ITEM METADATA RECORD
Title: Charge Trapping in Organic Field-Effect Transistors and Applications for Photodetectors and Memory Devices (Ladingsvangst in organische veld-effect transistoren en toepassingen in fotodetectoren en geheugenelementen)
Other Titles: Charge Trapping in Organic Field-Effect Transistors and Applications for Photodetectors and Memory Devices
Authors: Debucquoy, Maarten
Issue Date: 15-Dec-2009
Abstract: Kristallijn silicium (Si) is sinds meerdere decennia de dominerende tech nologie in de halfgeleider industrie. Voor bepaalde toepassingen zijn du nne film technologieën nochtans beter geschikt. In kristallijn Si techno logie vertrekken alle productiestappen van de kristallijne wafer. Deze w afer is breekbaar en heeft een beperkte oppervlakte. In dunne film techn ologieën daarentegen, wordt de halfgeleider als een film op een willekeu rig substraat met een willekeurige grootte gedeponeerd. In bepaalde geva llen kan het substraat zelfs flexibel zijn. Hierdoor behoren beeldscherm en met grote oppervlaktes, zonnecellen met de afmetingen van een volledi ge vensterruit en opvouwbare scanners tot de haalbare toepassingen. Orga nische halfgeleiders zijn een mogelijke dunne film technologie. De stabiliteit van de halfgeleider component tijdens gebruik is essentie el om een betrouwbare toepassing met een lange levensduur te realiseren. Een onstabiele veld-effect transistor kan gekarakteriseerd worden door een verschuiving van de transfer curves. Externe factoren zoals the aang elegde spanningen aan de contacten, belichting, of het zuurstof en water gehalte in de lucht kunnen deze verschuiving beïnvloeden. Hoewel deze v erschuivingen meestal niet gewenst zijn, kunnen ze in bepaalde gevallen toch nuttig zijn. Een kleine verschuiving van de transfer curves leidt n amelijk tot een grote verandering in stroom bij een vaste uitleesspannin g. Op deze manier kan de transistor gebruikt worden als een gevoelige se nsor voor de eerder vermelde externe factoren. Als de transfer curves oo k nog stabiel blijken te zijn op hun nieuwe posities na de verschuiving, kan de component zelfs gebruikt worden als een geheugenelement. Eén van de mechanismes die een verschuiving van de transfer curve kunnen veroorzaken is het vangen van ladingsdragers. Deze ladingsdragers zijn eerst mobiel in de halfgeleider en worden dan gevangen in vangstcentra i n de halfgeleider, aan het tussenoppervlak tussen halfgeleider en gate i solator, of in de gate isolator zelf. Eerst wordt het vangen van ladingsdragers aan het tussenoppervlak tussen halfgeleider en gate isolator bestudeerd. We tonen aan dat belichting h et vangen van ladingsdragers versnelt, maar dat het effect te traag is o m eenvoudige transistors als licht detector te gebruiken. Dit laatste is in tegenstelling met wat er in de literatuur wordt beweerd. Bovendien b ewijzen we dat de verschuiving van de transfer curves onder belichting z ich gelijkaardig gedraagt als de verschuiving in het donker onder de inv loed van aangelegde spanningen aan de contacten. Het effect van belichti ng is het aanvoeren van extra, photogegenereerde ladingsdragers die kunn en gevangen worden. Deze vaststelling leidt tot een beter begrip van de instabiliteitsmechanismes in organische transistors. Het gebruik van org anische transistors als licht detector wordt door deze vaststelling ook verder gehypothekeerd, aangezien een gevoelige sensor onvermijdelijk ook instabiel zal zijn tijdens de uitlezing. Vervolgens wordt het vangen van ladingsdragers in de gate isolator bestu deerd. We tonen aan dat ladingen kunnen opgeslagen worden in een gate is olator bestaande uit een oxide en een polymere isolator. Korte programma tiepulsen van 1,5 ms met een programmatiespanning van ±15 V zijn ge noeg om ladingsdragers op te slaan en vervolgens te verwijderen uit de g ate isolator. De retentie van de ladingsdragers bedraagt meer dan drie m aanden, wat langer is dan elke component met ladingsdragersvangst die to t nu toe is beschreven in de literatuur. Bovendien worden meer dan 500 s chrijf- en wiscycli gedemonstreerd. Deze vaststellingen tonen aan dat de ze component kan gebruikt worden als een herprogrammeerbaar geheugenelem ent met twee stabiele geheugentoestanden. Daarna wordt het vangen van gaten en elektronen in de gate isolator verd er vergeleken en wordt aangetoond dat beiden noodzakelijk zijn om de com ponent te kunnen herprogrammeren bij lage spanningen. Tenslotte worden t wee meer complexe structuren voorgesteld, nog steeds met aan gate isolat or bestaande uit een oxide en een polymeer. Deze structuren kunnen gemak kelijk geïntegreerd worden met het circuit voor de adressering en het ui tlezen van het geheugenelement. Op deze manier zou een complete geheugen matrix in organische halfgeleider technologie kunnen gerealiseerd worden .
Table of Contents: Dankwoord
Samenvatting
Summary
List of symbols and abbreviations
Contents

