Diese Arbeit stellt eine eingehende Studie des sogenannten Vertikalen Organischen Feld-Effekt-Transistors (VOFET) dar, einer neuen Transistor-Geometrie, welche dem stetig wachsenden Bereich der organischen Elektronik entspringt. Dieses neuartige Bauteil hat bereits bewiesen, dass es in der Lage ist, eine der fundamentalen Einschränkungen herkömmlicher organischer Feld-Effekt-Transistoren (OFETs) zu überwinden: Die für Schaltfrequenz und An-Strom wichtige Kanallänge des Transistors kann im VOFET stark reduziert werden, ohne dass teure und komplexe Strukturierungsmethoden genutzt werden müssen. Das genaue Funktionsprinzip des VOFET ist bisher jedoch weitgehend unerforscht. Durch den Vergleich von experimentellen Daten mit Simulationsdaten des erwarteten Bauteil-Verhaltens wird hier ein erstes, grundlegendes Verständnis des VOFETs erarbeitet. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden genutzt, um bestimmte Parameter des VOFETs kontrolliert zu manipulieren. So wird beispielsweise gezeigt, dass die Morphologie des organischen Halbleiters, und damit seine Abscheidungsparameter, sowohl für die VOFET-Herstellung als auch für den Ladungsträgertransport im fertigen Bauteil eine wichtige Rolle spielen. Weiterhin wird gezeigt, dass der VOFET, genau wie der konventionelle OFET, durch das Einbringen von Kontaktdotierung deutlich verbessert werden kann. Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann gezeigt werden, dass das Funktionsprinzip des VOFETs mit dem eines konventionellen OFETs nahezu identisch ist, wenn man von geringen Abweichungen aufgrund der unterschiedlichen Geometrien absieht. Basierend auf dieser Erkenntnis wird schließlich ein VOFET präsentiert, welcher im Inversionsmodus betrieben werden kann und so die Lücke zur konventionellen MOSFET-Technologie schließt. Dieser Inversions-VOFET stellt folglich einen vielversprechenden Ansatz für leistungsfähige organische Transistoren dar, welche als Grundbausteine für komplexe Elektronikanwendungen auf flexiblen Substraten genutzt werden können.:Zusammenfassung 5
Abstract 6
Publications 13
Introduction 17
Basic Principles of Organic Semiconductors and Related Devices 23
1. The Physics of Organic Semiconductors 25
1.1. Electronic and structural properties of organic semiconductors 28
1.2. Charge carrier transport 34
1.3. Doping of organic semiconductors 43
2. Organic field-effect transistors 47
2.1. Operational principle 50
2.2. Functional interfaces in OFETs 55
2.3. Contact resistance and short-channel effects in OFETs 60
2.4. Applications of OFETs and related devices 65
3. Vertical organic transistors 77
3.1. Organic permeable-base transistors (OPBTs) and organic static induction
transistors (OSITs) 81
3.2. Organic Schottky barrier transistors (OSBTs) 85
3.3. Vertical organic field-effect transistors (VOFETs) 90
Study of the Vertical Organic Field-Effect Transistor 97
4. Methods and Materials 99
4.1. Materials 101
4.2. Sample preparation 104
4.3. Sample characterisation 110
5. Material Optimisation for VOFETs 121
5.1. Variation of the source insulator 123
5.2. Effects of the pentacene morphology 133
5.3. Summary 137
6. Charge Transport in the VOFET 139
6.1. Simulating current flow in the VOFET 141
6.2. The vertical channel 154
6.3. Charge transport in pentacene 161
6.4. Effects of mobility and layer thickness in pentacene VOFETs 167
6.5. Summary 175
7. Doping Concepts for VOFETs 177
7.1. Doping of the bulk regions 179
7.2. Selective contact doping 183
7.3.Impact on the understanding of VOFET operation 194
7.4. Summary 198
8. Vertical Organic Inversion Transistors 201
8.1. Discussion of suitable material systems 204
8.2. Realising inversion VOFETs 207
8.3. Summary 212
9. Conclusion and Outlook 215
9.1. Conclusion 217
9.2. Outlook 219
Appendix 221
A. XRD spectra of pentacene films 223
B. Additional simulation data 227
Bibliography 229
Addresses 257
Important Symbols, Constants and Abbreviations 263
List of Figures 271
