Elektrische und spektroskopische Charakterisierung von organischen Feldeffekttransistor-Strukturen

In dieser Arbeit werden die Resultate aus den elektrischen Untersuchungen an organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) auf der Basis von Pentacen und von verschiedenen Perylentetracarbonsäurediimid-Derivaten (PTCDI) vorgestellt und diskutiert. Die PTCDI-Derivate wurden zudem mit der spektroskopischen Ellipsometrie hinsichtlich ihrer Morphologie und ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein System zur Herstellung und zur elektrischen Charakterisierung von OFET-Strukturen entwickelt. Dieses erlaubt die Herstellung von Strukturen bzw. Schichtsystemen unter gekühlten oder erhitzten Bedingungen im Hochvakuum. Die elektrische Vermessung kann danach direkt im Vakuum erfolgen, ohne das erzeugte Bauteil den Gasen der Umgebungsluft oder Licht auszusetzen, wodurch die Ergebnisse von den Einflüssen beider Faktoren unabhängig sind. Außerhalb des Vakuums fanden weitere Messmethoden Verwendung, um die Grenzflächeneinflüsse und das organische Schichtwachstum detailliert zu untersuchen und mit den Ergebnissen der elektrischen Messungen korrelieren zu können. Das in der Literatur bereits vielfach besprochene p-leitende Pentacen wurde einerseits als Referenzmaterial bei der Entwicklung der Herstellungsprozedur für die hier erzeugten OFETs eingesetzt, andererseits auch zum Vergleich zwischen sowohl mit hydrophobisierendem Octadecyltrichlorosilan (OTS) oberflächenbehandelten und -unbehandelten OFETs. Zudem wurde es auch zum Vergleich zwischen dem hier verwendeten Top-Kontakt-Aufbau und dem in der Literatur diskutierten Bottom-Kontakt-Aufbau verwendet. Die elektrischen Messungen offenbarten einerseits eine um den Faktor 2 höhere Lochmobilität und andererseits auch eine erhöhte Stabilität unter Spannungsbelastung der OTS-behandelten Probe gegenüber der Nichtbehandlung. Die Schwellspannung blieb unbeeinflusst. Unter Verwendung der Potentiometrie konnten ortsaufgelöste Spannungsverläufe in Abhängigkeit von der Position im Kanal aufgenommen werden. Dabei zeigte sich für die hier verwendeten Top-Kontakt-OFETs kein signifikanter Kontaktwiderstand zwischen Gold und Pentacen an der Grenzfläche der Source- und Drain-Elektroden, wie es in der Literatur für Bottom-Kontakt-OFETs berichtet wurde. Das extrahierte ortsaufgelöste elektrische Feld im Kanal erschien für die OTS-behandelte Probe symmetrisch, während die unbehandelte Probe einen asymmetrischen Verlauf aufwies. Mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie konnten Aussagen über die Morphologie der n-leitenden PTCDI-Derivate DiMe-PTCDI, DiPhenyl-PTCDI, DiMethoxyethyl-PTCDI, Di3Pentyl-PTCDI, DiHeptyl-PTCDI und PDI-8CN2 getroffen werden. Die dabei im selben Prozess ermittelten dielektrischen Funktionen können für die Verwendung der untersuchten organischen Halbleiter in optoelektronischen Bauelementen von großer Bedeutung sein. Zur korrekten Beschreibung der unter DiPhenyl-PTCDI und DiMethoxyethyl-PTCDI auftretenden großen Oberflächenrauigkeiten wurde ein neues Ellipsometrie-Modell entwickelt, womit auch für diese Derivate die dielektrische Funktion bestimmt werden konnte. Ausgehend von den aus Rasterkraftmikroskopiebildern ermittelten tiefenabhängigen Materialdichteverteilungen wurde dabei ein angepasster Verlauf für die Materialdichte innerhalb der Rauigkeitsschicht entwickelt, welcher das traditionelle Modell vollständig ersetzen kann. Die elektrischen Messungen ergaben für die PTCDI-Derivate erheblich unterschiedliche Kenngrößen. Die verschiedenen Seitenketten führten dabei zu Unterschieden in der Elektronenmobilität von bis zu vier Größenordnungen. Ebenso wiesen die Schwellspannungen Differenzen bis 20 V auf. Des Weiteren zeigten sich unter elektrischer Belastung und nach einer thermischen Behandlung deutlich unterschiedliche und teilweise konträre Effekte hinsichtlich der Entwicklung der Elektronenmobilität und der Schwellspannung. Da alle untersuchten PTCDI-Derivate optisch isotrop aufwuchsen, konnte über der Molekülorientierung kein Bezug zur Ladungsträgermobilität gefunden werden. Jedoch konnten die sehr geringen Mobilitäten von DiPhenyl-PTCDI und DiMethoxyethyl-PTCDI auf deren Inselwachstum zurückgeführt werden, welches die nötige Pfadlänge für die Ladungsträger zwischen den Elektroden erhöhte. An Umgebungsluft stellten alle PTCDI-Derivate bis auf PDI-8CN2 ihre Funktionalität