Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen ... · Samsung Galaxy S6 Quelle: Konica Minolta...

www.tu-ilmenau.de

großflächig und flexible Substrate

billige Technologie

Funktionalität wie

• Lichtemission (transparente,

flexible, weisse OLEDs, Display)

• Energieerzeugung (Solarzelle)

• Sensorik

Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen

VL Polymerelektronik Einführung


www.tu-ilmenau.de

felxibles LG-Smartphone (Quelle: IDTechEx)

LG: OLED TV

OLED

Samsung Galaxy S6

Quelle: www.oled-info.com

Konica Minolta Beleuchtung

Quelle: CES 2016

Samsung Galaxy

Surface Tablet 12“

www.tu-ilmenau.de


Potentielle Anwendungen:

Steuerung für Aktiv-Matrix-Displays (ID>10µA)

als Sensoren

in logischen Schaltkreisen

RFID-tag für 13.56MHz

PolyIC (P3HT, L=5µm)

Philips (P3HT, L=4µm)

OFET

www.tu-ilmenau.de


ca. 20% der Effizienz von Si-

Solarzellen

flexibel deshalb neuartige

Anwendungen (z.B.

Stromversorgung für kleine mobile

Geräte wie MP3-Player, Skipass)

Solarzelle

Quelle: Fraunhofer ISE Freiburg

www.tu-ilmenau.de


Atomorbitale

1s-Orbital 2s-Orbital

px-Orbital py-Orbital pz-Orbital

www.tu-ilmenau.de


Beispiel: CH4

Hybridisierung

www.tu-ilmenau.de


Ethen: C2H4

sp2-Hybrid -Bindung

-Bindung

Polyacetylen: (C2H2)n

www.tu-ilmenau.de


Materialien

www.tu-ilmenau.de


Dotierung

Shirakawa,

MacDiarmid,

Heeger

Dotierung von

Polyacetylen mit

Chlor, Brom oder

Jod

www.tu-ilmenau.de

VL Polymerelektronik Eigenschaften

Schrödinger-Gleichung

2 2

2

( ) ( , ) ( ) ( , )2

V r r k E k r km r

Operator pot. Gesamt-

kin. Energie Energie energie

( , ) - W e lle n fu n k tio nr k

( , ) ( )i r k

n kr k e u r Blochsche Theorem:

E(k)

kb- /2-/2

www.tu-ilmenau.de


1D Tight-Binding Modell

0 12 c o s ( )

kE E t k b

3

1( ) ( ) ( )

x a at d r r b e V r r

E0

www.tu-ilmenau.de


undimerisiert

dimerisiert

einfach: C-C > 1.39Å

doppel: C-C < 1.39Å

Ursache: Peierls Instabilität

Dimerisierung

www.tu-ilmenau.de


-3 -2 -1 0 1 2 3-6

-4

-2

0

2

4

6

kb

E(k

) (e

V)

0eV

0.75eV

t1=2.6eV

E0=0eV

2 2

0 1( 2 co s( ) s in ( ) )

kE E t kb kb

www.tu-ilmenau.de


1.39Å

1.36Å

1.42Å

1.34Å

1.54Å

www.tu-ilmenau.de


HOMO ()

LUMO (*)EC

EV

PPV (Poly-phenylen-vinylene)

Bändermodell anwendbar

Neutrale Polymerkette

www.tu-ilmenau.de


Entspricht einer Redoxreaktion:

Prozess verbunden mit:

Gegenionen zwischen Ketten

Ladungen auf der Kette

Erzeugen eines Paares von Zuständen im Gap

energetische Lage von Besetzung abhängig

Wechsel von Einfach- und Doppelbindung

Dotierung

www.tu-ilmenau.de


Polaron= Ladung + Gitterverzerrung

negativ positiv

www.tu-ilmenau.de


Polaronen im Bändermodell

HOMO (- 1 Zustand)

LUMO ( -1 Zustand) LUMO ( -1 Zustand)

HOMO (- 1 Zustand)

Q= - e S= ½ Q= e S= ½

negativ positiv

www.tu-ilmenau.de

VL Polymerelektronik EigenschaftenBipolaronen

HOMO (- 1 Zustand)


HOMO (- 1 Zustand)

Q= - 2e S= 0 Q= 2e S= 0

negativ positiv

Bipolaron entsteht aus Polaronen gleicher Ladung

energetische Lage der Zustände ändert sich

www.tu-ilmenau.de


HOMO (- 1 Zustand)


HOMO (- 1 Zustand)

Q= 0 S= 0 Q= 0 S= 1

Singulett Triplett

Exziton entsteht aus Polaronen unterschiedlicher Ladung

wichtig für OLED

www.tu-ilmenau.de


Nichtentartete Statistik

Polaronen Bipolaronen

0

0

e x p

( )e x p

F P

p

F P

p

E En n

k T

E Ep n

k T

0

0

22 e x p

( 2 )2 e x p

F B

B

F B

B

E En n

k T

E Ep n

k T

Bildungsenergien Dichten

EP

-EP

EB/2nP

EV

pP

nB

pB-EB/2

EFEC

log (Dichten)

www.tu-ilmenau.de


Bipolaronen Polaronen

energetisch günstiger

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.010

10

1012

1014

1016

1018

1020

1022

Polaronen

Bipolaronen

p

n

co

nce

ntr

atio

n (

cm

-3)

EF (eV)

Ep=0.8eV E

B/2=0.7eV

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.010

10

1012

1014

1016

1018

1020

1022

Ep=0.8eV E

B/2=0.9eV

co

nce

ntr

atio

n (

cm

-3)

EF (eV)

