Organische Feld-Effekt Transistoren (OFET) und Organische Elektrochemische Transistoren (OECT)

Organische Elektrochemische Transistoren (OECTs) und Organische Feldeffekttransistoren (OFETs) sind beide wesentliche Bestandteile von Organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs). OECTs arbeiten, indem sie die Leitfähigkeit eines organischen Kanals durch den elektrochemischen Dotierungsprozess modulieren, was eine hohe Empfindlichkeit und niedrige Betriebsspannungen bietet und sie somit für Bioelektronik und Sensoranwendungen geeignet macht. Im Gegensatz dazu steuern OFETs den Stromfluss durch ein elektrisches Feld, das über eine Gate-Elektrode angelegt wird, was hohe Schaltgeschwindigkeiten und Stabilität bietet und somit vorteilhaft für Displaytechnologien und flexible Elektronik ist. Während OECTs in Umgebungen mit wässriger Verträglichkeit und Biokompatibilität besonders gut abschneiden, sind OFETs besser für Anwendungen geeignet, die eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und Geräteintegration erfordern. Sie sind besonders nützlich für Bioassays und neuromorphe Schaltungen.

In Bioassays können OECTs biologische Signale mit hoher Empfindlichkeit erkennen, was sie ideal für Anwendungen wie die Überwachung des Glukosespiegels, den Nachweis von Krankheitserregern oder die Messung von Neurotransmitterkonzentrationen macht. In der neuromorphen Datenverarbeitung können OECTs das Verhalten von biologischen Neuronen und Synapsen nachahmen und bieten damit das Potenzial für die Entwicklung fortschrittlicher Computersysteme, die eine gehirnähnliche Verarbeitung nachahmen.

Anordnungen von OECTs können so gestaltet werden, dass sie neuronale Netze nachahmen und so die Entwicklung neuromorpher Computersysteme erleichtern. Diese Arrays können das Verhalten von Neuronen und Synapsen nachbilden und so fortgeschrittene Rechenaufgaben wie Mustererkennung und Lernen ermöglichen. Beide Transistortypen nutzen die einzigartigen Eigenschaften organischer Materialien und bieten komplementäre Stärken innerhalb der breiteren Kategorie der OTFTs. 

Insgesamt ist die präzise Gestaltung und Auswahl der Elektrodenmaterialien und -geometrien entscheidend für die optimale Leistung und Zuverlässigkeit von OECTs und OFETs innerhalb der OTFT-Technologie. Materialien wie Gold, Platin oder leitfähige Polymere werden häufig verwendet. Die Oberfläche der Elektroden kann funktionalisiert werden, um die Wechselwirkung mit biologischen Molekülen zu verbessern.

Die Verwendung von Silizium als Substrat für OECTs bietet eine stabile und äußerst reproduzierbare Plattform, die ein präzises Elektrodendesign ermöglicht. Siliziumsubstrate ermöglichen die Integration von Mikrofabrikationstechniken und damit die Herstellung von hochreproduzierbaren und fein strukturierten Elektroden. Diese Präzision im Elektrodendesign verbessert die Leistung und Empfindlichkeit der OECTs, spart Zeit und erhöht die Relevanz der Experimente.

Die Leistung der Transistoren wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, z. B. der Kapazität des Dielektrikums, der Ladungsträgerbeweglichkeit, des Kontaktwiderstands und der Leitfähigkeit. Die optimale Abstimmung dieser Faktoren ist entscheidend für die Entwicklung von OFETs. Die reproduzierbare Charakterisierung dieser Parameter ist dabei Voraussetzung, um die Leistung und Zuverlässigkeit verbessern zu können.

Dielektrikum-Kapazität

Die Kapazität des Dielektrikums in einem OFET beeinflusst direkt das Ausmaß der Ladungsakkumulation an der Grenzfläche zum organischen Halbleiter. Eine größere Kapazität bei einer gegebenen Gate-Spannung ermöglicht eine höhere Leitfähigkeit im Kanal.

Ladungsträgerbeweglichkeit

Die Beweglichkeit der Ladungsträger ist ein Maß dafür, wie leicht Elektronen oder Löcher durch den Halbleiterkanal fließen können. Eine höhere Beweglichkeit führt zu einer schnelleren Reaktion des OFETs auf Änderungen der Gate-Spannung und verbessert die Leistung in Hochfrequenzanwendungen. Die Beweglichkeit kann u.a. durch die Wahl des organischen Materials, die Prozessierung und die Mikrostruktur des Halbleiters beeinflusst werden.

