Stability of polarization in organic ferroelectric metal-insulator-semiconductor structures [Elektronische Ressource] / René Kalbitz. Betreuer: Reimund Gerhard

René Kalbitz

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 26 Mo

Extrait

Ph.D. Thesis
Stability of Polarization
in Organic Ferroelectric
Metal-Insulator-Semiconductor
Structures
presented by
Dipl. Phys. René Kalbitz
Supervisor
Prof. Dr. Reimund Gerhard
University of Potsdam,
Department of Physics and Astronomy,
Karl-Liebknecht-Str. 24-25,
14476 Potsdam, Germany
April 6. 2011












































Published online at the
Institutional Repository of the University of Potsdam:
URL http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5727/
URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-57276
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-57276 ‘Almost everything
you do will seem in-
significant, but it is
important that you
do it’
Mahatma
Gandhi
– iii –– iv –Acknowledgments
I thank Dr. P. Sayers, C. Watson and Dipl.-Ing. W. Wirges for
technical support and Prof. T.J. Lewis, Prof. D. Neher and Dipl.-
Phys. P. Pingel for constructive discussions. I further wish to thank
my supervisor Prof. R. Gerhard and Dr. P. Frübing for his support.
Special thanks to Prof. D.M. Taylor for his scientific guidance. I am
also very grateful for the assistance of the DAAD-RISE-exchange
students M.A.R. Martinez and S. Monfardini as well as the student
helper M. Sander. This program was initiated by grants from the
British Council (ARC 1294) and DAAD (D/07/09993) and financed
through the project ‘Polymeric thin film memory devices’ of the
Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research in Potsdam.Abstract
Organic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost elec-
tronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID
applications. To extend the range of applications there is a need to develop and
optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible
with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics.
A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-
polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate
insulator.
Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insu-
lator-semiconductor (MIS) structures with the ferroelectric polymer P(VDF-
TrFE) as the gate insulator and poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as p-type
semiconductor. The capacitance spectra of MIS devices were measured under
different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on
the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indi-
cates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobility when
increasing the depletion zone width, i.e. upon moving into the P3HT bulk.
The lack of stable depletion was further investigated with capacitance-
voltage (C-V) measurements. When the structure was driven into depletion,
C-V plots showed a positive flat-band voltage shift, arising from the change
in polarization state of the ferroelectric insulator. When biased into accumu-
lation, the polarization was reversed. It is shown that the two polarization
states are stable i.e. no depolarization occurs below the coercive field. How-
ever, negative charge trapped at the semiconductor-insulator interface during
the depletion cycle masks the negative shift in flat-band voltage expected dur-
ing the sweep to accumulation voltages.
The measured output characteristics of the studied ferroelectric-field-
effect transistors confirmed the results of the C-V plots. Furthermore, the
results indicated a trapping of electrons at the positively charged surfaces
of the ferroelectrically polarized P(VDF-TrFE) crystallites near the insula-
tor/semiconductor interface during the first poling cycles. The study of the
MIS structure by means of thermally stimulated current (TSC) revealed fur-
ther evidence for the stability of the polarization under depletion voltages.
It was shown, that the lack of stable depletion behavior is caused bythe compensation of the orientational polarization by fixed electrons at the
interface and not by the depolarization of the insulator, as proposed in several
77,80,81publications. The above results suggest a performance improvement of
non-volatile memory devices by the optimization of the interface.
– viii –Zusammenfassung
Organische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschie-
dener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-
Frequenz-Identifikations-Anhänger(RFID).FürdieErweiterungdieserAnwen-
dung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter
zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidenfluoride-Trifluoro-
ethylen)(P(VDF-TrFE))eignetsichbesondersgutalsremanentpolarisierbarer
Isolator in Dünnschicht-Speicherelementen.
UmSchalt-undPolarisationsverhaltensolcherSpeicherelementezuunter-
suchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-
Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (FeFET) aus dem Halb-
leiter Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und di-
elektrisch untersucht.
Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger
Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen
Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Mess-
ungen (C-V) an MIS-Proben mit uni/bi-polaren Spannungszyklen zeigten eine
stabile ferroelektrische Polarisation des P(VDF-TrFE)-Films. Eine Depolari-
77,80,81sation des Isolators durch den Mangel an Minoritäts-Ladungsträgern
konnte als Grund für die Instabilität des Verarmungszustandes ausgeschlossen
werden. Die C-V-Kurven wiesen vielmehr auf die Existenz fixierter, negativer
Ladungsträger an der Grenzfläche hin.
Messungen von Output-Charakteristiken an FeFETs zeigten, dass diese
fixierten Ladungsträger erst durch Anlegen einer äußeren Spannung an die
Isolator/Halbleiter-Grenzfläche gelangen und nicht durch die Präparation. Die
wahrscheinlichsteErklärungisteinElektronen-TransfervomP3HTimVerarm-
ungszustand, das heißt, beim Anlegen von positiver Spannung, an die Grenz-
fläche. DieseLadungenwerdenanderGrenzflächedurchpositivePolarisations-
ladung des P(VDF-TrFE) eingefangen (Charge Trapping) und energetisch und
räumlich stabilisiert. Die Stabilität der Polarisation konnte durch die Unter-
suchung mittels thermisch stimulierter Ströme (TSC) bestätigt werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden: die Ursache der Ladungs-
trägerinstabilitäten in organischen ferroelektrischen Speicherelementen ist auf
die Kompensation der ferroelektrischen Orientierungspolarisation durch "ge-trappte" (fixierte) negative Ladungsträger zurückzuführen. Dieses Ergebnis
liefert nun eine Grundlage für die Optimierung der Isolator/Halbleiter-Grenz-
fläche mit dem Ziel, die Zahl der Fallenzustände zu minimieren. Auf diesem
Wege könnte die Stabilität des Speicherzustandes in organischen Dünnschicht-
speicherelementen deutlich verbessert werden.
– x –