Acknowledgements 283 / This work represents a comprehensive study of the so-called vertical organic field-effect transistor (VOFET), a novel transistor geometry originating from the fast-growing field of organic electronics. This device has already demonstrated its potential to overcome one of the fundamental limitations met in conventional organic transistor architectures (OFETs): In the VOFET, it is possible to reduce the channel length and thus increase On-state current and switching frequency without using expensive and complex structuring methods. Yet the VOFET's operational principles are presently not understood in full detail. By simulating the expected device behaviour and correlating it with experimental findings, a basic understanding of the charge transport in VOFETs is established and this knowledge is subsequently applied in order to manipulate certain parameters and materials in the VOFET. In particular, it is found that the morphology, and thus the deposition parameters, of the organic semiconductor play an important role, both for a successful VOFET fabrication and for the charge transport in the finished device. Furthermore, it is shown that VOFETs, just like their conventional counterparts, are greatly improved by the application of contact doping. This result, in turn, is used to demonstrate that the VOFET essentially works in almost exactly the same way as a conventional OFET, with only minor changes due to the altered contact arrangement. Working from this realisation, a vertical organic transistor is developed which operates in the inversion regime, thus closing the gap to conventional MOSFET technology and providing a truly promising candidate for high-performance organic transistors as the building blocks for advanced, flexible electronics applications.:Zusammenfassung 5
Abstract 6
Publications 13
Introduction 17
Basic Principles of Organic Semiconductors and Related Devices 23
1. The Physics of Organic Semiconductors 25
1.1. Electronic and structural properties of organic semiconductors 28
1.2. Charge carrier transport 34
1.3. Doping of organic semiconductors 43
2. Organic field-effect transistors 47
2.1. Operational principle 50
2.2. Functional interfaces in OFETs 55
2.3. Contact resistance and short-channel effects in OFETs 60
2.4. Applications of OFETs and related devices 65
3. Vertical organic transistors 77
3.1. Organic permeable-base transistors (OPBTs) and organic static induction
transistors (OSITs) 81
3.2. Organic Schottky barrier transistors (OSBTs) 85
3.3. Vertical organic field-effect transistors (VOFETs) 90
Study of the Vertical Organic Field-Effect Transistor 97
4. Methods and Materials 99
4.1. Materials 101
4.2. Sample preparation 104
4.3. Sample characterisation 110
5. Material Optimisation for VOFETs 121
5.1. Variation of the source insulator 123
5.2. Effects of the pentacene morphology 133
5.3. Summary 137
6. Charge Transport in the VOFET 139
6.1. Simulating current flow in the VOFET 141
6.2. The vertical channel 154
6.3. Charge transport in pentacene 161
6.4. Effects of mobility and layer thickness in pentacene VOFETs 167
6.5. Summary 175
7. Doping Concepts for VOFETs 177
7.1. Doping of the bulk regions 179
7.2. Selective contact doping 183
7.3.Impact on the understanding of VOFET operation 194
7.4. Summary 198
8. Vertical Organic Inversion Transistors 201
8.1. Discussion of suitable material systems 204
8.2. Realising inversion VOFETs 207
8.3. Summary 212
9. Conclusion and Outlook 215
9.1. Conclusion 217
9.2. Outlook 219
Appendix 221
A. XRD spectra of pentacene films 223
B. Additional simulation data 227
Bibliography 229
Addresses 257
Important Symbols, Constants and Abbreviations 263
List of Figures 271
Acknowledgements 283
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:29688 |
| Date | 15 July 2016 |
| Creators | Günther, Alrun Aline |
| Contributors | Leo, Karl, Lüssem, Björn, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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