Polaronen

Bipolaronen

p

n

www.tu-ilmenau.de

VL Polymerelektronik Transport

Leitfähigkeit

www.tu-ilmenau.de


Struktur

www.tu-ilmenau.de


Hopping

R0 0 T0 g

3D

2D

1D

1 / 4

9 1

8 kF

N T

1 / 3

2

1

kF

DN T

1 / 2

1

1

2 kF

DN T

2 2

0e

F phN R

2 3 2

0e

F

D

phN R

2 3 2

0e

F

D

phN R

31 8 .1

kF

N

2

2

2 7

kD

FN

1

8

kD

FN

1

4

1

3

1

2

www.tu-ilmenau.de


Hopping

0 100 200 30010

-20

10-17

10-14

10-11

10-8

10-5

=107

cm-1

=2.418x1013

s-1

T (K)

(S

/cm

)

3D mit NF=10

19

(eVcm3

)-1

2D mit NF=10

20

(eVcm3

)-1

1D mit NF=2x10

21

(eVcm3

)-1

10-10

10-7

10-4

10-1

102

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

empirisch µ=0.76

3D

2D (NL=1/0.5nm)

1D (NA=1/(0.5nm)

2

)

µ (c

m2/V

s) (S/cm)

=107

cm-1

=2.418x1013

s-1

www.tu-ilmenau.de


AC-Leitfähigkeit

trans-polyacethylene polyethylene terephthalate

www.tu-ilmenau.de


DOS

1/ 2

2 1( )

k k

c

c CD N

T T

2

0 01

( ) e xp22

c

aa

N VD

0| |

( ) e x p2

c

c

a a

ND

Parabolische Bandstruktur

Gaußverteilung

Exp. Verteilung-1 0 1 2 3

1010

1012

1014

1016

1018

1020

1022

EC

E (eV)

D (c

m-3

eV-1

)

parabolisches Band

Gauß

exponentiell

EV

www.tu-ilmenau.de


2

0 01

( ) e xp22

c

aa

N VD

Gaußverteilung

breiter Übergang: nichtentartete Näherung?

40 30 20 10 0 -1010

-8

10-6

10-4

10-2

100

numerical

nondegenerated

degenerated

n/N

0

(V0-

F)/kT

a=100mV

-1001020304010

-8

10-6

10-4

10-2

100

numerical

nondegenerated

a/kT

0

1

2

3

4

5

6 n/N

0

(V0-

F)/kT

www.tu-ilmenau.de


0 0

0 0

| | | |( ) e x p e x p

2 2

c c

c

a a

N NTD

T k T k T

0 0

e xpk

c Fn T

N T T T

0

0 0

0

T

T ( )Te x p

T T ks in

T

c Fn

N T

exponentiell

Näherungen:

• Boltzmann for T > T0

Boltzmann nicht

anwendbar für T<T0

40 30 20 10 0 -1010

-8

10-6

10-4

10-2

100 broad, T>T

0

T/T0

1 analytical

numerical

0.65

0.3

approximated

0.65

0.3 T/T0

numerical

1.5

10

Boltzmann

1.5

10

n/N

0

c-

F/kT

narrow, T>T0

0 c F

T T a n d ε - ε /kT 1

www.tu-ilmenau.de


0( ) ex p Eµ µ T

T

g

Limketkai: Temperature- Konzentrations- und Feld- abhängig

Pool-Frenkel: von Temperatur und Feld abhängig

mit µ0(300)=10-3cm2/Vs; =3.4K(cm/V)1/2; g=6.66x10-3(cm/V)1/2

( ) ( )

0

031

0 0

2 2

1 6 e( ) w ith

e 2 2 k2 2 3

F

F

T

TT T

T TF

F

c F F

T T T Eµ p x T

B T T T T

with BC=2.8; T0=450K; 0=4.5x108S/cm; =0.58x108cm-1

www.tu-ilmenau.de


Pasveer/Coehoorn: Temperature- Konzentrations-

und Feld- abhängig

with a=1.6x10-7cm; h0=0.1eV; C1=2x10-3; C2=0.42; =0.08eV

2 2 3

0 1 2ˆ ˆ ˆ( , ) e x p ( ) e x p 0 .5 ( )( 2 )µ T p µ C C p a

2

3 / 2 eˆ( , ) ex p 0 .4 4 ( 2 .2 ) 1 0 .8 1

E aµ µ T p

2 2

0

0 2

ˆ ˆe ln ( ) ln ( ln 4 )ˆ 2

ˆk

aµ

T

www.tu-ilmenau.de


Beweglichkeit

Abhängigkeit von

Konzentration Feld

1010

1012

1014

1016

1018

1020

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

µ (

cm

2/V

s)

p (cm-3)

Pasveer

Limketkai (0=20S/cm)

Limketkai (0=400S/cm)

101

102

103

104

105

106

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

µ (

cm

2/V

s)

E (V/cm)

Pasveer

Limketkai

Pool-Frenkel

www.tu-ilmenau.de

VL Polymerelektronik OLED

+

-

Kathode

Anode+

-

HOMO

LUMO

1

1

2

23

3

h·4

Funktionsprinzip

www.tu-ilmenau.de


www.tu-ilmenau.de


MEH-PPVPoly[2-methoxy-5-(2-

ethylhexyloxy)-1,4-

phenylenevinylene]

ITO

Glas

MEH-PPV

Ca

Einschicht-OLED

www.tu-ilmenau.de


Einfluss

Kathodenmaterial Schichtdicke

Quelle: JAP vol. 75 (1994) p. 1656

• kaum Einfluss auf IU

• Abnehmende Effizienz

mit Zunahme Kathode

starker Einfluss auf IU

www.tu-ilmenau.de


Stromdichte

über Barriere:

e x p 1S

T

UJ J

U

Diffusionstheorie:1 / 2

0

2 e ( )= e N e x p

k

D D B

S C n

r

N U U VJ µ

T

Thermische Emission:

