Войти
Гибкий дисплей на основе OFET 
Органическая CMOS логическая схема. Общая толщина менее 3 мкм. Шкала: 25 мм Органический полевой транзистор (OFET ) - это полевой транзистор, использующий органический полупроводник <115.>в своем канале. OFET могут быть получены либо путем испарения малых молекул в вакууме, путем литья раствора полимеров или небольших молекул, либо путем механического переноса отслаиваемого монокристаллического органического слоя на подложку. Эти устройства были разработаны для реализации недорогих электронных продуктов с большой площадью и биоразлагаемой электроники. OFET изготавливаются с различной геометрией устройств. Наиболее часто используемая геометрия устройства - это нижний затвор с верхними электродами стока и истока , потому что эта геометрия аналогична тонкопленочному кремниевому транзистору (TFT) с использованием термически выращенного SiO. 2 как диэлектрик затвора. Органические полимеры, такие как полиметилметакрилат (PMMA ), также могут использоваться в качестве диэлектрика. Одним из преимуществ OFET, особенно по сравнению с неорганическими TFT, является их беспрецедентная физическая гибкость, что приводит к для биосовместимых приложений, например, в сфере здравоохранения будущего, в персонализированной биомедицине и биоэлектронике.
В мае 2007 года Sony представила первый полноцветный, гибкий, полностью пластиковый дисплей, в котором как тонкопленочные транзисторы, так и светоизлучающие пиксели были изготовлены из органических материалов.
Концепция поля - Эффектный транзистор (FET) был впервые предложен Джулиусом Эдгаром Лилиенфельдом, который получил патент на свою идею в 1930 году. 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 Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs с использованием металл-оксид-полупроводник : MOSFET (полевой транзистор металл – оксид – полупроводник). Он был изобретен в 1959 году и представлен в 1960 году. Также известный как МОП-транзистор, МОП-транзистор является наиболее широко производимым устройством в мире. Концепция тонкопленочного транзистора (TFT) была впервые предложена Полом К. Веймером в 1962 году. TFT - это особый тип MOSFET.
Rising Стоимость материалов и производства, а также общественный интерес к более экологически чистым материалам для электроники способствовали развитию электроники на органической основе в последние годы. В 1986 г. исследователи Mitsubishi Electric Х. Коэдзука, А. Цумура и Цунейя Андо сообщили о первом органическом полевом транзисторе на основе полимера из молекул тиофена.. Полимер тиофена представляет собой тип сопряженного полимера, который способен проводить заряд, устраняя необходимость в использовании дорогих полупроводников на основе оксидов металлов. Кроме того, было показано, что другие сопряженные полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Конструкция OFET также улучшилась за последние несколько десятилетий. Многие OFET в настоящее время проектируются на основе модели тонкопленочного транзистора (TFT), что позволяет использовать в конструкции устройства менее проводящие материалы. За последние несколько лет эти модели были усовершенствованы в отношении полевой подвижности и соотношений между двумя включениями.
Одной из общих черт OFET-материалов является включение ароматической или иным образом сопряженной π-электронной системы, способствующей делокализации орбитальных волновые функции. Могут быть присоединены отводящие или отводящие электроны группы, которые облегчают перенос дырок или электронов.
Сообщалось о OFET, в которых в качестве активного полупроводникового слоя используется множество ароматических и сопряженных материалов, включая небольшие молекулы, такие как рубрен, тетрацен, пентацен, диинденоперилен, тетрацианохинодиметан (TCNQ ) и полимеры, такие как политиофены (особенно поли (3-гексилтиофен) (P3HT)), полифлуорен, полидиацетилен, поли (п-фениленвинилен) (PPV).
Эта область очень активна, о недавно синтезированных и испытанных соединениях еженедельно сообщается в известных исследовательских журналах. Существует множество обзорных статей, в которых документируется разработка этих материалов.
OFET на основе рубрена демонстрируют наивысшую подвижность носителей 20–40 см / (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. 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 схож с окислением кремния, используемым в кремниевой электронике.
Поликристаллический тетратиафульвален и его аналоги обеспечивают подвижность в диапазоне 0,1–1,4 см / (В · с). Однако подвижность превышает 10 см / (В · с) в монокристаллическом гексаметилентетратиафульвалене (HMTTF), выращенном из раствора или с переносом паров. Напряжение включения / выключения различается для устройств, выращенных этими двумя способами, предположительно из-за более высоких температур обработки, используемых при увеличении переноса пара.
