Charakterisierung von lösungsprozessiertem Zirkoniumdioxid für den Einsatz in gedruckten Schaltungen

Abstract

Gedruckte Elektronik hat sich in den letzten Jahren zu einem weiten Forschungsgebiet entwickelt. Sie soll jedoch keinen Ersatz für die konventionelle Siliziumtechnologie darstellen. Vielmehr verfolgt sie das Ziel, einen kostengünstigen Prozess zur großflächigen strukturierten Schichterzeugung zu etablieren. Dies soll unter anderem durch den Verzicht auf kostenintensive Vakuumtechnologien erreicht werden und für Schaltungen mit geringer Komplexität und Performanz geeignet sein. Neben organischen werden auch anorganische druckbare Materialien in Form von Metalloxiden untersucht. Mit diesen lassen sich beim Halbleiter deutlich höhere Ladungsträgermobilitäten erreichen. Doch während lösungsbasierte anorganische Halbleiter schon gute Ergebnisse erzielen, wurde die Forschung im Bereich der druckbaren anorganischen Dielektrika bisher vergleichsweise vernachlässigt. Dabei ist ein funktionales und dichtes Dielektrikum maßgeblich für die Funktionalität von Transistoren und Kondensatoren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Charakterisierung des anorganischen lösungsprozessierten Dielektrikums Zirkoniumdioxid (ZrO2) für den Einsatz in gedruckten Schaltungen. Im Fokus steht hier vor allem der Einfluss der umgebenden Atmosphäre, da für kostengünstiges Drucken auf Vakuumprozesse verzichtet werden muss. Die hier untersuchten ZrO2-Schichten werden mit Hilfe eines Präkursors hergestellt und mittels Impedanzspektroskopie an Kondensatoren untersucht. Ergänzend dazu werden Messungen per Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenreflektometrie (XRR) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ausgewertet sowie Strom-Spannungs-Messungen durchgeführt. In der Arbeit wird gezeigt, dass Feuchtigkeit sowohl die Impedanz als auch das Strom-Spannungs-Verhalten der untersuchten Kondensatoren stark beeinflusst. Die hergestellten dielektrischen Schichten besitzen eine reduzierte Dichte, die zur Folge hat, dass Feuchtigkeit das gesamte Bauteil durchdringen kann. Weiterhin sind Metalloxide im Allgemeinen hygroskopisch, was den starken Einfluss der Feuchtigkeit erklärt. Durch eine thermische Nachbehandlung unter Schutzgas kann an den hergestellten Kondensatoren eine Impedanz nahe am idealen Kondensatorverhalten gemessen werden. Einzig die Leckstromdichte fällt zu hoch aus. Mithilfe der Ergebnisse der Charakterisierung wird im Rahmen dieser Arbeit eine Ersatzschaltung abgeleitet und vorgestellt. Diese berücksichtigt den Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Impedanz der hergestellten ZrO2-Kondensatoren. Am Ende der Arbeit wird in einer Machbarkeitsstudie der Einsatz des verwendeten ZrO2 als Gate-Dielektrikum im Transistor überprüft. Es wird gezeigt, dass die am Kondensator beobachteten Effekte prinzipiell übertragbar sind und Feuchtigkeit damit auch Auswirkungen auf das Transistorverhalten hat. Zusammengefasst eignet sich das vorliegende lösungsprozessierte ZrO2 ohne weitere Optimierung nur sehr begrenzt für den Einsatz in gedruckten Kondensatoren und Transistoren