* 2

* 2 *

3

4 e k= T e x p m it

k

B

S

V mJ A A

T h

Tunnelstromdichte:

2 3 / 2* * 1 / 22e 4 ( 2 )

e x p - m it k 3e

B

B

VA E mJ

V E h

www.tu-ilmenau.de


Stromdichte

Raumladungsbegrenzter Strom (SCLC):

2

0 3

9

8r

UJ µ

d

Mott-Gurney:

SCLC mit tiefen Trap (exp. verteilt):

11

0

2 1

0

2 1e m it

1 ( 1)e

r

C

t

n TJ µ N

N L T

ggg

g

ggg

g g

www.tu-ilmenau.de


Hysterese

Ursache Traps

A: Diodenverhalten mit n=2.5

B: Bahnwiderstand R=5kW

C: Leckströme, Traps, SCLC

D: Anstieg durch Bildkrafteffekt

sehr langsame Messung schnelle Messung

www.tu-ilmenau.de


Hysterese: abhängig von Verzögerungszeit

Ursache Trapumladung

ITO/NPB/Ca-OLED

-6 -4 -2 0 210

-14

10-12

10-10

10-8

10-6

delay time (s)

0.5

2

10

65

+3V -> -7V

-7V -> +3V

abs

(I) (A

)

V (V)

www.tu-ilmenau.de


Trap bei Et – EV=0.5eV

Simulation

-8 -6 -4 -2 0 210

-22

10-20

10-18

10-16

10-14

10-12

10-10

I (A

)

V (V)

steady-state

transient with td=6s

-8V -> 1V

1V -> -8V

160 170 180 190 200

0

4

8

t (s) I (

10

-19A

)

-4.9V

3ms

www.tu-ilmenau.de


0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

simulation µ (cm2

/Vs)

10-3

10-5

fit

10-3

10-5

Im (M

)

Re (M)

10-4

10-2

100

102

104

106

108

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

simulation µ (cm2

/Vs)

10-3

10-5

fit

10-3

10-5

C1

C2

C3

R1

R2

Im (M

)

f (Hz)

R3

www.tu-ilmenau.de


Mehrschichtstruktur

Lochinjektionsschicht

CuPc

Lochtransportschicht

(HTL hole transport layer)

NPB

Elektronentransportschicht

(ETL electron transport layer)

Alq3

www.tu-ilmenau.de


Mehrschichtstruktur

zusätzlich EML emission layer

www.tu-ilmenau.de


Jablonski Diagramm

S0

S1

T1

FA P

iscic

A – Absorption; F - Fluoreszenz; P – Phosphoreszenz;

isc – inter system crossing; ic – internal conversion

www.tu-ilmenau.de


UDC Universal Display Corporation

Quelle: www.udcoled.com

www.tu-ilmenau.de


pin-OLED Technologie

pin-OLED auf Metallsubstrat

Quelle: www.novaled.com

www.tu-ilmenau.de


Quelle: www.novaled.com

www.tu-ilmenau.de


www.comedd.fraunhofer.de

Transparente OLED

PEDOT

basierte

Elektrodenhttp://www.oled-info.com

www.tu-ilmenau.de


www.comedd.fraunhofer.de

Farb-steuerbare OLED

www.tu-ilmenau.de


Roll-to-Roll (r2r) Technologie

Quelle: www.comedd.fraunhofer.de

www.tu-ilmenau.de


CIE Farbnormtabelle

R: 700nm x=0.7355 y=0.2645

G: 546,1nm x=0.2658 y=0.7243

B: 435,nm x=0.1669 y=0.0085

White point: x=0.3333 y=0.3333

www.tu-ilmenau.de


Liquid Crystal

White Backlight

Color Filter

Transparent Electrode

Polarizer

Polarizer

AC Voltage

(Field Effective)

LCD (liqiud crystal display)

www.tu-ilmenau.de


Cathode

Anode

EL Multi Layer

PassivationDC Current

OLED display

www.tu-ilmenau.de


OLED display

Side-by-side

www.tu-ilmenau.de


OLED display

Weiße OLED mit Farbfilter

www.tu-ilmenau.de


D a ta L i ne

S c an L i n e

EL

Passiv Matrix Display

mth Data Line

Rd

Rs Rs Rs

Cel CelEL EL EL

1st Scan line 2nd Scan line nth Scan line

Cel

Rd

www.tu-ilmenau.de


C a t h o d e

D a t a L i n e

S c a n L i n e E L

A n o d e

Aktiv Matrix Display

www.tu-ilmenau.de


Electrophoretic display

www.tu-ilmenau.de


Entwicklung

2007: Sony: OLED TV XEL-1, 11“Auflösung: 1024x600

Kontrast: 1.000.000:1

Helligkeit 200cd/m2

Lebensdauer: 30.000h

2009: LG: OLED TV 15“ Auflösung: 1366x768

Kontrast: 10.000.000:1

Reaktionszeit: 1ms

Dicke: 1.4mm

Lebensdauer: 30.000h


Samsung: transparente OLED

www.tu-ilmenau.de


Entwicklung

2009: Sony: 2.5“ rollbares Display mit OTFTAuflösung: 160x120

Kontrast: 1.000:1

Helligkeit 100cd/m2

Dicke: 300µm

Sony: OLED TV 21“ Auflösung: 1366x768

Kontrast: 1.000.000:1

Dicke: 1.4mm


www.tu-ilmenau.de


2010: CES (consumer electronic show) 3D-OLED TV

Sony: 24“ (1920x1080)

