Stability of polarization in organic ferroelectric metal-insulator-semiconductor structures

Stabilität der Ferroelektrischen Polarisation in Organischen Metall-Isolator-Halbleiter Strukturen

  • Organic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost electronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID applications. To extend the range of applications there is a need to develop and optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics. A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) as the gate insulator. Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insulator-semiconductor structures with the ferroelectric polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate insu-lator. The capacitance spectra of MIS devices, were measured under different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indicates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobilityOrganic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost electronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID applications. To extend the range of applications there is a need to develop and optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics. A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) as the gate insulator. Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insulator-semiconductor structures with the ferroelectric polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate insu-lator. The capacitance spectra of MIS devices, were measured under different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indicates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobility when increasing the depletion zone width, i.e. upon moving into the P3HT bulk. The lack of stable depletion was further investigated with capacitance-voltage (C-V) measurements. When the structure was driven into depletion, C-V plots showed a positive flat-band voltage shift, arising from the change in polarization state of the ferroelectric insulator. When biased into accumulation, the polarization was reversed. It is shown that the two polarization states are stable i.e. no depolarization occurs below the coercive field. However, negative charge trapped at the semiconductor-insulator interface during the depletion cycle masks the negative shift in flat-band voltage expected during the sweep to accumulation voltages. The measured output characteristics of the studied ferroelectric-field-effect transistors confirmed the results of the C-V plots. Furthermore, the results indicated a trapping of electrons at the positively charged surfaces of the ferroelectrically polarized P(VDF-TrFE) crystallites near the insulator/semiconductor in-terface during the first poling cycles. The study of the MIS structure by means of thermally stimulated current (TSC) revealed further evidence for the stability of the polarization under depletion voltages. It was shown, that the lack of stable depletion behavior is caused by the compensation of the orientational polarization by fixed electrons at the interface and not by the depolarization of the insulator, as proposed in several publications. The above results suggest a performance improvement of non-volatile memory devices by the optimization of the interface.show moreshow less
  • Organische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschiedener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-Frequenz-Identifikations-Anhänger (RFID). Für die Erweiterung dieser Anwendung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidene-Fluoride-Trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) eignet sich besonders gut als remanent polarisierbarer Isolator in Dünnschich-Speicherelementen. Um Schalt- und Polarisationsverhalten solcher Speicherelemente zu untersuchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (Fe-FET) aus dem Halbleiter Poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und dielektrisch untersucht. Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Messungen (C-V) anOrganische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschiedener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-Frequenz-Identifikations-Anhänger (RFID). Für die Erweiterung dieser Anwendung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidene-Fluoride-Trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) eignet sich besonders gut als remanent polarisierbarer Isolator in Dünnschich-Speicherelementen. Um Schalt- und Polarisationsverhalten solcher Speicherelemente zu untersuchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (Fe-FET) aus dem Halbleiter Poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und dielektrisch untersucht. Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Messungen (C-V) an MIS-Proben mit uni/bi-polaren Spannungszyklen zeigten eine stabile ferroelektrische Polarisation des P(VDF-TrFE)-Films. Eine Depolarisation des Isolators durch den Mangel an Minoritäts-Ladungsträgern konnte als Grund für die Instabilität des Verarmungs-Zustandes ausgeschlossen werden. Die C-V-Kurven wiesen vielmehr auf die Existenz fixierter, negativer Ladungsträger an der Grenzfläche hin. Zusammenfassend kann festgestellt werden: die Ursache der Ladungsträgerinstabilitäten in organischen ferroelektrischen Speicherelementen ist auf die Kompensation der ferroelektrischen Orientierungspolarisation durch "getrappte"(fixierte) negative Ladungsträger zurückzuführen. Dieses Ergebnis liefert nun eine Grundlage für die Optimierung der Isolator/Halbleiter-Grenzfläche mit dem Ziel, die Zahl der Fallenzustände zu minimieren. Auf diesem Wege könnte die Stabilität des Speicherzustandes in organischen Dünnschichtspeicherelementen deutlich verbessert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:René Kalbitz
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-57276
Advisor:Reimund Gerhard-Multhaupt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2011/09/21
Release Date:2011/12/23
Tag:Dielektrische Spektroskopie; Feld-Effekt-Transistoren; Metall-Isolator-Halbleiter; ferroelektrische Polarisation; organische Elektronik
dielectric spectroskopie; ferroelectric polarization; non-volatile memory; organic electronic; organic electronic
RVK - Regensburg Classification:UV 5100
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Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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