Mechanically Flexible and Electrically Stable Organic Permeable Base Transistors

Organic transistors have attracted significant research interest in recent years due to their promises of mechanical flexibility and low-cost fabrication. Possible innovative applications include wearable electronic sensor systems, as well as mass-produced, inexpensive localization tags for logistics. However, the limited charge carrier mobility in organic semiconductor materials, contact resistance at the organic-metal interface and comparably long transistor channel lengths result low-speed organic transistors and low current densities compared with conventional inorganic transistors. The organic permeable base transistor (OPBT) is a disruptive transistor architecture that overcomes some of these drawbacks by providing a vertical transistor channel, which is much shorter than in lateral channel organic transistor devices. Consequently, it has been shown to be the fastest organic transistor to date with a transition frequency of 40 MHz, driving currents up to the kA/cm^2 regime. Nevertheless, the OPBT has not yet reached the application stage and its production has been limited to lab-scale devices deposited onto rigid glass substrates. Issues include low yield, large leakage currents, and unknown reliability of the devices. This work addresses these problems by transferring OPBTs to flexible polymer substrates and introducing a controlled and easily reproducible manufacturing technique for the crucial base oxide layer by electrochemical anodization. The anodization technique allows the creation of defined insulating layers, leading to devices with significantly reduced leakage currents and consequently very large transmission factors of 99.9996%. An investigation into the electrical stability of OPBTs shows that the devices are suitable as switching transistors in active matrix organic light emitting displays (AMOLED). In this application, the OPBT demonstrates its strengths particularly well, because fast operation and high current densities are needed. With this thesis a series of milestones on the path to commercial viability of the OPBT have been reached, making the device fit for large-scale production and integration into flexible electronic circuits, allowing it to drive the bendable organic displays of the future.:1 Introduction 2 Fundamentals 3 Experimental 4 Results – Flexible Devices 5 Results – Anodization of the Base Layer 6 Results – TEM Investigations 7 Results – Electrical Stress Measurements 8 Conclusion and OutlookDurch die Aussicht auf mechanische Flexibilität und kostengünstige Herstellung haben Organische Transistoren in den vergangenen Jahren erhebliches Forschungsinteresse geweckt. Innovative Anwendungsideen umfassen tragbare elektronische Sensorsysteme und massenproduzierte, preiswerte Ortungsetiketten für die Logistik. Leider führen die geringe Ladungsträgermobilität in organischen Halbleitermaterialien, Kontaktwiderstände am Organik-Metall-Übergang und vergleichsweise große Kanallängen der Transistoren dazu, dass organische Transistoren langsamer sind und geringere Stromdichten aufweisen als anorganische Transistoren. Der Organic Permeable Base Transistor (Organischer Transistor mit durchlässiger Basis, OPBT) stellt eine bahnbrechende Transistorarchitektur dar, die mithilfe eines vertikalen Transistorkanals einige der vorgenannten Nachteile überwindet. Dadurch ist die Kanallänge deutlich kleiner, als das bei lateralen organischen Transistorbauteilen der Fall ist. Infolgedessen kann er sich als der bisher schnellste organische Transistor mit einer Transitfrequenz von 40 MHz behaupten und Stromdichten bis in den kA/cm^2 Bereich treiben. Nichtsdestotrotz hat der OPBT bislang keine Anwendungsreife erreicht und wird derzeit nur im Labormaßstab auf starren Glassubstraten hergestellt. Hindernisse sind die geringe Produktionsausbeute, große Leckströme und die unklare Zuverlässigkeit der Bauteile. Diese Arbeit nimmt die eben genannten Herausforderungen in Angriff. Es werden OPBTs auf flexible Polymersubstrate übertragen, sowie eine kontrollierte und einfach reproduzierbare Herstellungsmethode für das wichtige Basisoxid durch elektrochemische Anodisierung eingeführt. Die Anodisierungsmethode lässt definierte Isolationsschichten entstehen, was zu stark reduzierten Leckströmen und folglich zu sehr großen Transmissionsfaktoren von 99,9996% führt. Die Untersuchung der elektrischen Stabilität von OPBTs zeigt, dass die Bauteile als Schalttransistoren in organischen Aktiv-Matrix-Displays geeignet sind. Für diese Anwendung sind die Stärken von OPBTs besonders relevant, weil kurze Schaltzeiten und hohe Stromdichten benötigt werden. Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Reihe von Meilensteinen auf dem Weg zur kommerziellen Anwendbarkeit von OPBTs erreicht. Damit ist das Bauteil reif für die großtechnische Produktion und die Integration in flexible elektronische Schaltkreise, die die biegsamen organischen Displays der Zukunft ansteuern werden.:1 Introduction 2 Fundamentals 3 Experimental 4 Results – Flexible Devices 5 Results – Anodization of the Base Layer 6 Results – TEM Investigations 7 Results – Electrical Stress Measurements 8 Conclusion and Outloo