Publikation: Single crystal field-effect transistors based on layered semiconductors
Dateien
Datum
Autor:innen
Herausgeber:innen
ISSN der Zeitschrift
Electronic ISSN
ISBN
Bibliografische Daten
Verlag
Schriftenreihe
Auflagebezeichnung
URI (zitierfähiger Link)
Internationale Patentnummer
Link zur Lizenz
Angaben zur Forschungsförderung
Projekt
Open Access-Veröffentlichung
Sammlungen
Core Facility der Universität Konstanz
Titel in einer weiteren Sprache
Publikationstyp
Publikationsstatus
Erschienen in
Zusammenfassung
With parylene as a gate-dielectric material, I was able to successfully produce
FETs based on a variety of organic as well as transition metal dichalcogenide
semiconductors. The results of this work are briely summarized below.
By employing single crystals, the device performance, including the
charge carrier mobility, the field effect threshold, and the subthreshold
slope, have been significantly improved. The FET characteristics are
no longer limited by the disorder common for thin films. To limit the concentration of impurities, it is preferable to grow crystals
by physical vapor transport since crystals grown from solution tend to
incorporate the solvents into the intra-molecular position in the weakly
bonded Van der Waals network of molecules. However, organic materials especially are known for undergoing several
disproportionation reactions during the sublimation process. The products
of these reactions may become embedded into the host crystal. To
limit the formation of impurities and therefore improve the electronic
charge transport in the crystal the sublimation temperature and the
presence of oxygen during the growth process should be reduced.
If the structure of a molecules is conjugated, impurities themselves can
show field effect activity. In general, an important criterion for the
choice of potential organic semiconductor material seems to be to pick
molecules that consist of an alternating sequence of single and double
bonds which allow charge transport though the molecules. So far, of all the organic semiconductor materials, rubrene exhibits the best device performance. A mobility anisotropy and an increase of mobility with cooling indicating intrinsic charge transport was observed only for rubrene single crystal FETs. Modifying tetracene molecules allows changing the herring bone packing, thus affecting the electronic transport properties of the system. The pi- stacking structure was obtained when two hydrogen atoms of tetracene were substituted by chlorine, and a mobility exceeding that of tetracene was observed along the stack direction. Overall, the pi-orbital overlap in the crystal plays a crucial role for the device performance of the semiconductor material. The perylene-TCNQ charge-transfer salt presents a different approach,where the combination of two different molecules in a crystal produces a partial charge transfer from one molecule type to the other. Here, the molecules alternate in stacks forming a quasi-one-dimensional semiconductor material. This arrangement leads to a small band gap system where n-type field effect activity is observed. Layered transition metal dichalcogenides are interesting alternative to organic semiconductors. Similar to organic materials their surface is Van der Waals determined. Therefore, an intrinsic low density of trap states at semiconductor/dielectic interface is observed. The WSe2-based devices with their high carrier mobilities and ambipolar operation are especially promising.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Die Verwendung von Parylen als Dielektrikum ermöglichte mir die Untersuchung
von Einkristallfeldeffekttransitoren auf der Basis von organischen
und anorganischen Halbleitermaterialien. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind
im folgenden zusammengefasst. Die Kenndaten der Feldeffekttransistoren wie Ladungsträgerbeweglichkeit, Steilheit und Schwellenspannung konnten durch die Verwendung von Einkristallen deutlich verbessert werden, da der Ladungstransport in Einkristallen nicht durch Korngrenzen limitiert ist. Aus der Gasphase gezogene Kristalle zeigen deutlich bessere Transporteigenschaften als jene aus der Lösung. Da organischen Kristalle aus einzelnen Molekülen aufgebaut sind, welche nur durch van der Waals Kräfte zusammengehalten sind, werden Lösungsmittelreste daher einfach ins Kristallgitter eingebaut. Problematisch für die Qualität der Kristalle kann auch der Gasphasentransport sein. Speziell für Pentacen sind unter dem Einfuss von hohen Temperaturen und Sauerstoff eine Vielzahl von Zerfallsprodukten bekannt. Diese können wiederum zu Kristallverunreinigungen und
Kristallbaufehlern führen. Daher hat sich das Züchten der Pentacenkristalle
im Vakuum bei einer niedrigen Sublimationstemperatur
besonders bew¨ahrt. Die Transporteigenschaften der Kristalle konnten
aufgrund dieser Methode signifikant verbessert werden. Auch Materialverunreinigungen selbst können Feldeffekt zeigen, falls
die Verbindung eine konjugierte Molekülstruktur aufweist. Dies ist
generell ein wichtiges Kriterium für die Auswahl potenzieller organischer
Halbleitermaterialien. Nur die konjugierte Struktur ermöglicht
einen optimalen Ladungsträgertransport im Molekül. Von alle untersuchten organischen Halbleitern ist das Material Rubren besonders hervorzuheben. Die Rubren-Einkristalltransistoren weisen die höchste Ladungsträgerbeweglichkeit und die niedrigste Schwellenspannung
auf. Faktoren wie Zunahme der Ladungsträgerbeweglichkeit
bei sinkenden Temperaturen und der Anisotropie der Ladungsträgerbeweglichkeit
bezüglich der Kristallstrukur deuten darauf hin, dass intrinsische Transporteigenschaften in Rubren-Einkristalltransistoren beobachtet werden.
