Органический полевой транзистор ( ОФЕТ ) — это полевой транзистор, в канале которого используется органический полупроводник . OFET могут быть получены либо вакуумным испарением малых молекул, литьем полимеров или малых молекул из раствора , либо механическим переносом очищенного монокристаллического органического слоя на подложку. Эти устройства были разработаны для реализации недорогих электронных продуктов большой площади и биоразлагаемой электроники . OFET изготавливаются с различной геометрией устройств. Наиболее часто используемая геометрия устройства — нижний затвор с верхними электродами стока и истока , поскольку эта геометрия аналогична тонкопленочному кремниевому транзистору (TFT), использующему термически выращенный SiO 2 в качестве диэлектрика затвора . Органические полимеры, такие как полиметилметакрилат ( ПММА ), также могут использоваться в качестве диэлектрика. [1] Одним из преимуществ OFET, особенно по сравнению с неорганическими TFT, является их беспрецедентная физическая гибкость, [2] которая ведет к биосовместимым приложениям, например, в будущей индустрии здравоохранения в области персонализированных биомедицин и биоэлектроники. [3]
В мае 2007 года Sony сообщила о первом полноцветном, гибком, полностью пластиковом дисплее со скоростью видеосъемки, [4] [5] в котором как тонкопленочные транзисторы, так и светоизлучающие пиксели были изготовлены из органических материалов.
Концепция полевого транзистора (FET) была впервые предложена Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом , получившим патент на свою идею в 1930 году. [6] Он предположил, что полевой транзистор ведет себя как конденсатор с проводящим каналом между истоковый и стоковый электрод. Приложенное напряжение на электроде затвора контролирует количество носителей заряда, протекающих через систему.
Первый полевой транзистор с изолированным затвором был разработан и изготовлен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs с использованием схемы металл-оксид-полупроводник: MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). Он был изобретен в 1959 году, [7] и представлен в 1960 году. [8] Также известный как МОП-транзистор, МОП-транзистор является наиболее широко производимым устройством в мире. [9] [10] Концепция тонкопленочного транзистора (TFT) была впервые предложена Джоном Уоллмарком, который в 1957 году подал патент на тонкопленочный МОП-транзистор, в котором в качестве диэлектрика затвора использовался монооксид германия. Тонкопленочный транзистор был разработан в 1962 году Полом К. Веймером , который реализовал идеи Уолмарка. [11] TFT — это особый тип MOSFET. [12]
Растущие затраты на материалы и производство, а также общественный интерес к более экологически чистым материалам для электроники поддержали развитие электроники на органической основе в последние годы . В 1986 году исследователи компании Mitsubishi Electric Х. Коэдзука, А. Цумура и Цунея Андо сообщили о первом органическом полевом транзисторе [13] [14] на основе полимера молекул тиофена . [15] Полимер тиофена представляет собой тип сопряженного полимера , который способен проводить заряд, что устраняет необходимость использования дорогих металлооксидных полупроводников. Кроме того, было показано, что другие сопряженные полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Конструкция OFET также улучшилась за последние несколько десятилетий. Многие OFET в настоящее время разрабатываются на основе модели тонкопленочных транзисторов (TFT), что позволяет использовать в конструкции устройств менее проводящие материалы. За последние несколько лет эти модели были усовершенствованы в отношении полевой подвижности и коэффициентов тока включения-выключения.
Одной из общих особенностей материалов OFET является включение ароматической или иным образом сопряженной системы π-электронов, способствующей делокализации орбитальных волновых функций. Могут быть присоединены электроноакцепторные или донорные группы, которые облегчают транспорт дырок или электронов.
Сообщалось о OFET, в которых в качестве активного полупроводникового слоя используются многие ароматические и сопряженные материалы, включая небольшие молекулы, такие как рубрен , тетрацен , пентацен , диинденоперилен , перилендиимиды, тетрацианохинодиметан (TCNQ) и полимеры, такие как политиофены (особенно поли(3-гексилтиофен) ( P3HT)), полифлуорен , полидиацетилен , поли(2,5-тиениленвинилен), поли(п-фениленвинилен) (ППВ).