1 Organic field-e ffect transistors
1.1 Thin-film transistors
1.2 Organic semiconducting materials
1.2.1 From carbon atom to semiconducting film
1.2.2 Short lexicon of typical terms and issues
1.3 Basic structure and operation
1.4 Materials and device fabrication
1.4.1 Organic semiconductor
1.4.2 Gate dielectric
1.4.3 Source and drain electrodes
1.4.4 Patterning
1.5 Device characterization
1.5.1 Standard transistor measurements
1.5.2 Measurements under illumination
1.5.3 Temperature dependent measurements
1.6 Objectives and outline of the manuscript

2 Shifts of the transfer curve
2.1 The onset voltage, the flat band voltage and the threshold voltage
2.1.1 The onset voltage
2.1.2 The onset voltage versus the flat band voltage
2.1.3 The onset voltage versus the threshold voltage
2.1.4 Tracking shifts of the transfer curves
2.2 Hysteresis
2.2.1 Polarization of the gate dielectric
2.2.2 Trapping of charges coming from the semiconductor
2.2.3 Trapping of charges coming from the gate
2.3 Bias stress
2.3.1 Bias stress in a-Si field-effect transistors
2.3.2 Bias stress in OTFTs
2.4 Stability under environmental conditions
2.5 Ferroelectric memory transistors

3 A charge trapping phototransistor
3.1 Illumination of organic field-e ffect transistors
3.1.1 Photoconductive and photovoltaic effect
3.1.2 Trapping sites for the electrons
3.1.3 Figures of merit for a photodetector
3.1.4 Corrections and comments to the literature
3.2 Experimental
3.2.1 Device structure
3.2.2 Measurement method
3.3 Results and discussion
3.3.1 Negative versus positive gate-source bias
3.3.2 Different treatments of the interface
3.3.3 Illumination at different wavelengths
3.4 Conclusions and outlook
3.4.1 Conclusions regarding bias stress
3.4.2 Conclusions regarding the use of organic photoFETs

4 A charge trapping memory transistor
4.1 Charge trapping memory transistors
4.1.1 Si charge trapping memory transistors
4.1.2 Organic charge trapping memory transistors
4.2 Experimental
4.2.1 Device structure
4.2.2 Measurement method
4.3 Results and discussion
4.3.1 Charge trapping as a function of programming voltage
4.3.2 Charge trapping as a function of programming time
4.3.3 Retention
4.3.4 Endurance
4.4 Conclusions

5 Electrons and holes in a charge trapping memory transistor
5.1 Experimental
5.1.1 Device structure
5.1.2 Measurement method
5.2 Results and discussion
5.2.1 An ambipolar device
5.2.2 No electron accumulation
5.2.3 No hole accumulation
5.2.4 Field distribution during write and erase
5.2.5 Temperature dependent supply of charge carriers
5.2.6 Supply of charge carriers by illumination
5.3 Conclusions

6 Towards integration
6.1 Experimental
6.1.1 Device structure
6.1.2 Measurement method
6.2 Results on the intermediate structure
6.2.1 Charge trapping as a function of programming voltage
6.2.2 Endurance
6.2.3 Retention
6.3 Results on the final structure
6.3.1 Charge trapping as a function of programming voltage
6.3.2 Endurance
6.3.3 Retention
6.4 Conclusions and further outlook

7 General conclusions and future outlook

Bibliography
Curriculum vitae
List of publications
ISBN: 978–94–6018–159–7
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Associated Section of ESAT - INSYS, Integrated Systems
ESAT - MICAS, Microelectronics and Sensors

Files in This Item:
File Status SizeFormat
DebucquoyPHD09.pdf Published 1731KbAdobe PDFView/Open

 


All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.