Органический полевой транзистор - Organic field-effect transistor

Гибкий дисплей на основе OFET
Органический CMOS логическая схема. Общая толщина менее 3 мкм. Шкала шкалы: 25 мм

An органический полевой транзистор (OFET) это полевой транзистор используя органический полупроводник в своем канале. OFET могут быть получены либо путем испарения малых молекул в вакууме, либо путем заливка раствора из полимеры или небольшие молекулы, или путем механического переноса очищенного монокристаллического органического слоя на подложку. Эти устройства были разработаны для реализации недорогих электронных продуктов большой площади и биоразлагаемая электроника. OFET изготавливаются с различной геометрией устройств. Наиболее часто используемая геометрия устройства - нижний затвор с верхним стоком и истоком. электроды, поскольку эта геометрия похожа на тонкопленочный кремниевый транзистор (TFT) с использованием термически выращенного SiO2 так как затвор диэлектрик. Органические полимеры, такие как поли (метилметакрилат) (ПММА ), также может использоваться как диэлектрик.[1]. Одним из преимуществ OFET, особенно по сравнению с неорганическими TFT, является их беспрецедентная физическая гибкость,[2] что приводит к созданию биосовместимых приложений, например, в отрасли здравоохранения будущего, в персонализированной биомедицине и биоэлектронике.[3]

В мае 2007 г. Sony сообщил о первом полноцветном, видео, гибком, полностью пластиковом дисплее,[4][5] в котором и тонкопленочные транзисторы, и светоизлучающие пиксели были изготовлены из органических материалов.

История ОФЭЦ

Концепция полевой транзистор (FET) был впервые предложен Юлиус Эдгар Лилиенфельд, получивший патент на свою идею в 1930 г.[6] Он предположил, что полевой транзистор ведет себя как конденсатор с проводящим каналом между истоком и стоком. Приложенное напряжение на электроде затвора контролирует количество носителей заряда, протекающих через систему.

Первый полевой транзистор был разработан и изготовлен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs с использованием металл – оксид – полупроводник: МОП-транзистор (полевой транзистор металл – оксид – полупроводник). Он был изобретен в 1959 году,[7] и представлен в 1960 году.[8] МОП-транзистор, также известный как МОП-транзистор, является наиболее широко производимым устройством в мире.[9][10] Концепция тонкопленочный транзистор (TFT) был впервые предложен Пол К. Веймер в 1962 г.[11] TFT - это особый тип полевого МОП-транзистора.[12]

Рост затрат на материалы и производство,[нужна цитата ] а также общественный интерес к более экологически чистым материалам для электроники, в последние годы способствовали развитию электроники на органической основе. В 1986 г. Mitsubishi Electric исследователи Х. Коэдзука, А. Цумура и Цунейя Андо сообщили о первом органическом полевом транзисторе,[13][14] на основе полимер из тиофен молекулы.[15] Полимер тиофена представляет собой тип сопряженный полимер который способен проводить заряд, устраняя необходимость в использовании дорогих металлооксидных полупроводников. Кроме того, было показано, что другие сопряженные полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Конструкция OFET также улучшилась за последние несколько десятилетий. Многие OFET сейчас проектируются на основе тонкопленочный транзистор (TFT), что позволяет использовать в конструкции устройства менее проводящие материалы. За последние несколько лет эти модели были усовершенствованы, чтобы полевая подвижность и отношения тока включения-выключения.

Материалы

Одной из общих черт материалов OFET является включение ароматный или иным образом сопряженный π-электронная система, облегчающая делокализацию орбитальных волновых функций. Могут быть присоединены отводящие или отводящие электроны группы, которые облегчают перенос дырок или электронов.

Сообщалось о OFET с использованием многих ароматических и сопряженных материалов в качестве активного полупроводникового слоя, 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-фенилен винилен) (PPV).

