Realisierung, Charakterisierung und Optimierung von μ-Konen-Schottky-Dioden aus laserbearbeiteten Silizium-Nanopartikeln

Druckbare und flexible Elektronik ist aufgrund potentiell geringer Produktionskosten, sowie möglicher hoher Produktionsraten eine der Schlüsselkomponenten im Rahmen des Konzepts des Internets der Dinge (IdD). Dünnschichten aus derzeitig verfügbaren Halbleiter-Tinten weisen jedoch limitierte Hochfrequenzeigenschaften auf. Grund hierfür ist die oftmals geringe Ladungsträgerbeweglichkeit, wodurch das Schaltverhalten von entsprechenden Bauelementen eingeschränkt ist. Hinzu kommen eine zumeist begrenzte Lebenserwartung und Verlässlichkeit dieser.
Um diesen Nachteilen entgegen zu wirken, wird im Rahmen dieser Arbeit der Einsatz von druckbarem Silizium (Si) untersucht. Es werden Silizium-Nanopartikel (Si-NP) basierte Tinten verwendet, um im GHz-Bereich schaltenden, potentiell flexible Schottky-Dioden zu realisieren. Si-NP-Dünnfilme stellen für eine solche Anwendung jedoch kein optimales System dar, da die elektronische Leistungsfähigkeit aufgrund der auftretenden Partikel-Partikel-Grenzflächen und der Oxidhülle der Partikel limitiert ist. Abhilfe schafft hierbei die Lasermodifikation des Si-NP-Dünnfilms, durch welche sich selbstorganisiert kegelförmige, kristalline μ-Strukturen (μ-Konen) bilden.
In dieser Arbeit werden die strukturellen Eigenschaften dieser μ-Konen untersucht, diese anschließend in eine Diodenstruktur eingebettet und die resultierenden μ-Konen-Schottky-Dioden elektrisch charakterisiert. Letzteres umfasst die DC- und UHF-Charakterisierung dieses Diodentyps. Das gleichrichtende Verhalten der Bauteile ist in guter Übereinstimmung mit der thermionischen Emissions- und thermionischen Feldemissionstheorie. Zudem zeigen die μ-Konen-Schottky-Dioden Bandbreiten bis 9,2 GHz bei deren Nutzung als Frequenzverdoppler und bis zu 13,8 GHz als Frequenzverdreifacher. Somit reicht die Schaltgeschwindigkeit dieses Diodentypen in den Mikrowellenbereich hinein, sodass die Realisierung flexibler, kostengünstiger Hochfrequenzelektronik in Reichweite rückt. Um die vollständige Druckbarkeit der Dioden zu adressieren, werden zudem gedruckte Silber(Ag)-Leiterbahnen als Topkontakt für die μ-Konen-Diode untersucht.

Printed, flexible electronics are a key component within the Internet-of-Things (IoT) concept as they exhibit the potential for high-throughput and cost-effective manufacturing. However, today’s printable electronic materials show only limited high frequency performance caused by their low charge carrier mobility, which inhibits high frequency device operation. Furthermore, the lifetime and reliability of such devices are restricted.
To overcome these limitations, printable silicon (Si) is investigated in this work. For this purpose, silicon nanoparticle (Si-NP) based inks are used to realize potentially flexible Schottky diodes with switching speeds in the GHz range. However, Si-NP thin films do not represent an optimal system concerning this application, since the electronic performance is limited by particle-particle interfaces and the oxide shell of the particles. To improve this, the deposited Si-NP thin film is transformed into self-organized crystalline μ-cone shaped structures (μ-cones) using an excimer laser treatment.
In this work, the structural properties of these μ-cones are investigated. The μ-cones are then embedded into a Schottky diode structure, which is electrically characterized by DC and UHF measurements. The rectifying behavior of such devices is in good agreement with thermionic emission and thermionic field emission theory. In addition, the μ-cone Schottky diodes show a bandwidth up to 9.2 GHz when used as frequency doubler and up to 13.8 GHz as frequency tripler. Thereby, the switching speed of the printable Si device concept extends well into the microwave range, placing flexible, low-cost, and high frequency electronics within reach. To further address the full printability of the diode printed silver(Ag)-lines are considered as the top contact for the μ-cone diode.

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