Samsung: 14“ und 14“-Notebook-Display 40% transparent

Samsung: Super AMOLED 3.1“in Wave S8500

Pixel-Anordnung: Pen Tile

RGBG

Sony: 4.1“ rollbares Display mit OTFTAuflösung: 432x240

Kontrast: 1.000:1

Helligkeit 100cd/m2

Dicke: 80µm


www.tu-ilmenau.de


2010: LG: OLED TV 31“ Dicke: 0.29cm

Refresh-Rate: 600Hz

2011: Samsung: Super AMOLED Plus 4.3“

in Galaxy S2Pixel-Anordnung: RGB

50% mehr Sub-Pixel


Du Pont: 4,3“ gedruckter AMOLED Dicke: 0.29cm

Refresh-Rate: 600Hz

www.tu-ilmenau.de


2012: CES 55“-Display

Samsung LG

RGB WRGB

Sharp: 13,5“ OLED TV (3840x2160)

und 3,4“ flexibles Display

(540x960)

Treibertransistoren: IGZO

www.tu-ilmenau.de


2013: CES Trend: gewölbte Displays oder 4K (3840x2160)

LG: 55“ OLED TV (1920x1080)

Modell EA9800

Dicke: 4,3mm

Preis: ca. 6.000,-€


Samsung: 55“ OLED TV (1920x1080)

Modell KE55S9C

Preis: ca. 8.000,-€

www.tu-ilmenau.de


Panasonic: 56“ 4K OLED TV

Modell KE55S9C

Dicke: 8,9mm

gedruckt

Sony: 56“ 4K2K OLED TV


2014: CES Trend: gewölbte Displays und 4K (3840x2160)

Panasonic: 58“ 4K OLED TV

geplant: 65“, 85“

www.tu-ilmenau.de


2014:

LG: 18“ OLED Display rollbar auf 3cm

Samsung: 55“ 4K

biegsam


2016:

LG: 77“ 4K OLED TV

www.tu-ilmenau.de


Beleuchtung

Quelle: www.oled-display.net

www.tu-ilmenau.de


Weiße OLED

Lichtausbeute:

Glühbirne: 15lm/W

Halogenlapmen: 19lm/W

Leuchtstoffröhre: 60lm/W

Energiesparlampe: 60…90lm/W

OLED muss 100lm/W erzielen

Quelle: Optik&Photonik April 2010

www.tu-ilmenau.de


Weiße OLED


www.tu-ilmenau.de


Triplett-Harvesting-Methode


Emitter: blau rot

X

www.tu-ilmenau.de


Auskopplungseffizienz


www.tu-ilmenau.de


EST 100meV

notwendig

Quelle: Nature, vol.492 (2012), p. 234

Thermally activated delayed fluorescence (TADF)

www.tu-ilmenau.de


Thermally activated delayed fluorescence (TADF)


www.tu-ilmenau.de


2009: Philips: Lumiblade

Osram: Orbeos

25lm/W , d=2mm, 2800K

2010:

Osram: flexible OLED

32lm/W , d 100µm, 1000cd/m2


www.tu-ilmenau.de


2013: Philips und Audi:

3D (gewölbte OF) OLED

Merck Material gedruckt

2014: LG Chem:

Tischlampe mit Smart

Phone steuerbar, 9 Modi


2015: Konica Minolta:

Japanisches

Tulpenfestival

www.tu-ilmenau.de

-

+Kathode

Anode

+

-

HOMO

LUMO

h·

Funktionsprinzip

VL Polymerelektronik Solarzelle

www.tu-ilmenau.de


transparent electrode

PEDOT/PSSpolymer

fullerenemetal electrode

transparent electrode

PEDOT/PSS

metal electrode

Hetero-Zweischicht Bulk-Hetero

Löcherinjektion in p-HL (Donator, Polymer)

Elektronenijektion in n-HL (Akzeptor, Fulleren)

www.tu-ilmenau.de


Funktionsprinzip Heterostruktur

Quelle IAPP

www.tu-ilmenau.de


Elektron vom LUMO des

PPV in LUMO des CN-PPV

da energetisch günstiger

Ladungstrennung

www.tu-ilmenau.de


Donator

AkzeptorC60

MDMO PPV

PCBM

www.tu-ilmenau.de


IPHmax häufig bei negativen U

reduziert FüllfaktorEinfluss Serienwiderstand

www.tu-ilmenau.de


www.tu-ilmenau.de


Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_cell

www.tu-ilmenau.de


Tandemsolarzelle

Quelle: Science, vol.

317 , 222 (2007)

www.tu-ilmenau.de


Quelle: Science, vol. 317 , 222 (2007)

TiOx electron transport

and collecting layer

www.tu-ilmenau.de


Quelle: Science, vol. 317 , 222 (2007)

Tandemzelle

Jsc = 7.8mA/cm2; Voc = 1.24 V

FF = 0.67 he = 6.5%

Einzelzellen

PCPDTBT:PCBM he = 3%

P3HT:PC70 BM he = 4.7%

www.tu-ilmenau.de


www.tu-ilmenau.de


Quelle: heliatek.com

Solarfolie Solarzelle

www.tu-ilmenau.de


Grätzel-Zelle (Farbstoffzelle)

www.tu-ilmenau.de


Grätzel-Zelle (Farbstoffzelle)

HTM - hole-transport material (poly-triarylamine)

FTO - fuorine-doped tin oxide

CH3NH3PbI3 - perovskite

Quelle: DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.80

www.tu-ilmenau.de

VL Polymerelektronik OFET

Si - MOSFET

S

G

p-siliconD

n+ n+• Inversionstransistor

• ID unabhängig von Si-Dicke

G

polymer

S D

Au Au

OFET

• Anreicherung und Verarmung

• dünne Schicht für Ausschalten TFT

www.tu-ilmenau.de


0 -2 -4 -6 -80

-2

-4

-6

I D (µ

A)

UDS

(V)

VGS

= -8V

-6V

-4V

-2V

2 0 -2 -4 -6 -80

-2

-4

-6

I D (n

A)