Эта область очень активна, о недавно синтезированных и испытанных соединениях еженедельно сообщается в известных исследовательских журналах. Существует множество обзорных статей, документирующих развитие этих материалов.[16][17][18][19][20]

OFET на основе рубрена демонстрируют максимальную подвижность носителей 20–40 см.2/ (В · с). Другой популярный материал OFET - пентацен, который используется с 1980-х годов, но его подвижность в 10-100 раз ниже (в зависимости от основы), чем у рубрена.[20] Основная проблема пентацена, как и многих других органических проводников, заключается в его быстром окислении на воздухе с образованием пентаценхинона. Однако, если пентацен предварительно окислен и образованный таким образом пентаценхинон используется в качестве изолятора затвора, то подвижность может приближаться к значениям рубрена. Этот метод окисления пентацена сродни окислению кремния, используемому в кремниевой электронике.[16]

Поликристаллический тетратиафульвален и его аналоги имеют подвижность 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 с переносом пара. Напряжение ВКЛ / ВЫКЛ отличается для устройств, выращенных с помощью этих двух технологий, предположительно из-за более высоких температур обработки, используемых при росте переноса пара.[16]

Все вышеупомянутые устройства основаны на проводимости p-типа. OFET N-типа пока развиты слабо. Обычно они основаны на перилендиимидах или фуллерены или их производные, и показывают подвижность электронов ниже 2 см2/ (В · с).[17]

Устройство органических полевых транзисторов

Три основных компонента полевых транзисторов - это исток, сток и затвор. Полевые транзисторы обычно работают как конденсатор. Они состоят из двух пластин. Одна пластина работает как проводящий канал между двумя омические контакты, которые называются контактами истока и стока. Другая пластина управляет зарядом, индуцируемым в канале, и называется затвором. Направление движения носителей в канале - от истока к стоку. Следовательно, взаимосвязь между этими тремя компонентами заключается в том, что затвор управляет перемещением носителя от истока к стоку.[21]

Когда эта концепция конденсатора применяется к конструкции устройства, различные устройства могут быть построены на основе различий в контроллере, то есть затворе. Это может быть материал затвора, расположение затвора относительно канала, то, как затвор изолирован от канала, и какой тип носителя индуцируется напряжением затвора в канале (например, электроны в n-канальном устройстве. , дырки в устройстве с p-каналом и электроны и дырки в устройстве с двойной инжекцией).

Рисунок 1. Схема трех типов полевых транзисторов (FET): (a) полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник (MISFET); (б) металл-полупроводниковый полевой транзистор (MESFET); (c) тонкопленочный транзистор (TFT).

Три типа полевых транзисторов, классифицированных по свойствам носителя, схематично показаны на рисунке 1.[22] Это MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) и TFT (тонкопленочный транзистор).

МОП-транзистор

Наиболее известным и широко используемым полевым транзистором в современной микроэлектронике является МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). В этой категории есть разные виды, например MISFET (полевой транзистор металл – диэлектрик – полупроводник), и IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором). Схема MISFET показана на рисунке 1a. Исток и сток соединены полупроводником, а затвор отделен от канала слоем изолятора. Если на затвор нет смещения (разности потенциалов), Гибка ленты индуцируется из-за разницы энергий металлической проводящей зоны и полупроводника. Уровень Ферми. Следовательно, на границе раздела полупроводника и изолятора образуется более высокая концентрация дырок. Когда к контакту затвора приложено достаточное положительное смещение, изогнутая полоса становится плоской. Если приложить большее положительное смещение, произойдет изгиб зоны в противоположном направлении, и область, близкая к границе раздела диэлектрик-полупроводник, станет обедненной 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 к дну зоны проводимости, чем к вершине валентной зоны, поэтому он образует инверсию слой электронов, обеспечивающий проводящий канал. Наконец, он включает устройство.[23]

MESFET

Второй тип устройства описан на рис. 1б. Единственное отличие этого от MISFET заключается 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 затвора в нормально выключенном устройстве (это похоже на большее положительное смещение в случае MISFET). В нормально «включенном» устройстве часть канала не истощается, что приводит к прохождению тока при нулевом напряжении затвора.

TFT

А тонкопленочный транзистор (TFT) показан на рисунке 1c. Здесь электроды истока и стока наносятся непосредственно на проводящий канал (тонкий слой полупроводника), а затем между полупроводником и металлическим контактом затвора осаждается тонкая пленка изолятора. Такая структура предполагает, что отсутствует область истощения, отделяющая устройство от подложки. При нулевом смещении электроны выталкиваются с поверхности из-за разницы энергий уровней Ферми полупроводника и металла. Это приводит к искривлению зон полупроводника. В этом случае движение носителя между истоком и стоком отсутствует. Когда прикладывается положительный заряд, накопление электронов на границе раздела приводит к изгибу полупроводника в противоположном направлении и к уменьшению зоны проводимости по отношению к уровню Ферми полупроводника. Затем на границе раздела формируется высокопроводящий канал (показанный на рисунке 2).

