Circuit Design and Compact Modeling in Printed Electronics Based on Inorganic Materials
Creators: name: Cadilha Marques, Gabriel
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Printed electronics
oxide electronics
electrolyte-gating

description: 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 ($\sim 400 \, ^\circ$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.