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Drucken Organischer Feldeffekttransistoren: Prozessbezogene Analyse des Ladungsträgertransports

Ganz, Simone :
Drucken Organischer Feldeffekttransistoren: Prozessbezogene Analyse des Ladungsträgertransports.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Drucken Organischer Feldeffekttransistoren: Prozessbezogene Analyse des Ladungsträgertransports
Language: German
Abstract:

In Zeiten des Internets der Dinge und dem steigenden Bedarf nach leichten, flexiblen und vor allem kostengünstigen elektronischen Bauteilen, stellt die gedruckte organische Elektronik eine gute Ergänzung zur Siliziumtechnologie dar. Obwohl von materialtechnischer Seite die Performance des amorphen Siliziums bereits von organischen Feldeffekttransistoren übertroffen wird, bedarf es immer noch einer Optimierung der zur Herstellung eingesetzten Druckprozesse. Um diese anpassen zu können, müssen die Einflüsse, die durch den Prozess entstehen, erfasst und analysiert werden. Dieser Schritt bildet den ersten Aspekt dieser Arbeit. Doch wie lassen sich diese Einflüsse detektieren? Gedruckte Schichten werden im Allgemeinen optisch auf ihre Güte geprüft. Organische Transistoren werden anhand ihrer elektrischen Performance, meist durch statische Messung der Ausgangs- und Transferkennlinien, charakterisiert. Der zweite Aspekt dieser Arbeit besteht in der Frage, ob die beiden genannten Charakterisierungsmethoden ausreichen, um einen Druckprozess bezüglich der elektrischen Güte der gedruckten Transistoren zu optimieren. In diesem Zuge wird ebenfalls die Eignung des elektronischen Time-Of-Flight-Verfahrens bezüglich dieser Fragestellung getestet. Dieses dynamische Messverfahren basiert auf der Analyse der transienten Antwort eines Transistors auf einen angelegten Rechteckpuls und wird in dieser Arbeit erstmals zur Charakterisierung gedruckter organischer bottom-contact top-gate Transistoren eingesetzt. Ebenfalls neuartig ist die Art der Transformation der Transistorantwort in eine Ladungsträgergeschwindigkeitsverteilung. Diese Verteilung gibt die Häufigkeit der Ladungsträger einer bestimmten scheinbaren Geschwindigkeit an, mit der diese den Transistorkanal überquert haben, bevor sie an der Drain-Elektrode erfasst werden. Die genannten Verfahren werden eingesetzt, um gedruckte organische Feldeffekttransistoren zu charakterisieren, die auf den polymeren p-Halbleitern PIF8-TAA und lisicon® SP400 sowie dem polymeren Dielektrikum lisicon® D320 basieren. Es wird gezeigt, dass die Performance dieser Transistoren nicht allein von der Schichtdicke des Halbleiters, sondern auch von dessen Beschichtungsprozess an sich, d.h. in diesem Fall Spin-Coating, Flexodruck oder Tiefdruck, abhängt. In diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass die durch statische bzw. dynamische Messungen hervorgebrachten Prozessfenster und Optima nicht identisch sind. Des Weiteren werden speziell im Tiefdruck die Einflüsse der Druckformgravur untersucht. Es kann ein eindeutiges Optimum des dynamischen Verhaltens für niedrige Lineaturen mit hohen Flächendeckungen gefunden werden. Bezüglich des Flexodrucks wird eine schlechtere Performance für mit Klischeematerial verunreinigte Halbleiterschichten festgestellt. Für gedruckte dielektrische Schichten kann gezeigt werden, dass dünne homogene Schichten die beste Transistorperformance liefern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In times of the internet of things and increasing demand for lightweight, flexible and cost-efficient electronic devices, printed organic electronics are a reasonable supplement to silicon-technology. Even though materials used in organic field-effect transistors have already outraced the performance of amorphous silicon in terms of materials, the printing processes that are used to produce them still need to be optimized. In order to adjust these processes, their influences need to be recorded and analyzed. This step forms the first aspect of this work. But how can these influences be detected? The quality of printed layers is usually controlled optically. Organic transistors are typically characterized electrically by static measurements, e.g. by recording their output and transfer characteristics. The second aspect of this work covers the question whether these characterization methods are sufficient for the optimization of printing processes regarding the electrical performance of a printed transistor. In this context, the electronic time-of-flight method is tested, too. This dynamic measurement method is based on the analysis of a transistors’s transient response to a rectangular voltage pulse, and is used here for the first time, to characterize printed organic bottom-contact top-gate transistors. In addition to this, a new procedure of transforming the transient response into a charge carrier velocity distribution is introduced. This distribution represents the number of charge carriers that are featured with a certain apparent velocity with which the charge carriers are said to have passed the transistor channel before being detected at drain. The above mentioned methods are used to characterize printed bottom-contact top-gate organic field-effect transistors that are based on the p-type polymeric semiconductors PIF8 TAA and lisicon® SP400 as well as the on the dielectric lisicon® D320. It is shown that the performance of these tranistors does not only depend on the thickness of the semiconducting layer, but also on the deposition process itself, e.g. spin-coating, flexographic printing and gravure printing in this case. In this context, process windows and optima are found not to be identical for static and dynamic measurements. Additionally, influences of the engraving of a gravure printing form are analyzed. Low screen frequencies and high tone values lead to an optimum in dynamic performance. For flexographic printing, a loss in performance is found for semiconducting layer that contain residuals that have come out of the flexographic printing plate. For dielectric layers, it can be shown that thin homogeneous layers deliver best transistor performances.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD) > Funktionales Drucken
Date Deposited: 14 May 2018 07:41
Last Modified: 14 May 2018 07:41
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-73148
Referees: Dörsam, Prof. Dr. Edgar and Hofmann, Prof. Dr. Klaus
Refereed: 18 October 2017
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7314
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