Werden bei einem Tetracenmolekül zwei Wasserstoffatome durch zwei Chloratome ersetzt so hat dies vor allem Einfluss auf die Kristallstruktur. Durch diese Modifikation kann die Überlappung der pi-Orbitale im Kristall verbessert werden, diese wiederum bestimmen wesentlich die Transporteigenschaften des Materials. Daher wird für Dichlorotetracen-Einkristalle eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit gemessen als für reines Tetracen. Das Kombinieren zweier Moleküle Perylen und TCNQ führt zu einer weiteren Materialklasse, den Ladungstransfer-Salzen. Die quasi eindimensionale Kristallstruktur befördert den parzillen Ladungstransfer zwischen Perylen und TCNQ. Die Transistoren dieses Mischsystems sind n-type. Die Familie der Schicht-Übergangsmetall-Dichalkogenide sind eine interessannte Alternative zu organischen Halbleitern. Ählich wie die organische Materialien besitzen auch sie eine van der Waals Oberfäche,
welche für eine geringe Defektdichte am Interface Isolator/Halbleiter
verantwortlich ist. Besonders vielversprechend sind WSe2-Einkristalltransistoren
mit ihrer hohen Ladungsträgermobilität für Löcher und Elektronen.
Fachgebiet (DDC)
Schlagwörter
Konferenz
Rezension
Zitieren
ISO 690
ZEIS, Roswitha, 2005. Single crystal field-effect transistors based on layered semiconductors [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
@phdthesis{Zeis2005Singl-5358, year={2005}, title={Single crystal field-effect transistors based on layered semiconductors}, author={Zeis, Roswitha}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }
RDF
<rdf:RDF xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/" xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/" xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#" xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/" xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#" xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/" xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#" xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" > <rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/5358"> <dcterms:abstract xml:lang="eng">With parylene as a gate-dielectric material, I was able to successfully produce<br />FETs based on a variety of organic as well as transition metal dichalcogenide<br />semiconductors. The results of this work are briely summarized below.<br />By employing single crystals, the device performance, including the<br />charge carrier mobility, the field effect threshold, and the subthreshold<br />slope, have been significantly improved. The FET characteristics are<br />no longer limited by the disorder common for thin films. To limit the concentration of impurities, it is preferable to grow crystals<br />by physical vapor transport since crystals grown from solution tend to<br />incorporate the solvents into the intra-molecular position in the weakly<br />bonded Van der Waals network of molecules. However, organic materials especially are known for undergoing several<br />disproportionation reactions during the sublimation process. The products<br />of these reactions may become embedded into the host crystal. To<br />limit the formation of impurities and therefore improve the electronic<br />charge transport in the crystal the sublimation temperature and the<br />presence of oxygen during the growth process should be reduced.<br />If the structure of a molecules is conjugated, impurities themselves can<br />show field effect activity. In general, an important criterion for the<br />choice of potential organic semiconductor material seems to be to pick<br />molecules that consist of an alternating sequence of single and double<br />bonds which allow charge transport though the molecules. So far, of all the organic semiconductor materials, rubrene exhibits the best device performance. A mobility anisotropy and an increase of mobility with cooling indicating intrinsic charge transport was observed only for rubrene single crystal FETs. Modifying tetracene molecules allows changing the herring bone packing, thus affecting the electronic transport properties of the system. The pi- stacking structure was obtained when two hydrogen atoms of tetracene were substituted by chlorine, and a mobility exceeding that of tetracene was observed along the stack direction. Overall, the pi-orbital overlap in the crystal plays a crucial role for the device performance of the semiconductor material. The perylene-TCNQ charge-transfer salt presents a different approach,where the combination of two different molecules in a crystal produces a partial charge transfer from one molecule type to the other. Here, the molecules alternate in stacks forming a quasi-one-dimensional semiconductor material. This arrangement leads to a small band gap system where n-type field effect activity is observed. Layered transition metal dichalcogenides are interesting alternative to organic semiconductors. Similar to organic materials their surface is Van der Waals determined. Therefore, an intrinsic low density of trap states at semiconductor/dielectic interface is observed. The WSe2-based devices with their high carrier mobilities and ambipolar operation are especially promising.</dcterms:abstract> <dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/> <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/5358/1/Zeis.pdf"/> <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/> <dc:rights>terms-of-use</dc:rights> <dc:format>application/pdf</dc:format> <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/5358"/> <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/> <dcterms:issued>2005</dcterms:issued> <dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2011-03-24T14:55:14Z</dcterms:available> <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/> <dc:creator>Zeis, Roswitha</dc:creator> <dc:language>eng</dc:language> <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/5358/1/Zeis.pdf"/> <dcterms:alternative>Feldeffekttransistoren auf der Basis von Schicht-Einkristallen</dcterms:alternative> <dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2011-03-24T14:55:14Z</dc:date> <dc:contributor>Zeis, Roswitha</dc:contributor> <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/> <dcterms:title>Single crystal field-effect transistors based on layered semiconductors</dcterms:title> </rdf:Description> </rdf:RDF>