UGS

(V)

VDS

= -8V

VDS

= -1V

Ausgangs-KLF Transfer-KLF

p-Kanal-OFET

www.tu-ilmenau.de


Shockley Gleichung

( )

2

''fo r

2

D S

D is G S th D S D S G S th

VwI C V V V V V V

L

( )2

''fo r

2

G S th

D is D S G S th

V VwI C V V V

L

Aktiver Bereich:

Sättigungsbereich:

www.tu-ilmenau.de


Beweglichkeit

Aktiver Bereich:

Sättigungsbereich:

''

D S

D

m is D S

G S V

d I wg C V

d V L

''

2D S

D

is

G SV

d I wC

d V L

www.tu-ilmenau.de


p-leitende Materialien

www.tu-ilmenau.de


p-leitende

Polymere

Adv. Mater. 2013, 25, 4210

www.tu-ilmenau.de


n-leitende Materialien

www.tu-ilmenau.de


n-leitende

Polymere

Adv. Mater. 2013, 25, 4210

www.tu-ilmenau.de


ambipolare

Polymere

Adv. Mater. 2013, 25, 4210

www.tu-ilmenau.de


n+-silicon gate

SiO2

OH OH OH OH

SiO2

O O O O

Si(CH3)3 Si(CH3)3 Si(CH3)3Si(CH3)3

SiO2

Silanisierung

O2-Plasma: 2 min @ 300W

HMDS: 26 h @ 60°C

Spülen: 3min Toluol, 3min Diethylether

www.tu-ilmenau.de


Organische Isolatoren

PVP- polyvinylphenol PVC - polyvinylchloride

PS – polystyrene PVDF - polyvinylidenfluoride

PMMA - polymethylmetacrylate PMS – poly[-methylstyrene]

PVA – polyvinylalcohol CYPEL - cyanoethylpullulan

www.tu-ilmenau.de


AlOx+SAM

N-alkyl phosphonik acids Cn-PA

Quelle: Org. Elec. 10(2009)1442

2.44nm … 0.41nm

www.tu-ilmenau.de


Organic semiconductor

Substrate

Gate dielectric

Gate electrode

Drain Source


Substrate

Gate dielectric

Source

Gate electrode

Drain

Gate dielectric

Substrate


Source Drain

Gate electrode

Source

Gate dielectric

Substrate


Gate electrode

Drain

TOP gate

bottom gate

www.tu-ilmenau.de


S

Substrat

Org. HL

IsolatorD

G

S

Substrat

Org. HL

Isolator

D

G

TOC BOC

G

S D

insulator

G

S D

insulator

www.tu-ilmenau.de


6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)

pentacene (TIPS-Pentacen)

Schichtherstellung aus der Lösung

Tempern bei ca. 100°C

Beweglichkeit 0.1 … 1cm2/Vs

2,8difluoro-5,11-bis(triethylsilylethyny)

anthradithiophene (diF-TESADT)

www.tu-ilmenau.de


Soft lithography Ink-jet

Quelle: APL 85 (2004) 5730 Quelle: nmat 3 (2004) 137

www.tu-ilmenau.de


02 | 2 |

e

ln

b

d ep

A

A

b T

i

lN

NU

n

maximale Schichtdicke abhängig von Dotierung

p o ly d ep

d l

1016

1017

1018

1019

0

50

100

150

200

250

NA (cm-3)

l dep

(nm

)

EG=2eV

r=3

www.tu-ilmenau.de


Schwellspannung

1015

1016

1017

1018

0

5

10

15

20

25

dP3HT

=20nm

dP3HT

=40nm

dPVP

(nm)

400

200

50

Vth

(V)

NA (cm

-3

)

0 100 200 300 400 5000

5

10

15

20

25

Vth (

V)

dPVP

(nm)

dP3HT

(nm)

60

40

20

10

2

''

e2 fo r

A P o ly P o ly

th F B b P o ly d ep

is d ep

N d dV V d l

C l

www.tu-ilmenau.de


Schwellspannung

2

'' '' ''

e 1 12 e

2

A P o ly P o ly

th F B b F B A P o ly

is d ep is g eo

N d dV V V N d

C l C C

www.tu-ilmenau.de


2 1

0

2 1

( )

d s

d

gu

m

g s g d

ih

i

gh

j C C

Grenzfrequenz

Transitfrequenz: f=fT für |h21|=1

CgdCgs gm vgs

ig id

S

Vds=0

www.tu-ilmenau.de


10-3

10-2

10-1

100

101

0.1

1

10

100

fT

100kHz

1MHz

10MHz

L (µ

m)

µ (cm2

/Vs)

VGSeff

=10V

Polymere Oligomere

''

''

2

S ä tt ig u n g :

( )

2 ( )

( )2

g s g d in s in s

m in s G S th

m

T

g s g d

T G S th

C C C C w L

wg µ C V V

L

gf

C C

µf V V

L

Grenzfrequenz

www.tu-ilmenau.de


Grenzfrequenz

BOC-OFET: dox=50nm; dP3HT=50nm; µ=0.02cm2/Vs

Aktiver Bereich: VDS=-1V; VGS=-6V

10-4

10-2

100

102

104

106

108

0

50

100

150

200

250

curr

ent g

ain

|h21

| (dB

)

frequency (Hz)

L (µm)

20

10

6

2

1

0.5

0.2

0.05

22

T D S

µf V

L

0.1 1 1010

2

104

106

108

simulation

analytical

cuto

ff fre

quen

cy (H

z)

channel lenght (µm)

www.tu-ilmenau.de


2 ( )

m

T

in s p a ra s it ic

gf

C C

Einfluss parasitärer Kapazitäten:

