ZnO Dünnfilmtransistoren für druckbare Elektronik

ZnO Thin Film Transistors for Printable Electronics

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-28286
  • In dieser Arbeit werden Zinkoxid-Nanopartikel aus der Gasphase für die Herstellung von druckbaren elektronischen Schaltungen untersucht. Zunächst werden die Eigenschaften der im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 1161/1 mit Projektpartnern entwickelten Dispersion der ZnO-Nanopartikel vorgestellt. Ein hoher, vom Dispergierprozess abhängiger Fremdstoffgehalt der Dispersionen wird gemessen. Es folgt die morphologische und elektrische Charakterisierung der mittels Schleuderverfahren auf thermisch oxidierte Siliciumträger aufgebrachten ZnO-Nanopartikelschichten. Diese sind über die Probenfläche homogen und geschlossen. Die ZnO-Schichten werden als Kanalmaterial für einen teilweiseIn dieser Arbeit werden Zinkoxid-Nanopartikel aus der Gasphase für die Herstellung von druckbaren elektronischen Schaltungen untersucht. Zunächst werden die Eigenschaften der im Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 1161/1 mit Projektpartnern entwickelten Dispersion der ZnO-Nanopartikel vorgestellt. Ein hoher, vom Dispergierprozess abhängiger Fremdstoffgehalt der Dispersionen wird gemessen. Es folgt die morphologische und elektrische Charakterisierung der mittels Schleuderverfahren auf thermisch oxidierte Siliciumträger aufgebrachten ZnO-Nanopartikelschichten. Diese sind über die Probenfläche homogen und geschlossen. Die ZnO-Schichten werden als Kanalmaterial für einen teilweise gedruckten Dünnfilm-Feldeffekttransistor verwendet. Im Bereich der Prozesstemperatur von 300°C bis 400°C werden funktionierende Transistoren mit einer Sättigungsbeweglichkeit von bis zu 5∙10- 2 cm2/Vs hergestellt. Es wird festgestellt, dass die Prozesstemperaturen einen großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Transistoren haben, ohne dass eine Veränderung der morphologischen Eigenschaften der Schichten beobachtet wird. Ein Modell für die Dünnfilm-Feldeffekttransistoren wird vom Modell des JFET bzw. des Langkanal-MOSFET abgeleitet und anhand der gemessenen Kennlinien überprüft. Darüberhinaus werden temperaturabhängige elektrische Messungen durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Ladungstransport in den untersuchten Schichten durch energetische Barrieren an den Korngrenzen limitiert ist, welche von den Ladungsträgern durch thermionische Emission überwunden werden. Die Adsorption von Sauerstoff an den Partikeloberflächen erhöht die energetischen Barrieren und senkt damit den Strom im ausgeschalteten Zustand um bis zu drei Größenordnungen, während die Adsorption von Wassermolekülen einen gegenteiligen Effekt hat. Das Verhalten der ZnO-Nanopartikelschicht wird mit einem Bändermodell beschrieben, das die Oberflächenbelegung der Partikel berücksichtigt. Anhand der Ergebnisse wird die Eignung der ZnO-Partikel aus der Gasphase für druckbare Elektronik bewertet. Die Realisierung der Transistoren mit einem top-Gate wird zur Optimierung der Ladungsträgerbeweglichkeit vorgeschlagen. Für die Herstellung von vollständig gedruckten Bauelementen auf Basis von anorganischen nanopartikulären Materialien werden Indiumzinnoxid und Aluminiumoxid als Basis für flüssig prozessierte Leiter- bzw. Isolatorschichten vorgestellt.show moreshow less
  • In this work, zinc oxide (ZnO) nanoparticles synthesized in the gas phase are investigated for the fabrication of printed electronic circuits. First, a dispersion of the ZnO nanoparticles engineered in cooperation with project partners in the research training group GRK 1161/1 is characterized. A high contamination level of the dispersions which also shows a dependency on the dispersion process is found. The morphological and electrical characterization of the ZnO layers deposited onto thermally oxidized silicon wafers by spin-coating technique is discussed. The ZnO layers are homogeneous and densely packed over the sample area. The ZnO layers are utilized as channel material for partiallyIn this work, zinc oxide (ZnO) nanoparticles synthesized in the gas phase are investigated for the fabrication of printed electronic circuits. First, a dispersion of the ZnO nanoparticles engineered in cooperation with project partners in the research training group GRK 1161/1 is characterized. A high contamination level of the dispersions which also shows a dependency on the dispersion process is found. The morphological and electrical characterization of the ZnO layers deposited onto thermally oxidized silicon wafers by spin-coating technique is discussed. The ZnO layers are homogeneous and densely packed over the sample area. The ZnO layers are utilized as channel material for partially printed field effect transistors. With a process temperature range of 300°C to 400°C, operating transistors with a saturation mobility of up to 5∙10-2 cm2/Vs are realized. Remarkably, the process temperature has major influence on the electrical characteristics of the transistors, although no change in morphological properties can be seen. A model for the TFTs based on the model for JFETs and for bulk-MOSFETs, respectively, is derived and evaluated by means of measured I-V-curves. Furthermore, temperature dependent electrical measurements are conducted. It is found that charge transport in the layers under investigation is limited by energetic barriers at grain boundaries which are crossed by charge carriers by thermionic emission. Adsorption of oxygen on particle surfaces can increase the energetic barriers and thereby lower the off-current of ZnO transistors by three orders of magnitude, while adsorption of water molecules has the opposite effect. The behavior of the ZnO nanoparticle layer is described by an energy band model which takes into account the surface adsorption state of the particles. Based on the results, the applicability of ZnO nanoparticles synthesized in the gas phase for printed electronics is discussed. The manufacture of top-gate transistors is proposed for enhancement of charge carrier mobility. For the fabrication of fully printed electron devices based on inorganic particulate materials, tin-doped indium oxide and aluminum oxide are introduced as a basis for solution processed conducting and insulating layers, respectively.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sabine Walther
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-28286
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/07/29
Release Date:2011/09/07
Tag:Druckbare Elektronik
Printed Electronics
SWD-Keyword:Dünnschichttransistor; Flüssiger Halbleiter; Halbleiterschicht; Nanopartikel; Wide-gap-Halbleiter; Zinkoxid; Zwei-Sechs-Halbleiter
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
PACS-Classification:60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 68.00.00 Surfaces and interfaces; thin films and nanosystems (structure and nonelectronic properties) (for surface and interface chemistry, see 82.65.+r, for surface magnetism, see 75.70.Rf) / 68.35.-p Solid surfaces and solid-solid interfaces: structure and energetics / 68.35.B- Structure of clean surfaces (and surface reconstruction) / 68.35.bg Semiconductors
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.61.-r Electrical properties of specific thin films (for optical properties of thin films, see 78.20.-e and 78.66.-w; for magnetic properties of thin films, see 75.70.-i) / 73.61.At Metal and metallic alloys
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 81.00.00 Materials science / 81.07.-b Nanoscale materials and structures: fabrication and characterization (for structure of nanoscale materials, see 61.46.-w; for nanostructured materials in electrochemistry, see 82.45.Yz; for nanoparticles in polymers, see 82.35.Np in physical chemistry and
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 81.00.00 Materials science / 81.07.-b Nanoscale materials and structures: fabrication and characterization (for structure of nanoscale materials, see 61.46.-w; for nanostructured materials in electrochemistry, see 82.45.Yz; for nanoparticles in polymers, see 82.35.Np in physical chemistry and / 81.07.Wx Nanopowders
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