Abstract:
Die gedruckte Elektronik ist ein im Vergleich zur konventionellen Siliziumtechnologie junges Forschungsgebiet. Die Idee hinter der gedruckten Elektronik ist es elektronische Bauteile wie Widerstände, Kapazitäten, Solarzellen, Dioden und Transistoren mit gängigen Druckmethoden herzustellen. Dabei ist es möglich die elektronischen Bauteile auf unbiegsamen Substrate, wie Glas oder Silizium, als auch auf biegsamen Substrate, wie Papier und Folie, zu drucken. Aufgrund des Druckprozesses, sind die Herstellungskosten gering, da drucken ein additiver Prozess ist und somit teure Masken obsolet sind. ... mehr
In einem Feldeffekttransistor, wird der Halbleiter zwischen zwei Elektroden (Drain- und Source) gedruckt. Die Drain- und Source-Elektroden werden dabei durch einen Vakuum- oder Druckprozess abgeschieden und strukturiert. Der halbleitende Kanal wird durch einen Dielektrikum von der Gate-Elektrode isoliert. Auch für das Dielektrikum und die Gate-Elektrode sind ein Vakuum- oder Druckprozess denkbar. Standardmäßig finden organische Materialien Einsatz in der gedruckten Elektronik. Leider weisen organische Halbleiter, in einem Feldeffekttransistor, nur eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit ($\leq 1$ cm$^2$(Vs)$^{-1}$) auf. Die niedrige Ladungsträgerbeweglichkeit führt zu einer geringen Ladungsträgerdichte im Halbleiter und als Resultat zu geringen Stromdichten. Auch sind größtenteils nur p-leitende Halbleiter für den Einsatz in Schaltungen vorhanden, weswegen die meisten Schaltungen nur p-leitende Feldeffekttransistoren besitzen. Ein weiterer Nachteil der organischen Elektronik ist, dass die eingesetzten Dielektrika mit dem Halbleiter eine mangelhafte Grenzfläche bildet. Deshalb sind Versorgungsspannungen in Bereich von 5 V keine Seltenheit.
Eine interessante Alternative zu organischen Halbleitern sind Materialien die der Kategorie der Oxide zugeordnet sind. Zum Beispiel in Indiumoxid (In$_{2}$O$_{3}$) ist eine Ladungsträerbeweglichkeit um die 100 cm$^2$(Vs)$^{-1}$ messbar. Leider sind durch Oxide realisierte p-leitende Feldeffekttransistoren sehr selten, weshalb die meisten Schaltungen auf n-leitenden Feldeffekttransistoren basieren. Ein weiterer Nachteil von Metalloxidhalbleitern is das hohe Glühtemperaturen ($\sim 400 \, ^\circ$C) benötigt werden um die richtige Kristallstruktur zu erzielen.
Durch den Einsatz eines Elektrolyten, anstatt eines Dielektrikum, werden die benötigten hohen Versorgungsspannungen auf 1 V reduziert. Der Grund für die Reduzierung der Versorgungsspannung liegt in der hohen Kapazität ($\sim 5 \, \mu$F(cm)$^{-1}$), die sich zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal ausbildet. Die optimale Grenzfläche zwischen der Gate-Elektrode und dem Elektrolyten sowie als auch zwischen dem Elektrolyten und dem Kanal, wo sich eine Helmholtz-Doppelschicht ausbildet, ist der Grund für die hohe Kapazität.
In dieser Arbeit, werden die Vorteile der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, resultierend von einem Indiumoxid-Kanal, und der niedrigen Versorgungsspannungen, durch den Einsatz eines Elektrolyten als Isolator, in einem gedruckten Transistor kombiniert. Daher ist das Ziel zunächst Transistoren basierend auf einem Elektrolyten und Indiumoxid-Kanal zu charakterisieren und zu modellieren. Auch werden Möglichkeiten zum Schaltungsentwurf mit der hier vorgestellten Transistortechnologie ausgearbeitet. Der Schaltungsentwurf wird anhand mikroelektronischen Zellen und Ringoszillator-Strukturen verifiziert.
Wichtig für den Schaltungsentwurf sind Modelle die fähig sind die elektrischen Eigenschaften eines Transistors abzubilden. Dabei muss die simulierte Kurve Stetigkeit und Kontinuität aufweisen um Konvergenzprobleme während der Simulation zu verhindern. Zur Modellierung der elektrischen Eigenschaften und Ströme der Transistoren wird ein Modell basierend auf den Curtice-Modell entwickelt. Der Bereich über der Schwellwertspannung wird daher durch das Curtice-Modell abgebildet und der Bereich unter der Schwellspannung durch ein aus Siliziumtransistoren bekanntes Standard-Modell beschrieben. Kontinuität und Stetigkeit wird durch eine Interpolation zwischen den beiden Transistormodellen gewährleistet. Ein Verglich zwischen gemessenen und simulierten Daten zeigt das das Modell die hier vorgestellte Transistortechnologie sehr gut abbilden kann.
Das entwickelte Transistormodel wird zur unterstützung des Schaltungsentwurf in einem Prozesskit (PDK) integriert. Dadurch ist das Verhalten einer Schaltung durch Simulation vorhersehbar. In der Simulation können auch der Einfluss der Umwelt, z.B. Luftfeuchtigkeit, auf die Transistoren analysiert werden.