Рисунок 2: Схема изгиба полосы в модели устройства TFT.

OFET

OFET используют архитектуру TFT. С разработкой проводящего полимера были обнаружены полупроводниковые свойства малых сопряженных молекул. За последние десять лет интерес к OFET чрезвычайно вырос. Причины такого всплеска интереса разнообразны. Характеристики OFET, которые могут конкурировать с характеристиками TFT на аморфном кремнии (a-Si) с полевой подвижностью 0,5–1 см2 V−1 s−1 и соотношения тока включения / выключения (которые указывают на способность устройства отключаться) 106–108, значительно улучшился. В настоящее время тонкопленочные значения подвижности OFET 5 см2 V−1 s−1 в случае осажденных в вакууме малых молекул[24] и 0,6 см2 V−1 s−1 для полимеров, обработанных в растворе[25] не поступало. В результате в настоящее время растет промышленный интерес к использованию OFET для приложений, которые в настоящее время несовместимы с использованием a-Si или других технологий неорганических транзисторов. Одна из их основных технологических преимуществ заключается в том, что все слои OFET могут быть нанесены и сформированы при комнатной температуре путем сочетания недорогой обработки раствора и прямой записи печати, что делает их идеально подходящими для реализации недорогих, электронные функции большой площади на гибких подложках.[26]

Подготовка устройства

Схема OFET

Термически окисленный кремний - это традиционная подложка для OFET, где диоксид кремния служит изолятором затвора. Активный слой полевого транзистора обычно наносится на эту подложку с использованием (i) термического испарения, (ii) покрытия из органического раствора или (iii) электростатического ламинирования. Первые два метода приводят к получению поликристаллических активных слоев; их намного проще производить, но они приводят к относительно плохим характеристикам транзисторов. Известны многочисленные варианты способа нанесения покрытия из раствора (ii), в том числе окунание, центрифугирование, струйная печать и снимок экрана. Техника электростатического ламинирования основана на ручном снятии тонкого слоя с монокристалла органического вещества; это приводит к превосходному монокристаллическому активному слою, но это более утомительно. Толщина оксида затвора и активного слоя менее одного микрометра.[16]

Перевозчик

Эволюция подвижности носителей в органических полевых транзисторах.[16]

Транспорт несущей в OFET специфичен для двумерного (2D) распространения несущей через устройство. Для этого исследования использовались различные экспериментальные методы, такие как Эксперимент Хейнса-Шокли о времени доставки введенных перевозчиков, время полета (TOF) эксперимент[27] для определения подвижности носителей, эксперимент по распространению волны давления для исследования распределения электрического поля в изоляторах, эксперимент с органическими монослоями для исследования ориентационных диполярных изменений, оптическая генерация второй гармоники с временным разрешением (TRM-SHG) и т. д., в то время как носители распространяются через поликристаллические OFET в диффузионно-подобном (ограниченном ловушками) виде,[28] они движутся через зону проводимости в лучших монокристаллических ОПЭ.[16]

Самым важным параметром транспортировки несущей OFET является мобильность оператора связи. Его эволюция за годы исследований OFET показана на графике для поликристаллических и монокристаллических OFET. Горизонтальными линиями обозначены руководства по сравнению с основными конкурентами OFET - аморфным (a-Si) и поликристаллическим кремнием. График показывает, что подвижность в поликристаллических OFET сравнима с подвижностью a-Si, тогда как подвижность в рубрен ОПТ на основе 20–40 см2/ (В · с)) приближается к показателям лучших поликремниевых устройств.[16]

Разработка точных моделей подвижности носителей заряда в OFET - это активная область исследований. Фищук и другие. разработали аналитическую модель мобильности носителей в OFET, которая учитывает плотность носителей и поляронный эффект.[29]

Хотя средняя плотность несущих обычно вычисляется как функция напряжения затвора при использовании в качестве входных данных для моделей мобильности несущих,[30] Было показано, что спектроскопия отражения с модулированной амплитудой (MARS) обеспечивает пространственную карту плотности несущих в канале OFET.[31]