Reduzierung durch

selbstjustierte Kontakte

z.B. durch

Rückseitenbeleuchtung

S D

gate

Cp CinsCp

P3HT S D

gate

Cins

P3HT

Photoresis

t

S D

Folien-Substrat

Polymer

Organisher IsolatorG ResistResist

www.tu-ilmenau.de


Grenzfrequenz S/D zu Gate Überlappung

BOC

oL oL

D S

t

p a r2 ( )

µVf

L L L

2p a r o L

L L 0.1 1 1010

2

104

106

108

VGS

=-6V; VDS

=-1V

f T (H

z)

L (µm)

simulation

oL=0

oL=5µm

oL=10µm

analytical

www.tu-ilmenau.de


S

G

DS‘ D‘RS RD

D S

T 2

''

o L G S th2 ( ) 1 2 ( )

in s

µVf

wL L L µ C R V V

L

0,01 0,1 1 10 10010

1

102

103

104

105

106

channel length (µm)

cuto

ff fre

quen

cy (H

z)

R (MW)

3.5

35

350

D G S th

A n n a h m e :

S DR R R

R I V V

Einfluss von Serienwiderständen

www.tu-ilmenau.de


BOC

Einfluss von Serienwiderständen

0.1 1 1010

2

104

106

108

simulation

oL=0

oL=5µm

oL=10µm

analytical

VGS

=-6V; VDS

=-1V

f T (H

z)

L (µm)

R=0

R=1.75kWcm

0.1 1 1010

2

104

106

R=0

R=1.75kWcm

LoL

=5µm

cuto

ff fre

quen

cy (H

z)

channel lenght (µm)

TOC

BOC

Rpa

r

Rpa

r

TOC

www.tu-ilmenau.de


Kapazitäten Cgs und Cgd

-3 -2 -1 00

100

200

300

400

500

VDS

(V)

0

-0.5

-1

-1.5

Cgd

Cgs

Cp (p

F)

VGS

(V)

0 -1 -2 -30

100

200

300

400

500

Cgd

Cgs

Cp (p

F)

VDS

(V)

VGS

=-2V

-2.5V

-3V

OFET mit AlOx/SAM Isolator dis=5.3nm; L=200µm; f=500Hz

www.tu-ilmenau.de


Simulation für P3HT-OFET: µ=10-3cm2/Vs; NA=1016cm-3

Kontakt

-50

-40

-30

-20

-10

0-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

VBp

(eV)

0

0.3

0.4

VGS

(V)

I D (p

A/µ

m)

TOC

BOC

5

4

3

2

1

00 -2 -4 -6 -8 -10 -12

VGS

(V)

gm

(pS

/µm

)

VBp

(eV)

0

0.3

0.4

TOC

BOC

TKL SteilheitVDS= -1V

www.tu-ilmenau.de


Simulation für P3HT-OFET: µ=10-3cm2/Vs; NA=1016cm-3

Kontakt

VGS= -12V

0 -2 -4 -6 -8 -10 -120

-50

-100

-150

-200

-250

VBp

(eV)

0

0.3

0.4

TOC

BOC

I D (p

A/µ

m)

VDS

(V)

G

S D

insulator

G

S D

insulator

BOC

TOC

www.tu-ilmenau.de


Einfluss des Schottky-Effektes

VGS = -3V S/D=4.6eV

0

e

4B p

r

EV

Barrierenerniedrigung:

OFET mit AlOx/SAM Isolator dis=5.3nm; L=2µm

0 -1 -2 -30

-10

-20

-30

4.5eV

4.6eV

4.7eV

S/D

= 4.8eV

I D (µ

A)

VDS

(V)

0 -1 -2 -30

1

2

3

4

5

S/D

= 4.6eV

-1.8V

-2.1V

-2.4V

-2.7V

VGS

= -3V

gd (µ

S)

VDS

(V)

www.tu-ilmenau.de


ol ol

5µm

Einfluss der S/D-Überlappung im TOC

VGS = -12V, L=25µm

0 -2 -4 -6 -8 -100

-20

-40

-60

-80

-100

-120

-140

TOC ol (µm)

5

2.5

0.5

0

BOC

I D (p

A/µ

m)

VDS

(V)

VBp

(eV)

0

0.4

www.tu-ilmenau.de


-250

-200

-150

-100

-50

00 -2 -4 -6 -8 -10 -12

VDS

(V)

I D (n

A)

µ (cm

2

/Vs)

1x10-3

1x10-6

1x10-7

Anisotropie der Beweglichkeit für TOC

µ|| =10-3cm2/Vs

0 -2 -4 -6 -8 -10 -120

2

4

6

8

10

12 -12

-10

-8

-6

gd (

nS

/µm

)

VDS

(V)

G

S D

insulator

µ||µ µ

VGS=-12V

µ =10-7cm2/Vs

www.tu-ilmenau.de


Beweglichkeitsmodelle

BOC: TPD-MEH-PPV-OFET: L=25µm; dox=100nm

10-8

10-6

10-4

10-2

100

-8 -6 -4 -2 00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

constant

Limketkai

with T0=400eV

Pasveer/Coehorn

=0.08eV

ID/I

D(-

8V

)

ID/I

D(-

8V

)

VGS

(V)

VDS=-1V

nichtlineare Kennlinie

0 -2 -4 -6 -8 -100.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

L (µm)

25

1

constant

Limketkai with T0=400eV

Pasveer/Coehorn =0.08eV

I D*L

/w (

nA

)V

DS (V)

VGS=-10V

www.tu-ilmenau.de


Modifizierte IV-Charakteristik (Marinov/Deen)

oberhalb Subthreshold- Subthreshold-Bereich

2 2

0

( , ) ( , )(1 | |)

2

E O D R E O D RG S S G S D

D is D S

V V V V V VwI µ C V V

L

g g

g

( )

