HED-TIE: A wafer-scale approach for fabricating hybrid electronic devices with trench isolated electrodes and its application in sensing devices

Die organisch-anorganische Hybridelektronik bietet verschiedene Möglichkeiten zur Entwicklung neuartiger Bauelemente, welche die Vorteile von organischen und anorganischen Halbleitern vereinen. Planare Bauelemente werden typischerweise mittels Schattenmasken-basierter Strukturierung hergestellt. Ein Grund hierfür ist die Empfindlichkeit organischer Halbleiter gegenüber Ultraviolettem Licht und Lösungsmitteln, welche in den Standard-Photolithographieprozessen eingesetzt werden. Die Schattenmasken-Strukturierung führt allerdings zu Bauelementen mit kleinsten Abmessungen im Mikrometerbereich. Für die Reduzierung der Kanalabmessungen von planaren organisch-anorganischen Hybridbauelementen unterhalb eines Mikrometers ist die Elektronenstrahllithographie die am häufigsten verwendete Technik. Aufgrund des hohen Kosten- und Zeitaufwandes ist es nicht möglich, diese Technik für Wafermaßstab-Herstellung in der industriellen Anwendung einzusetzen. In dieser Arbeit wird eine alternative Technologie zur Herstellung von planaren Bauelementen mit isolierten Grabenelektroden und Kanalabmessungen von wenigen Hundert Nanometer bis unter 100 nm vorgestellt. Gräben kleiner als ein Mirkometer werden zunächst auf Silizium-Substraten strukturiert und anschließend mit einer isolierenden SiO2 Schicht aufgefüllt. Diese hilft dabei die gewünschten Elektrodenabstände, also die gewünschte Kanallänge, zu erreichen. Die Flexibilität des neuen Herstellungsverfahrens ermöglicht es nicht nur verschiedenen Kanallängen und Bauelement-Geometrie, sondern auch die Verwendung verschiedener Materialien für Elektroden und organischen Kanäle. Dies wiederum ermöglicht eine Vielfalt von potentiellen Anwendungen der hybriden Bauelemente. In dieser Arbeit wurde 6,13-bis (triisopropylsilylethinyl)-Pentacen (TIPS-Pentacen) Lösung und metallfreie Phthalocyanin als organisches Material verwendet und als Elektrodenmaterial diente Gold. Die entstandenen auf TIPS-Pentacen-Lösung basierenden planaren hybriden Bauelemente wurden für potentielle Anwendungen als optische sowie magnetoresistive Sensoren getestet.:Table of Contents Bibliografische Beschreibung 1 Chapter 1. Introduction 3 1.1 Organic-inorganic hybrid electronics 4 1.2 Inorganic semiconductors versus organic semiconductors 5 1.3 Electronic properties of a molecular layer 5 1.4 Vertical HEDs and planar HEDs 6 Chapter 2. Wafer-scale fabrication approach for planar HED-TIEs 8 2.1 Overview of nano-patterning techniques 8 (a) Electron beam lithography (EBL) 8 (b) Nanostencil lithography (NSL) 8 (c) Nanoimprint lithography (NIL) 9 2.2 Fabrication of planar organic-inorganic HED-TIEs 12 2.2.1 Trench refill approach for fabricating HED-TIEs 12 2.2.1.1 Deposition of the trench refill layer 15 2.2.1.2 Deposition of the organic channel material 16 (a) HED-TIE with thermally evaporated organic channel 16 (b) HED-TIE with solution processed organic channel 18 2.2.2 Spacer approach for fabricating HED-TIEs 21 2.2.2.1 Deposition of the isolation layer 23 2.3 Characterization techniques 26 (a) Electrical characterization 26 (b) Raman spectroscopy 26 (c) Photoluminescence spectroscopy 27 2.4 Summary and outlook 27 Chapter 3. Electrical characterization of HED-TIEs 29 3.1 Theoretical background 29 3.1.1 Space charge limited current (SCLC) conduction mechanism 29 3.2 Experimental details 32 3.3 Results and discussions 34 3.4 Summary and outlook 40 Chapter 4. Application of HED-TIEs as optical sensors 41 4.1 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs 41 4.1.1 Theoretical background 41 4.1.2 Experimental details 43 4.1.3 Results and discussions 44 4.1.4 Summary and outlook 49 4.2 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs with Au nanoparticles in the channel matrix 50 4.2.1 Theoretical background 50 4.2.2 Experimental details 51 4.2.3 Results and discussions 52 4.2.4 Summary and outlook 59 Chapter 5. Application of HED-TIE devices as magnetoresistive sensors 61 5.1 Theoretical background 61 5.1.1 Organic spintronics 61 5.1.2 Mechanisms of organic magnetoresistance (OMAR) 65 (a) Bipolaron model 68 (b) Electron-hole (e-h) pair model 69 (c) Exciton–charge interaction model 70 5.2. OMAR measurements on TIPS-pentacene OFETs and HED-TIEs 71 5.2.1 Experimental details 71 5.3 Results and discussions 73 5.4 Summary and outlook 79 Chapter 6. Summary and outlook 81 References 86 List of Figures 97 List of Tables 103 List of Abbreviations 104 Acknowledgements 106 List of Publications 108 List of Conference Presentations and Posters 109 Selbstständigkeitserklärung 111 Curriculum Vitae 11