Светоизлучающие ОФЭТ

Поскольку электрический ток течет через такой транзистор, его можно использовать в качестве светоизлучающего устройства, таким образом объединяя модуляцию тока и излучение света. В 2003 году немецкая группа компаний сообщила о первом органическом светоизлучающем полевом транзисторе (OLET).[32] В состав устройства входят встречно-штыревые золото электроды истока и стока и поликристаллический тонкая пленка тетрацена. Оба положительных заряда (дыры ), а также отрицательные заряды (электроны ) вводятся из золотых контактов в этот слой, что приводит к электролюминесценция из тетрацена.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Salleo, A; Chabinyc, M.L .; Ян, M.S .; Улица, РА (2002). «Полимерные тонкопленочные транзисторы с химически модифицированными диэлектрическими интерфейсами». Письма по прикладной физике. 81 (23): 4383–4385. Bibcode:2002АпФЛ..81.4383С. Дои:10.1063/1.1527691.
  2. ^ Кальтенбруннер, Мартин (2013). «Сверхлегкая конструкция для незаметной пластиковой электроники». Природа. 499 (7459): 458–463. Дои:10.1038 / природа12314.
  3. ^ Навроцкий, Роберт (2016). «Невосприимчивая, сверхгибкая и биосовместимая электронная кожа с длиной волны 300 нм с тактильными датчиками и органическими транзисторами». Современные электронные материалы. 2 (4): 1500452. Дои:10.1002 / aelm.201500452.
  4. ^ プ ラ ス チ ッ ク フ TFT 駆 動 有機 EL デ ィ ス プ レ イ で 世界 初 フ カ ー 表示 を 実 現. sony.co.jp (на японском)
  5. ^ Гибкий полноцветный OLED-дисплей. pinktentacle.com (24 июня 2007 г.).
  6. ^ Лилиенфельд, J.E. (1930-01-28). США 1745175  «Способ и устройство для управления электрическими токами»
  7. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  8. ^ Аталла, М.; Канг, Д. (1960). «Устройства на поверхности, индуцированные полем из диоксида кремния и кремния». Конференция IRE-AIEE по исследованиям твердотельных устройств.
  9. ^ "13 секстиллионов и счет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории". Музей истории компьютеров. 2 апреля 2018 г.. Получено 28 июля 2019.
  10. ^ Бейкер, Р. Джейкоб (2011). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование. Джон Уайли и сыновья. п. 7. ISBN  1118038231.
  11. ^ Веймер, П. (1962). «TFT - новый тонкопленочный транзистор». Proc. IRE. 50 (6): 1462–1469. Дои:10.1109 / JRPROC.1962.288190.
  12. ^ Кимидзука, Нобору; Ямазаки, Шунпей (2016). Физика и технология кристаллического оксидного полупроводника CAAC-IGZO: основы. Джон Вили и сыновья. п. 217. ISBN  9781119247401.
  13. ^ "Что такое OLED и OLET?". ЛАМПА Проект. Рамочные программы исследований и технологического развития. Получено 29 июля 2019.
  14. ^ Цумура, А .; Koezuka, H .; Андо, Цунейя (3 ноября 1986 г.). «Макромолекулярное электронное устройство: полевой транзистор с тонкой пленкой политиофена». Письма по прикладной физике. 49 (18): 1210–1212. Дои:10.1063/1.97417. ISSN  0003-6951.
  15. ^ Koezuka, H .; Цумура, А .; Андо, Цунейя (1987). «Полевой транзистор с тонкой пленкой политиофена». Синтетические металлы. 18 (1–3): 699–704. Дои:10.1016/0379-6779(87)90964-7.
  16. ^ а б c d е ж г Хасэгава, Тацуо; Такея, июн (2009). «Органические полевые транзисторы на монокристаллах». Sci. Technol. Adv. Mater. (бесплатная загрузка). 10 (2): 024314. Bibcode:2009STAdM..10b4314H. Дои:10.1088/1468-6996/10/2/024314. ЧВК  5090444. PMID  27877287.