0{ ( )} m it 0

G S th

µµ V V V x

V

g

g

g

g

( , ) ln 1 e x pG S th

E O D R G S S S

S S

V V VV V V V

V

( , ) e x pG S th

E O D R G S S S

S S

V V VV V V V

V

( , )

E O D R G S G S thV V V V V V

www.tu-ilmenau.de


Source Drain40 nm pentacene

300 nm SiO2

heavily doped Si

Gate

OTS

OFET

L=30µm; w=600µm

µ=0.85cm2/Vs

LUMO=3.22eV

HOMO=5.07eV -50 -25 0 25 5010

-15

10-12

10-9

10-6

10-3

S=60mV/dec

S=930mV/dec

measurement

simulation

without traps

I D (A

)

VGS

(V)

VDS=-50V

www.tu-ilmenau.de


Exponentielle Traps

VDS = -50V

Donator: N0,td=1019cm-3; Es=0.1eV

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 5010

-17

10-15

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

I D (

A/µ

m)

VGS

(V)

E0-E

V (eV)

without

0

0.1

0.2

0.3

Akzeptor: N0,td=1018cm-3; Es=0.1eV

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 5010

-17

10-15

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

I D (

A/µ

m)

VGS

(V)

EV-E

0 (eV)

without

0

0.3

0.5

0.7

0.9

www.tu-ilmenau.de


DNTT: L=2µm; w=20µm; dox=30nm; dDNTT=30nm

3.6nm AlOx + 1.7nm SAM gate dielectric

0 -1 -2 -30

-4

-8

-12

LC (µm)

200

20

5

VGS

= -3 V

I D (µ

A)

VDS

(V)

Nichtlinearität bei kleinen VDS

www.tu-ilmenau.de


Drainleitwert

Messung LC =5µm Simulation mit Traps

0 -1 -2 -30

1

2

3

-1.8V

-2.1V

-2.4V

-2.7V

VGS

= -3V

gd (µ

S)

VDS

(V)

0 -1 -2 -30

2

4

6

gd (µ

S)

VDS

(V)

VGS

= -3V

-2.7V

-2.4V

-2.1V

-1.8V

D0=2x1020cm-3eV-1

E0-EV =0.1eV and ES=0.1eV

www.tu-ilmenau.de


0,0 0,5 1,0 1,510

14

1016

1018

1020

Acceptor-like

states DA(E)

energy (eV)

desn

ity o

f sta

tes

(cm

-3eV

-1)

EV

EC

deep states

tail states

Donor-like

states DD(E)

0, ,

0 ;( ) e x p

A D A D

A D

S

E ED E D

E

Amorphes Si-Modell für Traps

www.tu-ilmenau.de


Ambipolare OFETs

silicon

SiO2

pentacene

PTCDI-C13H27

Au

Mg

+-

Rekombinationsrate

www.tu-ilmenau.de


Ambipolare OFETs

www.tu-ilmenau.de


Ambipolare OFETs

1,8-naphtoylene(trifluoromethylbenzimidazole)

-4,5-dicarboxylic acid imide

pentacene

Appl. Phys. Lett. 2013, 10, 073303

www.tu-ilmenau.de


Sony Mai 2010: OLET organic light-emitting transistor

15nm

40nm

7nm

Vorteil:

Effizienz h =5% OLED 2%

Nachteil:

geringe Leuchtdichte

h+

e-emission

www.tu-ilmenau.de


Ambipolare OFETs

Adv. Mat. 2012, 24, 647

diketopyrrolopyrrole-thienothiophene

www.tu-ilmenau.de


OFET für Electrophoretic Displays

Quelle: J. of Displ. Techn. 3 (2007) 57

www.tu-ilmenau.de


OFET für AMOLED

Quelle: Plastic Electronics Conf. 2010

www.tu-ilmenau.de


Sony Mai 2010: Rollable OTFT driven OLED display

OFET:

L=5µm

µ=0.4cm2/Vs

Ion/Ioff = 106

Größe: 4.1 inch wide; 80µm dick

Pixelzahl: 432x240xRGB pixel

Pixelgröße: 210µmx210µm

Auflösung: 121ppi (pixel per inch)

Max. Leuchtdichte: >100cd/m2

Kontrast: >1000:1

Min. Krümm.-Rad.: 4mm

Treiberschaltung: 2T-1C

www.tu-ilmenau.de


Charge trapping memory

AuNP

Quelle: Nano Letters 10 (2010) 2884PVP ca. 400nm

www.tu-ilmenau.de


Floating gate OFET

Quelle: Science vol. 326, p.1516 Sekitani

AlOx (4nm)/SAM (2nm)

L=50µm, w=500µm

www.tu-ilmenau.de


Floating gate OFET

Quelle: Science vol. 326, p.1516 Sekitani

Strom durch Isolator

www.tu-ilmenau.de


13.56 MHz RFID tag

Quelle: Plastic Electronics Conf. 2010

Logik

Modulation

www.tu-ilmenau.de


Schottkydiode

300nm

50MHz:

Adiode=10µmx170µm

RL=50kW;CL=47nF;

Vsupply=10V; VA=18V

Quelle: Nature Mat. 4 (2005) 597

Digitale Schaltungen MOS-basiert

www.tu-ilmenau.de


statische Techniken dynamische Techniken

NMOS PMOS CMOS d-MOS CCD

CMOS (complementary MOS) - Inverter

www.tu-ilmenau.de


Problem für OFET - Inverter:

p und n-Kanal OFETs mit einstellbarer Vth auf einem Substrat

Vout

Vin

Inverter Kenngrößen

www.tu-ilmenau.de


dynamische Kennwerte:

Leistungsaufnahme beim Schalten

Verzögerungszeiten

Noise margin (Reserve Signal- zu Rauschpegel)