Kontaktwiderstand

Der Kontaktwiderstand zwischen den Elektroden und dem organischen Halbleiter spielt eine entscheidende Rolle für eine effiziente Ladungsinjektion und -extraktion. Ein hoher Kontaktwiderstand kann zu Spannungsabfällen führen, die die Leistung des OFETs beeinträchtigen, insbesondere bei niedrigen Betriebsspannungen.

Er wird durch die Halbleiter-Metall-Grenzfläche, die Geometrie des Bauelements und die Materialwahl beeinflusst. In Kombination mit einer Verringerung der Kanallänge kann die Grenzfrequenz des OFETs durch eine Reduzierung des Kontaktwiderstands erhöht werden.

Leitfähigkeit

Die Leitfähigkeit im Halbleiterkanal ist entscheidend für die Gesamtleistung des OFETs. Sie wird durch die Dichte der Ladungsträger und ihre Beweglichkeit bestimmt. Höhere Leitfähigkeit ermöglicht effizienteren Ladungstransport und verbessert die elektrische Leistung des OFETs.

Charakterisierung von Organischen Feldeffekttransistoren

Zwei primäre Arten von Messungen werden häufig verwendet: die Transferkennlinien und die Ausgangskennlinien. Jede liefert wichtige Informationen über das Verhalten und die Leistung des OFETs. Diese Kennlinien geben Auskunft über die Betriebsparameter der OFETs und lassen Rückschlüsse zu, wie sich z. B. Änderungen in Struktur und Materialien auf die Leistung auswirken. Sie sind grundlegende Werkzeuge für das Design und die Optimierung von OFET-basierten Geräten.

Transferkennlinien

Das Transferkennlinien-Diagramm eines OFETs wird durch das Plotten des Drain-Stroms (I_DS) über die Gate-Spannung (V_GS) bei konstanter Drain-Spannung (V_DS) bestimmt. Dieses Diagramm hilft zu verstehen, wie die Gate-Spannung die Leitfähigkeit des Halbleiterkanals steuert.

Schwellenspannung (V_GS_threshold)

Dies ist die Gate-Spannung, bei der der Transistor zu leiten beginnt. Unterhalb dieser Spannung ist der Drain-Strom minimal und beschreibt den Aus-Zustand.

Subthreshold-Slope

Diese Steigung zeigt an, wie effektiv der Transistor ausgeschaltet werden kann. Eine steilere Steigung bedeutet besseres Schaltverhalten.

Ein-/Aus-Strom-Verhältnis: Dieses Verhältnis misst den Unterschied im Stromfluss zwischen dem Ein-Zustand und dem Aus-Zustand. Höhere Verhältnisse sind für eine bessere Transistorleistung angestrebt.

Ausgangskennlinien

Das Ausgangskennlinien-Diagramm eines OFETs wird durch das Plotten des Drain-Stroms (I_DS) über die Drain-Spannung (V_DS) für verschiedene feste Werte der Gate-Spannung (V_GS) erzeugt. Dieses Diagramm zeigt, wie sich der Drain-Strom mit der Drain-Spannung ändert und gibt Einblick in das Verhalten des OFETs unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Sättigungsbereich: Wenn V_DS groß genug ist, dass eine weitere Erhöhung von V_DS den Strom I_DS nicht signifikant erhöht, befindet sich der Transistor in der Sättigung. Der Strom flacht ab, was darauf hinweist, dass die maximale Kanalleitfähigkeit für eine gegebene V_GS erreicht wurde.

Linearbereich: Wenn V_DS klein ist und Erhöhungen von V_DS zu proportionalen Erhöhungen von I_DS führen, arbeitet der OFET im Linearbereich. Dieses Verhalten ähnelt dem eines Widerstands.

Abscheidung und Handhabung

Die häufigsten Materialien für OFETs sind organische Polymere oder kleine Moleküle. Für den Einsatz in Anwendungen werden diese Materialien auf Substrate wie Glas, Kunststoff oder Papier aufgebracht.

Testen von Materialien mit Substraten

1. Materialauswahl: Das organische Material, das die gewünschten elektrischen Eigenschaften aufweist, muss ausgewählt werden.
2. Vorbereitung des Substrats: Das Substrat muss sauber und frei von Verunreinigungen sein. Es kann notwendig sein, das Substrat zu behandeln, um die Haftung des organischen Materials zu verbessern.
3. Aufbringen des Materials: Das organische Material kann auf das Substrat auf verschiedene Weise aufgebracht werden:

• Chemical Vapor Deposition (CVD)
• Physical Vapor Deposition (PVD)
• Atomic Layer Deposition (ALD)
• Spray-coating
• Spin-coating
• Dip-coating
• Dispensing
• Printing
• Sputtering

4. Charakterisierung: Nach der Herstellung des OFETs werden Messungen durchgeführt, um die elektrischen Eigenschaften wie Ladungsträgerbeweglichkeit, Schwellenspannung und Strom-Ein/Aus-Verhältnis zu bestimmen.

