Degradation Analysis and Parameter Extraction of Organic Semiconductor Devices : Investigation by means of Complementary Measurement Techniques combined with Numerical Simulation

Das Verständnis der elektrischen Eigenschaften von organischen Halbleiter-Materialien ist von enormer Bedeutung, um stabile und effiziente Bauelemente zu erreichen. Während organische Leuchtdioden (OLEDs) bereits industriell hergestellt werden, sind organische Solarzellen (OSCs) noch nicht so weit. Beide Technologien eint jedoch das Potential dass sie kostengünstig in grossen Massen, dabei in flexiblen und leichten Bauformen hergestellt werden könnten, was sie interessant für eine ganze Reihe von Anwendungen macht.

Die elektrische Funktionsweise von OLEDs und OSCs ist bestimmt durch die physikalischen Prozesse Ladungsträger-Injektion/Extraktion, Transport, Rekombination, Lichtabsorption und -emission. ... mehrDie Untersuchung dieser Prozesse erfordert ein gutes Verständnis der damit zusammenhängenden Material- und Bauteil-Parameter.

Die Etablierung von zuverlässigen Messmethoden und numerischen Modellen zur Bestimmung dieser Parameter ist für die organische Halbleiterindustrie entscheidend, werden doch auch 30 Jahre nach der Erfindung von OLEDs stetig neue organische Halbleitermaterialien entwickelt und Bauelemente optimiert.

In dieser Arbeit präsentieren wir einen neuen synoptischen Ansatz, welcher eine Reihe von elektrischen Charakterisierungs-Methoden im stationären Zustand sowie im transienten und ACModus kombiniert. Die Verwendung von komplementären Messungen und analytischen Methoden sowie die qualitative Analyse von spezifischen Charakteristika in den Messungen lässt Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu und erlaubt es einzelne Materialparameter zu bestimmen. Dabei sind die verschiedenen Messungen direkt vergleichbar weil sie mit dem selben Messaufbau in kurzer Zeit und bei konstanten Messbedingungen durchgeführt werden.

Indem wir diesen kombinatorischen Prozess mit numerischen Drift-Diffusions-Simulationen zusammenbringen, sind wir erstmalig in der Lage die gesamte Bandbreite der elektrischen Experimente zu modellieren. Dies erlaubt uns die Zuverlässigkeit von gebräuchlichen Parameter- Extraktions-Routinen zu testen und ihre Grenzen zu bestimmen. Es zeigt sich, dass der genaueste und zuverlässigste Weg zur Bestimmung des ganzen Parameter-Satzes eine globale Fit-Routine von Drift-Diffusions-Simulationen über die gesamte Reihe an Experimenten ist.

Es kann von Vorteil sein, für die Parameter-Analyse spezielle unipolare Bauteile herzustellen, womit Rekombination und andere bipolare Ladungstransport-Effekte vermieden werden. Hier zeigen wir, dass Zwei-Schicht-OLEDs, welche eine polare Elektronen-Transportschicht enthalten, in einem gewissen Spannungsbereich unipolares Verhalten aufweisen. Solche Bauelemente können daher anstelle von Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Bauteilen verwendet werden, um die Loch- Injektion sowie den Loch-Transport in der Loch-Transportschicht, oder in einem beliebigen Material mit passenden molekularen Energieniveaus, zu untersuchen. Durch Variation der Temperatur können wir die thermische Aktivierungsenergie bestimmen, und in Beiträge für den Transport und die Injektion zerlegen.

Wir wenden den synoptischen Ansatz weiter an, um Degradation zu untersuchen. Eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen, ausgelöst durch Licht, Temperatur, Feuchte oder elektrischen Strom, kann die Leistung und Stabilität von organischen Halbleiter-Bauelementen beeinträchtigen. Für unsere Studien führen wir ausführliche Messroutinen zu verschiedenen Zeitpunkten während des Alterns durch. Durch die Kombination mit Simulationen sowie durch die Analyse der Signaturen spezifischer Prozesse ist es uns möglich, zwischen verschiedenen Effekten zu unterscheiden und die dominierenden Alterungsmechanismen zu identifizieren. Hierbei zeigt sich, dass in vielen Fällen der gesamte Schichtaufbau, bestehend aus Verkapselung, funktionellen Schichten und dem aktiven Material, in Stabilitäts-Untersuchungen berücksichtigt werden muss.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination von verschiedenen Experimenten in Verbindung mit Simulationen es ermöglicht, wertvolle Informationen über die Physik hinter Degradationsprozessen zu erhalten. Dieser Ansatz stellt damit einen gültigen und attraktiven Weg für die weitere Charakterisierung von organischen Halbleiter-Materialien und Bauteilen dar.

The understanding of the electrical properties of organic semiconducting materials is crucial for achieving efficient and stable devices. While organic light-emitting diodes (OLEDs) already succeed as industrial consumer products in displays, organic solar cells (OSC) are still a step behind. Yet both technologies share the common potential of low-cost mass production of light-weight, flexible opto-electronic devices making them attractive for a wide range of applications.

The electrical function of both OLEDs and OSCs is governed by the physical processes of charge carrier injection/extraction, transport, recombination, light absorption and emission. ... mehrThe assessment of these processes requires a thorough understanding of the related material and device parameters. Establishing reliable measurement methods and numerical models to determine these parameters is crucial for the organic semiconductor industry. 30 years after the invention of OLEDs still new active and functional materials are being developed and devices are being optimized.

In this work we present a novel synoptic approach that combines a variety of electrical characterization techniques in the steady-state, transient and ac-mode. The use of complementary techniques and analytic methods as well as the qualitative analysis of signatures in the data allows us to draw conclusions about the underlying physical processes as well as to determine specific material parameters. Hereby the various measurements are only comparable because they can be performed with the same measurement setup in a short time and under the same environmental conditions.

By marrying this combinational measurement process with numerical drift-diffusion device simulation we are for the first time able to model the whole range of electrical experiments. This enables us to evaluate the reliability of common parameter extraction routines and examine their limitations. In fact, we find that the most accurate and reliable way to determine the set of material and device parameters is a global fitting routine of the full range of measured signals with a driftdiffusion simulation.

It can be advantageous for parameter extraction to fabricate dedicated devices where only one carrier type is present, thereby avoiding recombination and other bipolar charge transport effects. Here, we demonstrate that bilayer OLEDs comprising a polar electron transport layer show a voltage regime where only holes are present in the active layer. Such devices are therefore an easyto- fabricate alternative to metal-insulator-semiconductor (MIS) devices in order to deliberately analyse the hole injection and transport properties of the hole transport layer, or any material with suitable molecular energetic levels. By varying the device temperature we can determine the thermal activation and disentangle the charge transport from the charge injection properties.

We further apply the synoptic approach to study device degradation. A multitude of physical and chemical processes are triggered by external stress factors such as light, temperature, humidity or electrical current, and impair the performance and stability of organic electronic devices. For our investigations we perform extensive measurement routines at various points during the ageing process. Again combined with simulation as well as by analysing the specific signatures of some effects we are able to distinguish between similar processes and to identify the dominant degradation mechanisms. We also find that in many cases the full layer stack, consisting of encapsulation, various functional layers and the active materials, has to be considered in stability tests.

To conclude, the combination of various experiments and simulation allows to extract valuable information about the physics behind degradation, and represents a valid and attractive approach for further characterization of organic electronic materials and devices.