder Drucken hergestellt werden. Untersuchungen ergaben, dass die erhaltenen Filme eine geringe Oberflächenrauigkeit haben und hauptsächlich eine amorphe Struktur zeigen, in der Zinkoxid
Nanokristallite enthalten sind. Die prozessierten ZTO-Schichten sind transparent und zeigen eine n-Dotierung. Anhand Untersuchungen von Bottom-Gate-Transistoren konnte herausgefunden werden, dass ein Verhältnis von Zink zu Zinn von 7:3 die besten Transistorkennwerte erzielte. Ferner wurde gezeigt, dass ein Ersatz von 40% Ethanol durch Ethylenglycol die Bauteilkennwerte verbessern konnte
und dass Salzsäure, welche als Stabilisator in der Prekursorenlösung dient, Elektronenfallen erzeugen
kann. Mit Hilfe eines Multischichtenansatzes von gedruckten ZTO-Schichten war es möglich, die Transistorkennwerte
zu verbessern. Die höchste je berichtete Elektronenmobilität von 7.8 cm^2V^-1s^-1 für gedruckte ZTO-Transistoren wurde bei acht prozessierten Schichten erhalten. Es konnte des weiteren gezeigt werden, dass ein Transistor, der aus mehr als vier ZTO-Schichten aufgebaut ist, eine höhere
Widerstandsfähigkeit gegenüber positivem Gate Spannungsstresstest (PBS) und gegenüber Wasser als
Elektronendonator und Sauerstoff als Elektronenakzeptor im ZTO-System zeigt. Transistoren, welche mehr als vier ZTO-Schichten besitzen, zeigen gute Kennwerte, obwohl sie bei 350 °C anstatt der Standardeinstellung von 500 °C ausgeheizt wurden. Der Grund für die besseren Transistor-Kennwerte und
die höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Gasen in der Atmosphäre mittels Multischichtenansatzes
konnte auf eine verbesserte Oberflächenbedeckung und eine höhere Filmqualität zurückgeführt werden.
Des weiteren war es möglich einen Aufbau für zeitabhängige Transistormessungen zu realisieren und
die ersten Ergebnisse zeigten, dass die schnellsten Einschaltzeiten gemessen werden konnten, wenn der
Transistor im linearen Bereich betrieben wird. Die höchste Schaltfrequenz eines Transistors wurde mit 1.33MHz gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass der Einschaltvorgang anhand von zwei Zeitkonstanten beschrieben werden kann. Es ist anzunehmen, dass die kurze Zeitkonstante den Transport der
injezierten Ladungsträger repräsentiert, während die lange Zeitkonstante den Transport der gefangenen
Ladungsträger darstellt. Außerdem konnten funktionale ZTO Top-Gate-Transistoren mit den organischen Dielektrika Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS) und ein vernetzbares Copolymer (PAZ) realisiert werden.
Es konnte gezeigt werden, dass eine Dicke des Dielektrikums PMMA von mindestens 490 nm nötig ist, um gute Transistor-Kennwerte bei niedrigen Leckströmen zu erhalten. Die besten Top-Gate-Transistoren konnten durch eine veränderte Elektrodenstruktur realisiert werden, die eine Überlappung
zwischen Source/Drain und Gate-Elektode reduziert. Der beste gedruckte ZTO Top-Gate Transistor, der diese Elektrodenanordnung in Verbindung mit PMMA benutzt, zeigte eine Elektronenbeweglichkeit von bis zu 4.4 cm^2V^-1s^-1. Dieser Wert ist der höchste je berichtete Wert für einen gedruckten ZTO/PMMA Top-Gate-Transistor. Im Vergleich dazu zeigten die Top-Gate-Transistoren mit PS und PAZ deutlich
geringere Transistorkennwerte. Diese Messergebnisse konnten mit einer besseren Benetzung des polareren PMMA auf dem eher hydrophilen ZTO begründet werden.
Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse könnten zur Prozessierung von kosteneffizienten, umweltfreundlichen,
gedruckten und leistungsfähigen Dünnschichttransistoren beitragen. | German |