Lagerung

Bitte lagern Sie die Wafer an einem kühlen und dunklen Ort und schützen Sie sie vor Sonnenlicht. Lagertemperatur: zwischen 15°C und 25°C.

Empfehlung zur Entfernung des Foto-Lacks (Resist)

Schritt 1: Tauchen Sie die OFET Chips 15 Minuten lang unter gereinigtes Aceton, abgedeckt mit einem Deckel. Vermeiden Sie das Berühren von OFET-Substraten miteinander, um Kratzer bzw. Schäden an den Goldstrukturen zu verhindern.

Schritt 2: Nehmen Sie die Chips nach den 15 Minuten aus dem Aceton und spülen Sie sie sofort mit IPA, um sie nach der Acetonbehandlung nass zu halten. Trocknen Sie sie dann mit Stickstoff 5.0, um Fleckenbildung durch Trocknung zu verhindern.

Schritt 3: Legen Sie die Substrate für weitere 5 Minuten in ein neues Acetonbad.

Schritt 4: Die OFET-Substrate werden dann einzeln aus dem Acetonbad genommen und sofort (nass halten!) mit IPA gespült, bevor sie mit Stickstoff 5.0 getrocknet werden.

Schritt 5: Halten Sie die Substrate 10 Minuten lang unter gereinigtes IPA.

Schritt 6: Überführen Sie die OFET-Proben in einen sauberen Becher mit gereinigtem IPA und setzen Sie sie für 5 Minuten in ein Ultraschallbad (bei 60°C). Das Ultraschallbad stellt sicher, dass die Resist-Partikel, die in den vorherigen Schritten zurückgeblieben sind, während des Prozesses von selbst abfallen und ein sauberes OFET-Substrat hinterlassen. Vorsicht ist geboten, wenn die Substrate nach der Reinigung gehandhabt werden, um Schäden oder Verunreinigungen der Transistorstrukturen zu vermeiden. Befolgen Sie die Sicherheitsanweisungen für die Verwendung des Ultraschallbads in Kombination mit IPA!

Schritt 7: Nach der Ultraschallbehandlung sollten die Substrate mit OFET-Proben mit deionisiertem Wasser gereinigt und anschließend mit Stickstoff 5.0 getrocknet werden.

Ein weiterer Schritt zur Vereinfachung der Materialcharakterisierung ist die Analyse von logischen Basisschaltungen. Dazu werden bis zu 36 Einzeltransistoren zu Inverter- und Ringoszillatoren verschaltet. Das Monitoring der aktiven Materialien erfordert dann lediglich eine Frequenzmessung der Ringoszillatoren, die mit wenig Aufwand automatisiert werden kann. Die deutlich aufwendigere Messung und Auswertung der einzelnen Transistorkennlinien kann dabei entfallen. Darüber hinaus erhält man nicht nur zuverlässige Informationen zur Logikfähigkeit, sondern bestimmt gleichzeitig die dynamischen Eigenschaften der Inverter.

Im zur Verfügung stehenden Layout der Logikschaltungen ist ein erster Block mit elf Einzeltransistoren enthalten, der eine vollständige Parameterextraktion für die Schaltungssimulation ermöglicht. Ein zweiter Block enthält vier Inverter, die sich identisch in den Oszillatorstufen wiederfinden. Diese separat zugänglichen Inverterstufen ermöglichen eine detaillierte Analyse des transienten Verhaltens für den Fall, dass die Verstärkung der einzelnen Inverterstufen für ein Anschwingen der Ring-Oszillatoren nicht ausreicht. Der dritte Block enthält Ring-Oszillatoren mit sieben bzw. fünfzehn Stufen. Jede Ringschaltung besitzt einen dreistufigen Ausgangsverstärker, der die Oszillation im Ring vom Ausgang entkoppelt, sowie eine direkte Frequenzmessung ohne externe Verstärkung gestattet.

Die LOFET-Substrate werden ebenfalls in bottom-gate Architektur realisiert, so dass nach Abscheidung der Halbleiterschicht auf dem Chip funktionsfähige Schaltungen vorliegen.