The influence of trap states on charge transport in organic transistors

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1 Research Collection Doctoral Thesis The influence of trap states on charge transport in organic transistors Author(s): Pernstich, Kurt Peter Publication Date: 2007 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH No The Influence of Trap States on Charge Transport in Organic Transistors A dissertationsubmitted to the ETI! Zürich for the degree of Doctor of Natural Sciences presented by Kurt Peter Pernstich Dipl.-Ing., Graz University of Technology born August 15th, 1975 Citizen of Austria aeeepted on the recommendationof Prof. Dr. Bertram Batlogg, examiner Dr. Dago M. de Leeuw, co-examiner Zürich, 2007

3 Abstract This thesis work focuses on the influence of trap states on the transport prop erties of organic serniconduetors. After a general introduction to the fabrication techniques and advantagesof organic materials, we briefiy discuss the physical ori gin of charge transport in vr-conjugated organic (semi-)conductors. The presented work is then put into perspective with current research before individual topics are addressed. The first such topic investigates the effect of different organosilane molecules on the charge transport in both, thin-film transistors (TFT) and single-crystal fieldeffect transistors (SC-FET). The molecules form a self-assembled monolayer (SAM) on the SiÜ2 gate insulator, and the measurements showed a pronouneed shift of the transistor's turn-on voltage. In TFTsthis shift was aecompanied by a broadeningof the subthreshold swing and a decreased field-effect mobility. In SC-FETs however, the subthreshold swing remained very steep. The main Undings of this study are that the observed shift of the turn-on voltage is due to a SAM-induced fixed interface charge in the semiconduetorregion next to the gate insulator and that the SAM adverscly influencesfilm growth thereby increasingthe trap density in TFTs. This is supported by modeling two prototypicaltfts using a modified amorphoussijicon-model,which was developed in our research group. This model was also used to describe a water-related trap state inducedin pentacenesc-fetsby a prolonged applicationof a large gate voltage. The step-like feature in the subthreshold region that formed during this gate bias stress was best described by a discrete interface trap state centered at 430 mev above the valence band edge. The same model was also used to describe the Seebeck coefficient measured in two prototypical organic semiconduetors. To measure the Seebeckcoefficient we employed transistor structuresthat enable a controlledmodulation of the Fermi-level position Ep in the active semiconduetor region by applying a gate voltage Vy. The position of Ep(Vg) is obtained from modeling the transistor's characteristics, which allows to predict a parameter A in a very narrow ränge, that subsumes details of the transport states as well as scattering mechanismsand electron-lattice interactions. We found that values between A 1.7 and 3.6 describe the measurements in both, high mobility = rubrene single-crystal FETs and in pentacenethin-film FETs.

4 In the last chapter we present a study on the contact resistanceand on bias stress effects in n-channcl TFTs. We also describe in detail a pulsed measurement proto col to precisely quantify the effect of gute bias stress while minimizing detcriorative effects of the measurementitself, which can be a vital tool for future investigations of bias stress effects. Also in the last chapter, we present an introduction to Hall measurements in high-resistivity samples that use a doublc-rnodulation technique to improve the signal-to-noise ratio over conventional DC techniques. This mea surement technique should enable to perform Hall measurements on a quick and routinely basis.

5 Kurzfassung Diese Dissertation beschäftigt sich hauptsächlich mit dem Einfluss von Störstcllen auf den Ladungstransport in Kohlenstoff-basierten Halbleitern. Nach einer all gemeinen Einführung in die Verarbeitungsmethoden und die Vorteile organischer Stoffe, werden die physikalischen Grundlagen des Ladungstransportes in vr-konjugiertenorganischen (Halb-)leitern beschrieben. Bevor konkrete Projekte vorgestellt werden, wird diese Arbeit in Zusammenhang mit aktuellen Forschungsergebnissen gestellt. In dem ersten Projekt untersuchten wir den Einflussvon verschiedenen Organosilan-Molekülen auf die Transporteigenschaft in Dünnfilm- sowie Einkristall-Tran sistoren. Die besagten Moleküle bilden eine selbst-organisierte Schicht (SAM) auf dem Si02 Isolator, und elektrische Messungen zeigten in beiden Transistor varianten eine Verschiebungder Einschaltspaimung,und in Düiinülm-Transistoren (TFT) zusätzlich einen verbreiterten Bereich unterhalb der Schwellspannung. In Einkristall-Transistorenblieb dieser Bereich unverändertsteil, woraus wir schliessen, dass die Verschiebung der Einschaltspaimungdurch eine fest eingebaute und von der SAM hervorgerufene Ladung verursacht wird, welche sich nur an der Schnitt stelle zwischenhalbleiterund Isolator befindet. Diese Schlussfolgerung wird durch Simulationenmit einem modifizierten amorphen-siliziummodell bestätigt, welches in unserer Forschungsgruppe entwickelt wurde. Dieses Modell wurde auch be nutzt, um einen Störstellenzustand zu erklären, der sich durch langes Anlegen einer hohen Gate-Spannungin Peiitazen Einkristall-Transistorenbildete, und mit dem Vorhandensein von Wasser in Verbindung gebracht wurde. Messungenzeigten eine ausgeprägtestufe im Bereich unterhalb der Schwcllspannung,welcher am besten durch einen schmalen Störstellenzustand besehrieben wird, der 430 mev von der Valenzbandkante entfernt liegt. Das selbe Modell wurde auch benutzt um den Seebeck-Koeffizienten in zwei exemplarischenhalbleitern zu beschreiben. Für die Messung des Seebeck-Koeffizienten wurden Transistor-Strukturen verwendet, es erlauben, die Fermi-EnergieEp in der aktiven Halbleiterschichtdurch Anlegen einer Gate-Spannung Vg zu modulieren. Die Lage von Ep{Va) wird durch Mo dellierung der Transistor-Kennlinien berechnet, und deren Kenntniss erlaubt die genaue Vorhersage einer Kenngrösse A, welche Details der Transportzuständesowie die

6 VIII Streumechanismen und Elektron-Gitter Wechselwirkungen beschreibt. Werte zwi schen A 1.7 und 3.6 beschreiben die Messungen in Dünnfihn- sowie Einkristall- = Transistoren sehr gut. Im letzten Kapitel wurde der Kontaktwiderstand sowie Bias-Stress induzierte Effekte in n-kanal Transistoren untersucht. Wir stellen eine gepulste Messmethode vor, die es erlaubt, Strcss-induzicrtcEffekte besonders genau und ohne wesentliche Beeinflussung der Transistoren zu messen. Ebenfalls im letzten Kapitel wird ein Messaulbau vorgestellt, der es erlauben sollte, mit Hilfe einer Doppel-Modulation den Hall-Effekt in hochohmigenproben schnell und routinenlässigzu messen.