Эта область очень активна: о новых синтезированных и протестированных соединениях еженедельно сообщается в известных научных журналах. Существует множество обзорных статей, документирующих разработку этих материалов. [16] [17] [18] [19] [20]
ОПТ на основе рубрена демонстрируют наибольшую подвижность носителей 20–40 см 2 /(В·с). Другим популярным материалом OFET является пентацен, который используется с 1980-х годов, но его подвижность в 10–100 раз ниже (в зависимости от подложки), чем у рубрена. [20] Основная проблема пентацена, как и многих других органических проводников, заключается в его быстром окислении на воздухе с образованием пентацен-хинона. Однако если пентацен предварительно окислить и образовавшийся таким образом пентацен-хинон использовать в качестве изолятора затвора, то подвижность может приблизиться к рубреновым значениям. Этот метод окисления пентацена аналогичен окислению кремния, используемому в кремниевой электронике. [16]
Поликристаллический тетратиафульвален и его аналоги обладают подвижностью в диапазоне 0,1–1,4 см 2 /(В·с). Однако подвижность превышает 10 см 2 /(В·с) в монокристаллическом гексаметилентетратиафульвалене (HMTTF), выращенном в растворе или на транспорте из паровой фазы. Напряжение включения/выключения различается для устройств, выращенных этими двумя методами, предположительно из-за более высоких температур обработки, используемых при транспортировке пара. [16]
Все вышеперечисленные устройства основаны на проводимости p-типа. OFET N-типа еще слабо развиты. Обычно они основаны на перилендиимидах или фуллеренах или их производных и обладают подвижностью электронов ниже 2 см 2 /(В·с). [17]
Тремя основными компонентами полевых транзисторов являются исток, сток и затвор. Полевые транзисторы обычно работают как конденсатор . Они состоят из двух пластин. Одна пластина работает как проводящий канал между двумя омическими контактами , которые называются контактами истока и стока. Другая пластина контролирует заряд, наведенный в канал, и называется затвором. Направление движения носителей в канале – от истока к стоку. Следовательно, связь между этими тремя компонентами заключается в том, что затвор управляет движением носителя от истока к стоку. [21]
Когда эта концепция конденсатора применяется к конструкции устройства, можно создавать различные устройства на основе разницы в контроллере, то есть затворе. Это может быть материал затвора, расположение затвора относительно канала, способ изоляции затвора от канала и тип несущей, индуцируемой напряжением затвора в канал (например, электроны в n-канальном устройстве). , дырки в устройстве с p-каналом, а также электроны и дырки в устройстве с двойной инжекцией).
На рисунке 1 схематически показаны три типа полевых транзисторов, классифицированные по свойствам несущей. [22] Это MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) и TFT ( тонкопленочный транзистор).
Наиболее известным и широко используемым полевым транзистором в современной микроэлектронике является МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). В этой категории есть разные типы, такие как MISFET (полевой транзистор металл-изолятор-полупроводник) и IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). Схема МДП-транзистора показана на рисунке 1а. Исток и сток соединены полупроводником, а затвор отделен от канала слоем изолятора. Если к затвору не приложено смещение (разность потенциалов), изгиб зоны индуцируется из-за разницы энергий проводящей зоны металла и уровня Ферми полупроводника . Поэтому на границе полупроводника и изолятора образуется более высокая концентрация дырок. Когда к контакту затвора прикладывается достаточное положительное смещение, изогнутая полоса становится плоской. При приложении большего положительного смещения происходит изгиб зоны в противоположном направлении и область вблизи границы изолятор-полупроводник обедняется дырками. Затем формируется обедненная область. При еще большем положительном смещении изгиб зоны становится настолько большим, что уровень Ферми на границе полупроводника и диэлектрика становится ближе ко дну зоны проводимости, чем к верху валентной зоны, следовательно, образует инверсию. слой электронов, обеспечивающий проводящий канал. Наконец, он включает устройство. [23]
Второй тип устройства описан на рис.1б. Единственное отличие этого транзистора от МДП-транзистора состоит в том, что исток и сток n-типа соединены областью n-типа. В этом случае область истощения распространяется по всему каналу n-типа при нулевом напряжении на затворе в нормально «выключенном» устройстве (это аналогично большему положительному смещению в случае МДП-транзистора). В нормально включенном устройстве часть канала не истощается, что приводит к прохождению тока при нулевом напряжении на затворе.
Тонкопленочный транзистор ( TFT) показан на рисунке 1c. Здесь электроды истока и стока наносятся непосредственно на проводящий канал (тонкий слой полупроводника), затем между полупроводником и металлическим контактом затвора наносится тонкая пленка изолятора. Такая структура предполагает отсутствие обедненной области, отделяющей устройство от подложки. При нулевом смещении электроны выбрасываются с поверхности из-за разницы энергий уровней Ферми полупроводника и металла. Это приводит к изгибу зон полупроводника. В этом случае движение носителей между истоком и стоком отсутствует. При приложении положительного заряда накопление электронов на границе раздела приводит к изгибу полупроводника в обратную сторону и к опусканию зоны проводимости относительно уровня Ферми полупроводника. Затем на границе раздела формируется высокопроводящий канал (показан на рисунке 2).
