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Publié par | ludwig-maximilians-universitat_munchen |
Publié le | 01 janvier 2010 |
Nombre de lectures | 21 |
Langue | English |
Poids de l'ouvrage | 16 Mo |
Extrait
Spatially resolved electronic and
optoelectronic measurements of
pentacene thin lm transistors
Matthias Fiebig
Munchen 2010Spatially resolved electronic and
optoelectronic measurements of
pentacene thin lm transistors
Matthias Fiebig
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Matthias Fiebig
aus Munc hen
Munc hen, den 07.09.2010Erstgutachter: PD Dr. B. Nickel
Zweitgutachter: Prof. Dr. J. P. Kotthaus
Tag der mundlic hen Prufung: 18.10.2010Contents
Zusammenfassung xiii
Abstract xv
1 Introduction 1
2 Basics of eld e ect devices 5
2.1 Metal-semiconductor-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Formation of an ideal MS-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Depletion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Formation of a surface charge dominated junction . . . . . . . . . . 8
2.2 Metal-insulator-semiconductor-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Formation of MIS-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Ideal MIS-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Surface space-charge region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Thin lm transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Principle of a TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Current-voltage characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Characteristic transport parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Organic semiconductors 27
3.1 Overview of organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Molecular orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 Conjugated electron system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Excitation states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Organic crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Structure of pentacene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Fabrication of pentacene TFTs 43
4.1 Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.1 Silicon oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43vi CONTENTS
4.1.2 Polymer bu er layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Pentacene deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 Electronic properties of pentacene TFTs 51
5.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Basic transport characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.1 Conductance measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.2 Transconductance measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Deviations from ideal behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.1 Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.2 Threshold voltage shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3.3 Nonohmic contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Simulation of basic electronic circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6 Electronic thickness dependent in-situ measurements 65
6.1 Principle idea of in-situ measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Experimental implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.2.1 Measurement setup of in-situ measurements . . . . . . . . . . . . . 66
6.2.2 Sample preparation forts . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.3 Mounting of the sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2.4 Measurement procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.1 Thickness dependent conductance and transconductance . . . . . . 72
6.3.2 Thickness-dept transport characteristics . . . . . . . . . . . . 74
6.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7 Spatially resolved optoelectronic measurements 83
7.1 Principle of laser scanning microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Measurement setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.3 Absorption measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3.1 Absorption spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.3.2 Spatially resolved absorption - Davydov splitting . . . . . . . . . . 92
7.4 Photoluminescence and Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.4.1 Spatial distribution and yield of photoluminescence . . . . . . . . . 93
7.4.2 Discussion of low photoluminescene signal - Exciton dynamics . . . 97
7.4.3 Photoluminescence spectrum and Raman . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.5 Optoelectronic properties of pentacene transistors . . . . . . . . . . . . . . 101
7.5.1 Electrical response to global illumination . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.5.2 Experimental results of spatially resolved photoresponse measurements104
7.5.3 Discussion of spatially resolved photoresponse measurements . . . . 111
8 Conclusion 125Contents vii
Acknowledgment 128
Bibliography 131
List of Publications 139
Danksagung 140viii ContentsList of Figures
1.1 Mobility evolution of organic thin lm transistors . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Formation of an ideal MS-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Energy-diagram of an MS-junction under bias . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Depletion width and maximum electric eld at MS-junction . . . . . . . . 9
2.4 Formation of a surface charge dominated MS-junction. . . . . . . . . . . . 10
2.5 Sketch of a MIS-device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.6 Energy-band diagram of a MIS-junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 of an ideal MIS-junction . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.8 diagram of a MIS-structure at the semiconductor surface . . . 13
2.9 Debye length in dependence on the bulk carrier concentration . . . . . . . 15
2.10 Space charge density in the semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.11 Sketch of TFT designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.12 Spatially dependence of band bending in a TFT . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.13 Conductance of a TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.14 Determination of characteristic transport parameters in a TFT . . . . . . . 23
3.1 Structures of selected semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Chemical structures of polyacenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Excitations scheme of an organic molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Davydov splitting in an anthracene crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 Energy-diagram of polaron states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.6 Temperature dependence of the mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7 AFM micrographs of a pentacene thin lm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.8 Heringbone structure of pen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 Design of the bottom-contact thin lm transistors . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 Chemical structure of cyclic ole n copolymer and polystyrene . . . . . . . 45
4.3 UHV pentacene evaporation chamber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Screenshot of Labview program for pentacene evaporation . . . . . . . . . 48
5.1 Setup for the electronic measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2 Conductance curves of a pentacene TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Transconductance curves of a pentacene TFT. . . . . . . . . . . . . . . . . 54x LIST OF FIGURES
5.4 Subthreshold slope of a pentacene TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Hysteresis of a pentacene TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.6 Threshold shift of a pentacene TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.7 Contact resistance of a pentacene TFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.8 Measured and simulated conductance curves of a pentacene TFT . . . . . 62
5.9 Simulation of the voltage transfer characteristic of organic inverter circuit . 63
5.10 Simulation of three-stage ring oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1 Concept of electronic in-situ measurements of pentacene TFTs . . . . . . . 66
6.2 Photograph of evaporation chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3 Schematic overview of the in-situ measurement chamber . . . . . . . . . . 68
6.4 of the sample stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.5 Photograph of the holder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.6 Design of the samples for in-situ measurements . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.7 Scheme of the in-situ measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<