Mechanische Druckempfindlichkeit organischer Feldeffekttransistoren im Hinblick auf zukünftige taktile Sensorarrays
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielsetzung dieses Projektes Arbeit war die systematische Untersuchung und die Optimierung von organischen Dünnschichttransistoren auf Basis des organischen Halbleiters Pentacen und die Aufklärung der Ursache der mechanischen Druckabhängigkeit der Kennlinien Im Verlauf des Projektes sind die Auswirkungen der Morphologie der halbleitenden Pentacenschicht auf die elektrischen Eigenschaften der hergestellten organischen Dünnschichttransistoren auf Siliziumsubstrat mit Siliziumdioxid als Dielektrikum systematisch untersucht worden. Die Morphologie wurde durch Änderungen der Herstellungsparameter beeinflusst. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die Kristallgröße keinen Auswirkungen auf die Ladungsträgerbeweglichkeit im Halbleiter hat. Unter Berücksichtigung der Parameter Aufdampfgeschwindigkeit und freie Oberflächenenergie wurde eine Simulation der Kristallisation auf Basis der diffusionslimitierten Aggregation entwickelt, die eine gute Übereinstimmung mit den morphologischen Untersuchungen aufweist. In dem Zusammenhang konnte herausgestellt werden, dass eine Modifikation der Substratoberfläche, die zu einer Änderung der freien Oberflächenenergie führt, eine entscheidende Verbesserung der Kristallinität der Pentacenschicht, aber auch der Ladungsträgerbeweglichkeit und des Einschaltverhaltens der Transistoren zur Folge hat. Ebenfalls verbessert sich die elektrische Stabilität der Transistoren gegenüber Einflüssen wie Wasser und Degradation. Diese Erkenntnisse sind erfolgreich auf andere Substrate und Dielektrika übertragen worden. Durch die Optimierung der Modifikation und der Herstellungsparameter konnten Dünnschichttransistoren mit nicht nachgereinigtem Pentacen mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit von bis zu 1 cm2/Vs und einer Switch-On-Voltage von etwa 0 Volt reproduzierbar hergestellt werden. An diesen Transistoren sind mechanische Druckmessungen durchgeführt worden. Mechanischer Druck verändert die elektrischen Eigenschaften der Transistoren im Unterschwellbereich reversibel. Unerwarteterweise konnte der Effekt auf die Änderung des Verhältnisses zwischen Volumen- und Dünnschichtphase in mischkristallinen Schichten zurückgeführt, wie sie in Biegeversuchen beobachtet werden kann. Durch diese Erkenntnis wird es möglich, gezielt druck-empfindliche und druckunempfindliche Transistoren herzustellen. Untersuchungen des Feldverlaufs mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops zeigten einen inhomogenen Feldverlauf im Transistorkanal, der durch die unterschiedliche Leitfähigkeit von Körnern und Korngrenzen verursacht wird. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde das elektrische Transistormodell um Übergangsbereiche zwischen den Arbeitsbereichen erweitert und so eine verbesserte Simulation der Kennlinien erreicht. Auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse wurde ein Modell entwickelt, welches insbesondere die in den Strukturen vorhandenen Haftstellen und die Verteilung der Ladungsträger in den Haftstellen sowie im HOMO in Abhängigkeit vom Vorzustand berücksichtigt. Dieses Modell diente zur Erklärung der Hysterese in der Eingangskennlinie und des Drainstromverlaufs bei einer sprunghaften Änderung der Gate-Source-Spannung. Eine Analyse der möglichen Ursachen für Haftstellen zeigte ferner auf, welche Einflüsse für eine Optimierung der elektrischen Eigenschaften der Transistoren und der Druckabhängigkeit der Kennlinien berücksichtigt werden müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Force sensor comprising organic field effect transistors and pressure sensor, position sensor and fingerprint sensor that are based on the said force sensor“ (WO 2005 / 096388 A2)