OFET используют архитектуру TFT. С разработкой проводящего полимера были признаны полупроводниковые свойства небольших сопряженных молекул. За последние десять лет интерес к OFET значительно возрос. Причины такого всплеска интереса многообразны. Характеристики OFET, которые могут конкурировать с TFT из аморфного кремния (a-Si) с полевой подвижностью 0,5–1 см 2 В -1 с -1 и коэффициентами тока ВКЛ/ВЫКЛ (которые указывают на способность устройства до выключения) 10 6 –10 8 , значительно улучшилась. В настоящее время значения подвижности тонкопленочных ОПТ составляют 5 см 2 В -1 с -1 в случае малых молекул, осажденных в вакууме [24] и 0,6 см 2 В -1 с -1 для полимеров, обработанных в растворе [25] . сообщил. В результате сейчас наблюдается больший промышленный интерес к использованию OFET для приложений, которые в настоящее время несовместимы с использованием a-Si или других технологий неорганических транзисторов. Одним из их главных технологических преимуществ является то, что все слои OFET могут быть нанесены и сформированы при комнатной температуре за счет сочетания недорогой обработки раствора и прямой печати, что делает их идеально подходящими для реализации недорогих, Электронные функции большой площади на гибких подложках. [26]
Термически окисленный кремний является традиционной подложкой для OFET, где диоксид кремния служит изолятором затвора. Активный слой полевого транзистора обычно наносится на эту подложку с помощью (i) термического испарения, (ii) покрытия из органического раствора или (iii) электростатического ламинирования. Первые два метода приводят к получению поликристаллических активных слоев; их гораздо проще производить, но они приводят к относительно плохим характеристикам транзисторов. Известны многочисленные варианты технологии нанесения покрытия раствором (ii), включая нанесение покрытия погружением , центрифугированием , струйную печать и трафаретную печать . Метод электростатического ламинирования основан на ручном снятии тонкого слоя с монокристалла органического материала; в результате получается превосходный монокристаллический активный слой, но это более утомительно. Толщина затворного оксида и активного слоя составляет менее одного микрометра. [16]
Транспортировка несущей в OFET специфична для двумерного (2D) распространения несущей через устройство. Для этого исследования использовались различные экспериментальные методы, такие как эксперимент Хейнса-Шокли по времени прохождения инжектированных носителей, времяпролетный эксперимент (TOF) [27] для определения подвижности носителей, эксперимент по распространению волны давления для исследования электрических Распределение -поля в изоляторах, эксперимент с органическим монослоем для исследования ориентационных диполярных изменений, генерация второй гармоники с оптическим временным разрешением (TRM-SHG) и т. д. В то время как носители распространяются через поликристаллические ОПТ диффузионным способом (ограниченным ловушкой), [28] ] они движутся через зону проводимости в лучших монокристаллических ОПТ. [16]
Наиболее важным параметром транспортировки несущей OFET является мобильность несущей. Его эволюция за годы исследований OFET показана на графике для поликристаллических и монокристаллических OFET. Горизонтальные линии обозначают справочники сравнения основных конкурентов OFET – аморфного (a-Si) и поликристаллического кремния. График показывает, что подвижность поликристаллических ОПТ сравнима с подвижностью a-Si, тогда как подвижность ОПТ на основе рубрена (20–40 см 2 /(В·с)) приближается к подвижности лучших устройств из поликремния. [16]
Разработка точных моделей подвижности носителей заряда в ОПТ является активной областью исследований. Фищук и др. разработали аналитическую модель подвижности носителей в ОПТ, которая учитывает плотность носителей и поляронный эффект . [29]
Хотя средняя плотность несущих обычно рассчитывается как функция напряжения на затворе при использовании в качестве входных данных для моделей подвижности несущих, было показано, что [30] спектроскопия модулированного амплитудного отражения (MARS) обеспечивает пространственную карту плотности несущих по каналу OFET. [31]
Поскольку через такой транзистор протекает электрический ток, его можно использовать в качестве светоизлучающего устройства, объединяя таким образом модуляцию тока и излучение света. В 2003 году немецкая группа сообщила о первом органическом светоизлучающем полевом транзисторе (OLET). [32] Структура устройства включает встречно-штыревые золотые электроды истока и стока и тонкую пленку поликристаллического тетрацена. Как положительные заряды ( дырки ), так и отрицательные заряды ( электроны ) инжектируются из золотых контактов в этот слой, что приводит к электролюминесценции тетрацена.