Vout

Vin

Vtrip

Statische Kennwerte:

Ausgangs Low-Pegel VOL

Ausgangs High-Pegel VOH

midpoint VoltageVM

Verstärkung (gain) = ∂Vout/∂Vin

Vtrip – Differenz zwischen gain = -1

Ausgangsstrom High-Zustand IDD(OH)

Ausgangsstrom Low-Zustand IDD(OL)

statische Leistungsaufnahme

www.tu-ilmenau.de

• semiconductor properties• bottom contact device

" -2

5 .3 n m

6 8 5 n F c m

4 .1

3 0 n m

5µ m

o x

o x

o x

sc

d

C

d

L

1 6 -3

2 -1 -1

3 .0 e V , 2 .0 e V

5 1 0 c m

0 .1c m V s

g

A

E

N

Transistor Parameters


-3 -2 -1 0 110

-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

Nif [cm

-2]

0

1x1012

-1x1012

-5x1012

I D [

A]

VGS

[V]

L=5µm, w=100µmV

DS=-3V

Diode load inverter

(PELS p-channel enhancement load saturation)

www.tu-ilmenau.de


p-Kanal Anreicherungstyp Vth < 0V

|VDS| > |VGS-Vth| Last in SättigungTreiber weit und kurz, Last schmal und lang

0 1 2 30

1

2

3

20

10

5

2

1

=(w/L)Treiber

/(w/L)Last

Vo

ut [

V]

Vin [V]

0 1 2 30

1

2

3

4

20

10

5

2

1

=(w/L)Treiber

/(w/L)Last

ga

in [1

]

Vin [V]

PELT p-channel

enhancement load triode

www.tu-ilmenau.de

Vee > 0V -> |VDS| < | VGS-Vth|

-> linearer Bereich


0 1 2 30

1

2

3

N''

if [cm

-2]

11012

-11012

Vee

[V]

0.0 0.5 1.0

Vo

ut [

V]

Vin [V]

0 1 2 30

1

2

3

4

N''

if [cm

-2]

11012

-11012

VSS

[V]

0.0 0.5 1.0

ga

in [1

]

Vin [V]

zero VGS load inverter

PDLT (p-ch. depletion

mode technology)

www.tu-ilmenau.de

0 1 2 30

5

10

15

20

25

Nit [10

12cm

-2]

5

5

1

w load [µm]

1000

200

1000

drive: L=5µm, w=1000µm

load: L=5µm

ga

in [1]

Vin [V]

0 1 2 30

1

2

3

w load [µm] 1000 200 1000

Nit [10

12cm

-2]

5 5 1

Vo

ut [

V]

Vin [V]

drive: L=5µm, w=1000µmload: L=5µm

Modifikation der Schwellspannung

durch Grenzflächenzustände Nit


Vergleich der Invertertypen dynamisch

0 5 10 15 20 25

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

V [

V]

time [ms]

Vin

Vout

PELT (Vee

=1.0V)

PELS

PDLT

www.tu-ilmenau.de


PDLT-Inverter mit Doppel-

gate Transistoren

www.tu-ilmenau.de

-3 -2 -1 0 110

-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

doxtg

=100nm

w=1000µm

Nif=1x10

12cm

-2

L=5µm

VDS

[V]

-3

-0.2

Vtg-source

[V]

3

0

-3

I D [A

]

VGS

[V]

Zusätzlich:

Top-Gate 100nm BCB

Austrittsarbeit 4.3eV

0 1 2 30

1

2

3

Vtg-gnd

[V]

0

-3

-6

-10

=1

Vo

ut [

V]

0 1 2 3

0

1

2

3

4

5

Vtg-gnd

[V]

0

-3

-6

-10

=1

ga

in [1

]

Vin [V]


Plastik Prozessor

Intel 4004 4bit µP Imcec plastic 8bit µP

Jahr 1971 2011

Größe 0,3 x 0,4cm2 DIP16 1,96 x 1,72cm2 25µm Folie 32pins

U / P 15V / 1W 10V / 92µW

Halbleitermaterial Silicon PMOS µ~450cm2/Vs Pentacence µ~0,15cm2/Vs

Transistoranzahl 2300 3381

Kanallänge/Wafer 10µm / 2“ Wafer 5µm / 6“ Wafer

Operationen/s 92000 40

http://www.4004.com/ http://www.imec.be/

www.tu-ilmenau.de


Organic Electronics 8 (2007) 552–558Organic Electronics 11 (2010) 169–174

Unterschiedliche Gatematerialien

IEEE Trans. on Electr. Dev. 61 (2014) 2220

Organische PDLT-Inverter

www.tu-ilmenau.de


Organic Electronics 8 (2007) 552–558Organic Electronics 11 (2010) 169–174

IEEE Trans. on Electr. Dev. 61 (2014) 1175

Organische PELS-Inverter

www.tu-ilmenau.de


Probleme p-Kanal Inverter

• Leistungsaufnahme auch im stationären Fall

• eventuell verschiedene Schwellspannungen nötig

• Aspektverhältnis zwischen Treiber- und Lasttransistor

ungünstig

• geringe Verstärkung

Alternativen wie CMOS Schaltungen auch für OFET´s

notwendig

www.tu-ilmenau.de


Organische CMOS Inverter

App. Phys. Lett. , 104 (2014) 053301

www.tu-ilmenau.de


PVP

hexadecafluorphtalocyanine

Organische CMOS Inverter

App. Phys. Lett. , 104 (2014) 153303

www.tu-ilmenau.de


ambipolar: PTVPhI-Eh

Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen ... · Samsung Galaxy S6 Quelle: Konica Minolta...

Documents

Transcript of Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen ... · Samsung Galaxy S6 Quelle: Konica Minolta...