ein. Abgesehen von letzterem war DiMe-PTCDI nach erneutem Einbringen ins Vakuum und einer Erholungszeit von mehreren zehn Minuten wieder funktionstüchtig. Eine OTS-Behandlung wurde für PDI-8CN2 durchgeführt, um zu einem Vergleich mit den Ergebnissen von Pentacen zu gelangen. Es zeigte sich aber, dass nahezu alle elektrischen Eigenschaften von PDI-8CN2 durch diese Behandlung negativ beeinflusst wurden.In this work the results of the electrical characterization of organic field-effect transistors (OFETs) based on pentacene and various derivatives of perylene tetracarboxylic diimide (PTCDI) are presented and discussed. The PTCDI derivatives were also characterized regarding their morphology and their optical properties using spectroscopic ellipsometry. A system for the preparation and electrical characterization of OFET structures was developed, which allows the preparation of thin film devices under cooled and annealed conditions, respectively, in high vacuum. The electrical measurements can be performed directly in vacuum without exposing the prepared device to the environmental gases or light making the results independent of these factors. Under ambient atmosphere further techniques have been used to study the growth of the organic layers in detail to correlate these results with the results of the electrical characterization. Pentacene is a p-conducting organic semiconductor which is most often discussed in literature regarding OFETs and has been used in this work as a reference material for the developed preparation system. Pentacene was also used for the comparison of two different dielectric/organic interfaces: one interface was bare SiO2 and the second interface was SiO2 treated with a self assembling monolayer of octadecyltrichlorosilane (OTS). Additionally it was used to compare the top-contact configuration for OFETs of this work with the bottom-contact configuration discussed in literature. The electrical measurements revealed on the one hand an increase in the hole mobility by a factor of two and on the other hand also an enhanced stability against bias stress for the OTS treated sample. The threshold voltage remained unchanged. Using potentiometry the electrical potential distribution within the transistor channel could be obtained. No interface resistance at the organic/metal interface could be found for top-contact configuration, in opposite to the high interface resistance reported in literature for the bottom-contact configuration. The extracted electrical field distribution within the channel showed a symmetric behavior for the OTS treated sample while it was asymmetric for the untreated sample. Using spectroscopic ellipsometry the morphology of the n-conducting PTCDI derivatives DiMe-PTCDI, DiPhenyl-PTCDI, DiMethoxyethyl-PTCDI, Di3Pentyl-PTCDI, DiHeptyl-PTCDI, and PDI-8CN2 could be revealed. The also determined dielectric functions are important for the use of the investigated organic semiconductors within opto-electronic devices. For a precise evaluation of large surface roughnesses, as found for DiPhenyl-PTCDI and DiMethoxyethyl-PTCDI, a new ellipsometry model was developed. Using atomic force microscopy pictures a depth-dependent material concentration could be determined which was put into the ellipsometry model of surface roughness. This new model can fully replace the traditional model. The electrical measurements for the PTCDI derivatives revealed a considerable influence of the various side groups on the device performance. The electron mobility spread over four orders of magnitude and the threshold voltage deviated by up to 20 V. Additionally the influence of bias stress and thermal annealing revealed different and partially oppositional behavior regarding the change in electron mobility and threshold voltage. As all molecules showed optical isotropy, the molecule orientation could not be correlated with the charge carrier mobility. However, the very low electron mobilities of Diphenyl-PTCDI and DiMethoxyethyl-PTCDI could be correlated with island growth which extends the necessary path length for the charge carriers between the electrodes. Under ambient atmosphere none of the PTCDI derivatives - beside PDI-8CN2 - was working. Nevertheless, DiMe-PTCDI continued its functionality when it was brought back into the vacuum. An OTS treatment was applied for one PDI-8CN2 sample. This treatment, however, led to worse electrical characteristics