Circuit Design and Compact Modeling in Printed Electronics Based on Inorganic Materials

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. 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 \, ^\circC) 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

Fully Printed Inverters using Metal‐Oxide Semiconductor and Graphene Passives on Flexible Substrates

Printed and flexible metal‐oxide transistor technology has recently demonstrated great promise due to its high performance and robust mechanical stability. Herein, fully printed inverter structures using electrolyte‐gated oxide transistors on a flexible polyimide (PI) substrate are discussed in detail. Conductive graphene ink is printed as the passive structures and interconnects. The additive printed transistors on PI substrates show an $_{on}$/$_{off}$ ratio of 10$^{6}$ and show mobilities similar to the state‐of‐the‐art printed transistors on rigid substrates. Printed meander structures of graphene are used as pull‐up resistances in a transistor–resistor logic to create fully printed inverters. The printed and flexible inverters show a signal gain of 3.5 and a propagation delay of 30 ms. These printed inverters are able to withstand a tensile strain of 1.5% following more than 200 cycles of mechanical bending. The stability of the electrical direct current (DC) properties has been observed over a period of 5 weeks. These oxide transistor‐based fully printed inverters are relevant for digital printing methods which could be implemented into roll‐to‐roll processes

Fully Printed Electrolyte‐Gated Transistor Formed in a 3D Polymer Reservoir with Laser Printed Drain/Source Electrodes

In solution processed electronic devices it is crucial that the deposited inks are properly aligned and that all post-processing steps are compliant with each other. Moreover, shorter channel lengths are highly beneficial to increase the device performance. Herein, laser printing of metals and polymer reservoirs allows to print sub-micrometer sized channel lengths while confining functional inks into these small gaps. Therefore, a manufacturing concept and optimized material stack, suitable for combined inkjet and laser printing are proposed. A nanoparticulate indium oxide (In$_2$O$_3$) semiconductor is inkjet printed into and constrained by a 3D laser written polymer (pentaerythritol triacrylate, PETA) reservoir. Inside the 3D printed polymer reservoir, platinum (Pt) electrodes, that are further routed over the reservoir walls, are laser printed by a metal reduction process. The transistor fabrication is completed by a second inkjet printed layer of composite solid polymer electrolyte and an organic top-gate layer (PEDOT:PSS). This concept does not exceed annealing temperatures higher than 100°C, and is compatible with a range of substrates. The characterized electrolyte-gated field-effect transistor show a reasonable on/off-ratio in the range of 10$^4$ with negligible leakage currents. This materials and hybrid device manufacturing scheme has believed great potential for bioelectronics, lab-on-a-chip applications and others

Ink‐Jet Printable, Self‐Assembled, and Chemically Crosslinked Ion‐Gel as Electrolyte for Thin Film, Printable Transistors

Electrolyte-gated transistors (EGTs) represent an interesting alternative to conventional dielectric-gating to reduce the required high supply voltage for printed electronic applications. Here, a type of ink-jet printable ion-gel is introduced and optimized to fabricate a chemically crosslinked ion-gel by self-assembled gelation, without additional crosslinking processes, e.g., UV-curing. For the self-assembled gelation, poly(vinyl alcohol) and poly(ethylene-alt-maleic anhydride) are used as the polymer backbone and chemical crosslinker, respectively, and 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf]) is utilized as an ionic species to ensure ionic conductivity. The as-synthesized ion-gel exhibits an ionic conductivity of ≈5 mS cm−1 and an effective capacitance of 5.4 µF cm−2 at 1 Hz. The ion-gel is successfully employed in EGTs with an indium oxide (In2O3) channel, which shows on/off-ratios of up to 1.3 × 106 and a subthreshold swing of 80.62 mV dec−1

Digital power and performance analysis of inkjet printed ring oscillators based on electrolyte-gated oxide electronics

Printed electronic components offer certain technological advantages over their silicon based counterparts, like mechanical flexibility, low process temperatures, maskless and additive manufacturing possibilities. However, to be compatible to the fields of smart sensors, Internet of Things, and wearables, it is essential that devices operate at small supply voltages. In printed electronics, mostly silicon dioxide or organic dielectrics with low dielectric constants have been used as gate isolators, which in turn have resulted in high power transistors operable only at tens of volts. Here, we present inkjet printed circuits which are able to operate at supply voltages as low as <= 2 V. Our transistor technology is based on lithographically patterned drive electrodes, the dimensions of which are carefully kept well within the printing resolutions; the oxide semiconductor, the electrolytic insulator and the top-gate electrodes have been inkjet printed. Our inverters show a gain of similar to 4 and 2.3 ms propagation delay time at 1 V supply voltage. Subsequently built 3-stage ring oscillators start to oscillate at a supply voltage of only 0.6 V with a frequency of similar to 255 Hz and can reach frequencies up to similar to 350 Hz at 2 V supply voltage. Furthermore, we have introduced a systematic methodology for characterizing ring oscillators in the printed electronics domain, which has been largely missing. Benefiting from this procedure, we are now able to predict the switching capacitance and driver capability at each stage, as well as the power consumption of our inkjet printed ring oscillators. These achievements will be essential for analyzing the performance and power characteristics of future inkjet printed digital circuits

Inkjet‐Printed Tungsten Oxide Memristor Displaying Non‐Volatile Memory and Neuromorphic Properties

Printed electronics including large-area sensing, wearables, and bioelectronic systems are often limited to simple circuits and hence it remains a major challenge to efficiently store data and perform computational tasks. Memristors can be considered as ideal candidates for both purposes. Herein, an inkjet-printed memristor is demonstrated, which can serve as a digital information storage device, or as an artificial synapse for neuromorphic circuits. This is achieved by suitable manipulation of the ion species in the active layer of the device. For digital-type memristor operation resistive switching is dominated by cation movement after an initial electroforming step. It allows the device to be utilized as non-volatile digital memristor, which offers high endurance over 12 672 switching cycles and high uniformity at low operating voltages. To use the device as an electroforming-free, interface-based, analog-type memristor, anion migration is exploited which leads to volatile resistive switching. An important figure of merits such as short-term plasticity with close to biological synapse timescales is demonstrated, for facilitation (10–177 ms), augmentation (10s), and potentiation (35 s). Furthermore, the device is thoroughly studied regarding its metaplasticity for memory formation. Last but not least, the inkjet-printed artificial synapse shows non-linear signal integration and low-frequency filtering capabilities, which renders it a good candidate for neuromorphic computing architectures, such as reservoir computing