13.03.2013

Schwache Dotierung verbessert polymerbasierte Feldeffekttransistoren

Die Kurven zeigen, wie sich mit zunehmender Dotierung in der halbleitenden Schicht das Transistorverhalten drastisch verbessert. Als Ursache machten die Forscher die Bildung leitfähiger Perkolationspfade aus, die den Transport von Ladungen entlang des Transistorkanals ermöglichen.

In der organischen Elektronik haben sich Mischsysteme, in denen halbleitende Makromoleküle in einer isolierenden Polymermatrix eingebettet sind, als besonders geeignet für die Herstellung von  Transistoren erwiesen. Bislang waren die Gründe dafür nicht genau bekannt. Nun konnten Wissenschaftler aus mehreren Forschungseinrichtungen die komplexe Morphologie dieser Mischsysteme aufklären und damit die elektronischen Eigenschaften erklären.

Organische Halbleitermaterialien, die  auf konjugierten Polymeren basieren, erreichen inzwischen Ladungsträgermobilitäten, die denen von amorphem Silizium vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen. Ein besonders interessantes Anwendungsfeld dieser Materialien sind Dünnschichttransistoren, wie sie z.B. als Backplanes in aktiv-gesteuerten Displays Anwendung finden. Halbleitende Polymere sind jedoch nicht transparent, sondern stark gefärbt. Zudem werden viele dieser Materialen durch Luftsauerstoff dotiert, was zu schlechten An/Aus-Verhältnissen der Transistoren führt. Vor einigen Jahren wurde gezeigt, dass die Einmischung geringer Mengen halbleitender Makromoleküle in eine isolierende Polymermatrix, z.B. aus Polystyrol und PMMA, die Herstellung von  Transistoren mit sehr guten elektrischen Eigenschaften erlaubt, die zudem eine ausgezeichnete Stabilität an Luft aufweisen. Das überraschende Verhalten dieser Polymermischungen war bisher nicht verstanden.

Wissenschaftlern aus der Universität Potsdam und der Humboldt-Universität zu Berlin ist es in Zusammenarbeit mit Gruppen am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, am Max-Planck Institut für Polymerforschung in Mainz und an der Stanford Universität gelungen, die strukturellen und elektrischen Eigenschaften dieser Mischsysteme konsistent zu erklären. Ihre Ergebnisse erschienen online am 12. März 2013 in Nature Communications (DOI 10.1038/ncomms2587).

Es zeigte sich, dass in diesen Mischsystemen die Dotierung der halbleitenden Komponente zu einer drastischen Verbesserung des Transistorverhaltens führt. In Schichten reiner konjugierter Polymere ist dies nicht zu beobachten. Ursache dafür ist die komplexe Morphologie der Schichten: Dabei  sind kleine Kristallite des halbleitenden Polymers inhomogen über das Schichtvolumen verteilt. In dieser komplexen Struktur führt die Dotierung dazu,  dass sich leitfähige Perkolationspfade für den Transport der Ladungen entlang des Transistorkanals bilden. Auf der anderen Seite genügt die Verarmung einiger weniger Halbleiterdomänen, um den Transistor komplett abzuschalten. Durch Optimierung der Mischsysteme konnten nahezu transparente organische Feldeffekttransistoren mit Mobilitäten bis zu 0.3 cm2/Vs und sehr hohen An/Aus-Verhältnissen realisiert werden.

G. Lu et al., Nature Communications, DOI 10.1038/ncomms2587