Все вышеупомянутые устройства основаны на проводимости p-типа. OFET N-типа пока развиты слабо. Обычно они основаны на перилендиимидах или фуллеренах или их производных и демонстрируют подвижность электронов ниже 2 см / (В · с).
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 омическими контактами , 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 движением носителей от истока к стоку.
Когда эта концепция конденсатора применяется к конструкции устройства, различные устройства могут быть построены на основе разницы в контроллер - т.е. ворота. 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).
Рис. 1. Схема трех типов полевых транзисторов (FET): (a) полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник (MISFET); (б) металл-полупроводниковый полевой транзистор (MESFET); (c) тонкопленочный транзистор (TFT). Классифицируемые по свойствам носителя три типа полевых транзисторов схематично показаны на рисунке 1. Это MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), MESFET ( металл-полупроводниковый полевой транзистор) и TFT (тонкопленочный транзистор).
Самым известным и широко используемым полевым транзистором в современной микроэлектронике является MOSFET (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 MISFET показана на рисунке 1a. 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 металлической проводящей зоны и полупроводникового уровня 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 раздела полупроводник и диэлектрик становится ближе к дну зоны проводимости, чем к вершине валентной зоны, поэтому он образует инверсию слой электронов, обеспечивающий проводящий канал. Наконец, он включает устройство.
Второй тип устройства описан на рисунке 1b. Единственное отличие этого от MISFET состоит в том, что исток и сток n-типа соединены областью n-типа. В этом случае область истощения простирается 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.
A 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 нет области истощения, отделяющей 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 канал с высокой проводимостью (показан на рисунке 2).
Рисунок 2: Схема изгиба полосы в модели устройства TFT. OFET используют архитектуру TFT. С разработкой проводящего полимера были обнаружены полупроводниковые свойства малых сопряженных молекул. За последние десять лет интерес к ОФЭТ значительно 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 см В · с и отношениями тока включения / выключения (которые указывают на способность устройства отключаться) 10–10, значительно улучшилось. В настоящее время сообщалось о значениях подвижности тонких пленок OFET, равных 5 см В с для небольших молекул, осажденных в вакууме, и 0,6 см В с для полимеров, обработанных на растворе. В результате в настоящее время наблюдается больший 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, электроника с большой площадью функционирует на гибких подложках.
Схема OFET Термически окисленный кремний является традиционной подложкой 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 имеют относительно низкую производительность транзисторов. Известны многочисленные варианты метода нанесения покрытия из раствора (ii), включая покрытие погружением, покрытие центрифугированием, струйную печать и трафаретную печать <115.>. Метод электростатического ламинирования основан на ручном снятии тонкого слоя с монокристалла органического вещества; в результате получается активный монокристаллический слой превосходного качества, но это более утомительно. Толщина оксида затвора и активного слоя составляет менее одного микрометра.
Эволюция подвижности носителей в органических полевых транзисторах. Транспорт носителей в OFET специфичен для двух пространственное (2D) распространение носителя через устройство. Для этого исследования использовались различные экспериментальные методы, такие как эксперимент Хейнса-Шокли по времени пролета введенных носителей, эксперимент по времени пролета (TOF) для определения подвижности носителей., эксперимент по распространению волны давления для исследования распределения электрического поля в изоляторах, эксперимент с органическим монослоем 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 (ограниченный ловушкой) они перемещаются через зону проводимости в лучших монокристаллических OFET.
Наиболее важным параметром транспорта носителей OFET является подвижность носителей. Его эволюция за годы исследований OFET показана на графике для поликристаллических и монокристаллических OFET. Горизонтальными линиями показаны сравнительные руководства по основным конкурентам OFET - аморфному (a-Si) и поликристаллическому кремнию. График показывает, что подвижность поликристаллических OFET сравнима с подвижностью a-Si, тогда как подвижность OFET на основе рубрена (20-40 см / (В · с)) приближается к подвижности лучших поликремниевых устройств..
Разработка точных моделей подвижности носителей заряда в OFET является активной областью исследований. Фищук и др. разработали аналитическую модель подвижности несущих в OFET, которая учитывает плотность несущих и поляронный эффект.
В то время как средняя плотность несущих обычно рассчитывается как функция напряжения затвора, когда используется в качестве входных данных для моделей подвижности несущих, модулированная амплитудная отражательная способность Было показано, что спектроскопия (MARS) обеспечивает пространственную карту плотности несущих в канале OFET.
Поскольку электрический ток течет через такой транзистор, его можно использовать как светоизлучающее устройство, объединяющее модуляцию тока и световое излучение. В 2003 году немецкая группа компаний представила первый органический светоизлучающий полевой транзистор (OLET). 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.