  17. ^ а б Ямасита, Йоширо (2009). «Органические полупроводники для органических полевых транзисторов». Sci. Technol. Adv. Mater. (бесплатная загрузка). 10 (2): 024313. Bibcode:2009STAdM..10b4313Y. Дои:10.1088/1468-6996/10/2/024313. ЧВК  5090443. PMID  27877286.
  18. ^ Dimitrakopoulos, C.D .; Malenfant, P.R.L. (2002). "Органические тонкопленочные транзисторы для электроники больших площадей". Adv. Матер. 14 (2): 99. Дои:10.1002 / 1521-4095 (20020116) 14: 2 <99 :: AID-ADMA99> 3.0.CO; 2-9.
  19. ^ Риз, Колин; Робертс, Марк; Линг, Манг-Ман; Бао, Чжэнань (2004). «Органические тонкопленочные транзисторы». Mater. сегодня. 7 (9): 20. Дои:10.1016 / S1369-7021 (04) 00398-0.
  20. ^ а б Клаук, Хаген (2010). «Органические тонкопленочные транзисторы». Chem. Soc. Rev. 39 (7): 2643–66. Дои:10.1039 / B909902F. PMID  20396828.
  21. ^ Шур, Майкл (сентябрь 1990). Физика полупроводниковых приборов. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall. ISBN  978-0-13-666496-3.
  22. ^ Горовиц, Пол; Winfield Hill (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-37095-0.
  23. ^ Шокли, В. (1952). «Униполярный» полевой «транзистор». Proc. IRE. 40 (11): 1365–1376. Дои:10.1109 / JRPROC.1952.273964.
  24. ^ Baude, P. F .; Эндер, Д. А .; Haase, M. A .; Kelley, T. W .; Muyres, D. V .; Тайсс, С. Д. (2003). «Схема радиочастотной идентификации на основе пентацена». Phys. Латыш. 82 (22): 3964. Bibcode:2003АпФЛ..82.3964Б. Дои:10.1063/1.1579554.
  25. ^ McCulloch, I. представил на 229-й ACS Natl. Встреча, Сан-Диего, Калифорния, март 2005 г.
  26. ^ Сиррингхаус, Х. (2005). "Аппаратная физика органических полевых транзисторов с растворной обработкой". Adv. Mater. 17 (20): 2411–2425. Дои:10.1002 / adma.200501152.
  27. ^ Вайс, Мартин; Лин, Джек; Тагучи, Дай; Манака, Такааки; Ивамото, Мицумаса (2009). "Анализ переходных токов в органических полевых транзисторах: времяпролетный метод". J. Phys. Chem. C. 113 (43): 18459. Дои:10.1021 / jp908381b.
  28. ^ Манака, Такааки; Лю, Фэй; Вайс, Мартин; Ивамото, Мицумаса (2008). «Диффузионная миграция электрического поля в канале органических полевых транзисторов». Phys. Ред. B. 78 (12): 121302. Bibcode:2008ПхРвБ..78л1302М. Дои:10.1103 / PhysRevB.78.121302.
  29. ^ Фищук, Иван I .; Кадащук Андрей; Хоффманн, Себастьян Т .; Афанасопулос, Ставрос; Genoe, J .; Бесслер, Хайнц; Келер, Анна (2013). «Единое описание прыжкового транспорта в органических полупроводниках, включая энергетический беспорядок и поляронные вклады» (PDF). Физический обзор B. 88 (12): 125202. Bibcode:2013PhRvB..88l5202F. Дои:10.1103 / PhysRevB.88.125202. ISSN  0163-1829.
  30. ^ Tanase, C .; Meijer, E.J .; Blom, P.W.M .; Де Леу, Д. (Июнь 2003 г.). «Локальная подвижность носителей заряда в неупорядоченных органических полевых транзисторах» (PDF). Органическая электроника. 4 (1): 33–37. Дои:10.1016 / S1566-1199 (03) 00006-5.
  31. ^ Дэвис, Эндрю Р .; Pye, Lorelle N .; Кац, Ноам; Хаджингс, Дженис А .; Картер, Кеннет Р. (2014). «Пространственное отображение плотности носителей заряда и дефектов в органической электронике с использованием спектроскопии отражения с усилением модуляции». Передовые материалы. 26 (26): 4539–4545. Дои:10.1002 / adma.201400859. ISSN  1521-4095. PMID  24889350.
  32. ^ Хепп, Алин; Хайль, Хольгер; Вайсе, Виланд; Алес, Маркус; Шмехель, Роланд; Фон Зеггерн, Хайнц (2003). «Светоизлучающий полевой транзистор на основе тонкой пленки тетрацена». Phys. Rev. Lett. 91 (15): 157406. Bibcode:2003PhRvL..91o7406H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.91.157406. PMID  14611497.