In der digitalen Schaltungstechnik wird ein p-leitender Feldeffekttransistor verwendet um ein Eingangssignal hochzusetzen, während um ein Signal runterzusetzen, ein n-leitender Feldeffekttransistor von Vorteil ist. Da p-leitende Oxide selten und unzuverlässig sind, wird der p-leitende Feldeffekttransistor durch einen Widerstand (Transistor-Widerstand-Logik (TRL)) oder einen n-leitenden Feldeffekttransistor (Transistor-Transistor-Logik (TTL)) ersetzt. Ein Inverter in TRL weist bei einer Versorgungsspannung von 1 V einen Verstärkungsfaktor von ungefähr -5 auf und eine Signalverzögerung von 0.9 ms. Die Oszillatorfrequenz im entsprechend Ringoszillator beträgt 296 Hz. Weitere Logikgatter (NAND, NOR und XOR) sind ebenfalls realisierbar mit TRL-Entwürfe.
In TTL wird der p-leitende Feldeffekttransistor durch einen n-leitenden Verarmungstyps Feldeffekttransistor ersetzt. Die in der TTL entworfene Logikgatter verhalten sich identisch zu den TTR-Zellen aber die Frequenz vom Ringoszillator steigt bis in den unteren kHz-Bereich an. In TTL ist es ebenfalls möglich die Verlustleistung um einen Faktor von 6 zu reduzieren.
Abstract (englisch):
The field of printed electronics (PE) is a young research area, relative to conventional silicon technology. The idea behind PE is to print electronic components, including microelectronic circuits, through out of solution processable materials which are fabricated in an additive process. The additive printing process brings some benefits with it, like avoiding any expensive mask and on demand fabrication. Currently, organic materials are state of the art for realizing printed devices. Semiconductors, conductors and dielectrics are available as organic based materials. These organic materials are used to print solar cells, diodes, resistors, capacitors as well as field-effect transistors (FETs) on rigid (glass, silicon) or flexible substrates (paper, plastic). ... mehr
However, organic electronics mostly uses p-type devices and field-effect mobility values are lower than in silicon based devices, where threshold voltages are much lower. Also, all printed circuits based on organics are rare. For future applications, eg. Internet of Things (ITO), soft electronics for robotics or smart sensors, it is essentially to develop a fully printed technology together with suitable circuit designs.
An interesting alternative to organic semiconductors are oxide semiconductors. For example, indium oxide provides intrinsic mobility values of approximate 100 cm$^2$(Vs)$^{-1}$. Higher mobility values lead to higher current densities and enhance the overall speed of the devices. Oxide semiconductors are inkjet printable, integrateable into a non-toxic fabrication process, and optically transparent. In oxide electronics, n-type oxide semiconductors are common, while p-type oxide semiconductors are rather rare. The exhibited intrinsic mobility of p-type metal oxides is three orders of magnitude lower than the values shown by n-type metal oxide semiconductors. Unfortunately, metal oxides, typically, require high annealing temperatures ($\sim 400$ $^\circ$C), to form the desired transition phase. This is a disadvantage compared to organic semiconductors where room temperature processes are frequent.
The goal of this thesis is therefore to develop an inorganic printed electronics technology with corresponding modeling methodologies to capture device behavior for industry standard circuit simulators as well as circuit designs as building blocks for future applications. To reduce the high supply voltage requirements ($\geq 5$ V) in PE, alternative gating approaches for FETs are considered. One approach is to replace the dielectric with an electrolyte. Due to the formation of a Helmholtz double layer (HDL), a FET with a high gate-capacitance ($\sim 5 \, \mu$F(cm)$^{-1}$) is expected, reducing the voltage requirements to $\sim 1$ V. By combining the indium oxide channel with the electrolyte-gating approach, high performance devices with low voltage requirements are available in PE.
The structure of this thesis is to firstly characterize electrolyte-gated field-effect transistors (EGFETs) with indium oxide channels, and secondly create a predictive model which is able to be integrated into a circuit simulator. Following, reliable design topologies for the presented transistor technology are shown. The evaluation of the design topologies will take place on basic microelectronic digital logic cells and ring oscillator structures.
To model EGFETs, different modeling approaches for the different transistor regions are needed. The above threshold region is modeled accurately through the Curtice model. Furthermore, the Curtice model only requires a few parameters and depict the linear and saturation regions with only one equation. For the subthreshold region, the conventional silicon subthreshold model predicts the electrical characteristic of the EGFET very well. Smoothness and continuity between the simulated below and above threshold regions are ensured with an interpolation scheme that models the near threshold region. This modeling approach provides a good match between the measured and simulated data.
The developed model is integrated into a simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE) and into a process design kit (PDK) to support the development of new applications. Therefore, the behavior of microelectronic circuits based on EGFETs are predictable through simulation. In addition, simulations are used to evaluate the performance of circuits under different environmental conditions, i.e. effects of humidity on EGFETs based applications.
Since p-type oxide semiconductors, which have equal performance than n-type semiconductors are not available, complementary circuit designs are not feasible in oxide electronics. For this reason, the pull-up network, which is based on p-type FETs in conventional microelectronics, is replaced through either a resistor or an n-type EGFET. The pull-down network is based on one or more n-type EGFETs in both cases.
The first approach to replace the p-type EGFET is demonstrated on an inverter designed within the transistor-resistor logic (TRL) topology. As result, the inverter has a gain of around -5 and a propagation delay time of $\sim 0.9$ ms, measured at a supply voltage of 1 V. At the same voltage level, the sequentially built three stage ring oscillator, oscillates at a frequency of 296 Hz. Standard logic gates (NAND, NOR and XOR) are likewise feasible with EGFETs in TRL.
It is also possible to design microelectronic circuits within the transistor-transistor logic (TTL) topology. In TTL, the resistor in the pull-up network is supplanted by a depletion mode EGFET. All logic gates, show similar performance to the TRL based cells, but the ring oscillator operates in the sub-kHz regime. Furthermore, in a NAND gate, the power consumption is shown to be reduced by a factor of 6.
