Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гибкий дисплей на основе OFET
Органическая логическая схема CMOS . Общая толщина менее 3 мкм. Шкала шкалы: 25 мм

Органический полевой транзистор ( OFET ) представляет собой полевой транзистор с использованием органического полупроводника в своем канале. OFET могут быть получены либо путем испарения малых молекул в вакууме, литья полимеров или небольших молекул из раствора , либо путем механического переноса отслоившегося 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 - это нижний затвор с верхними электродами стока и истока , потому что эта геометрия аналогична геометриитонкопленочный кремниевый транзистор (TFT), использующий термически выращенный SiO 2 в качестве диэлектрика затвора . Органические полимеры, такие как поли (метилметакрилат) ( 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 персонализированной биомедицине и биоэлектронике. [3]

В мае 2007 года Sony сообщила о первом полноцветном, гибком, полностью пластиковом дисплее с высокой скоростью передачи видео [4] [5], в котором и тонкопленочные транзисторы, и светоизлучающие пиксели были изготовлены из органических материалов.

История ОФЭЦ [ править ]

Концепция полевого транзистора (FET) была впервые предложена Джулиусом Эдгаром Лилиенфельдом , который получил патент на свою идею в 1930 году. [6] Он предположил, что полевой транзистор ведет себя как конденсатор с проводящим каналом между исток и сток-электрод. 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 г. [7] и представлен в 1960 г. [8] Также известный как МОП-транзистор, полевой МОП-транзистор является наиболее широко производимым устройством в мире. [9] [10] Концепция тонкопленочного транзистора (TFT) была впервые предложена Полом К. Веймером в 1962 году. [11] TFT - это особый тип MOSFET. [12]

Рост стоимости материалов и изделий, [ править ] , а также общественный интерес в более экологически чистых материалов электроники, поддержали развитие органической электроники на основе в более поздние годы. В 1986 году Mitsubishi Electric исследователи Х. Koezuka, А. Tsumura и Tsuneya Андо сообщил первый органический полевой транзистор, [13] [14] на основе полимера из тиофена молекул. [15] Тиофеновый полимер представляет собой тип сопряженного полимера.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 в настоящее время разрабатываются 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 мобильности и соотношений двухпозиционных токов.

Материалы [ править ]

Одной общей чертой материалов OFET является включение ароматической или иным образом сопряженной π-электронной системы, облегчающей делокализацию орбитальных волновых функций. Могут быть присоединены отводящие или отводящие электроны группы, которые облегчают перенос дырок или электронов.

OFETs , использующее множество ароматических и конъюгированные материалов в качестве активного полупроводникового слоя был зарегистрирован, в том числе и малые молекул , такие как рубрено , тетрацен , пентацен , diindenoperylene , perylenediimides , тетрацианхинодиметаны ( TCNQ ), и полимеры , такие как политиофен (особенно поли (3-hexylthiophene) ( P3HT)), полифлуорен , полидиацетилен , поли (2,5-тиениленвинилен) , поли (п-фениленвинилен) (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 наивысшую подвижность носителей 20–40 см 2 / (В · с). Еще одним 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 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 обеспечивают подвижность в диапазоне 0,1–1,4 см 2 / (В · с). Однако подвижность превышает 10 см 2 / (В · с) в монокристаллическом гексаметилентетратиафульвалене (HMTTF), выращенном из раствора или с переносом пара. Напряжение ВКЛ / ВЫКЛ отличается для устройств, выращенных с помощью этих двух методов, предположительно из-за более высоких температур обработки, используемых при росте переноса 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 показывают подвижность электронов ниже 2 см 2 / (В · с). [17]

Устройство органических полевых транзисторов [ править ]

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 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 по отношению к каналу, 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, схематически показаны на рисунке 1. [22] Это MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник) и TFT ( тонкопленочный транзистор).

MOSFET [ править ]

Наиболее 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 возникает из-за разницы энергий металлической проводящей зоны и уровня Ферми полупроводника.. Поэтому на границе 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 [ править ]

Второй тип устройства описан на рис. 1б. Единственное отличие этого от MISFET 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 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 [ править ]

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 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 зоны полупроводника. В этом случае движение носителя между истоком и стоком отсутствует. Когда приложен положительный заряд,накопление электронов на границе раздела приводит к изгибу полупроводника в противоположную сторону 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 [ править ]

OFET используют архитектуру TFT. С развитием 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 2 В −1 с −1 и отношениями тока включения / выключения (которые указывают на способность устройства до закрытия) 10 6 –10 8 , значительно улучшилась. В настоящее время значения подвижности тонких пленок OFET составляют 5 см 2 В -1 с -1.в случае вакуумного осаждения малых молекул [24] и 0,6 см 2 В -1 с -1 для полимеров, обработанных в растворе [25] . 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 с помощью комбинации 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 [ править ]

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 либо (i) термического испарения, (ii) покрытия из органического раствора, либо (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 техники нанесения покрытия (ii), включая нанесение покрытия погружением , центрифугирование , струйную печать и трафаретную печать.. 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 [ править ]

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 по временам пролета инжектированных носителей, времяпролетный эксперимент (TOF) [27] для определения подвижности носителей, эксперимент по распространению волны давления для исследования электрического -поле распределения в диэлектриках, органический монослой эксперимент для исследования ориентационных изменений дипольных, оптические с временным разрешением генерации второй гармоники (ТРМ-SHG) и т.д. в то время как носители распространяются через поликристаллические OFETs в диффузионно-типе (ловушки ограниченных) способе, [28 ] они движутся через зону проводимости в лучших монокристаллических ОПЭ.[16]

Наиболее 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 показаны сравнения основных конкурентов OFET - аморфного (a-Si) и поликристаллического кремния. График показывает, что подвижность в поликристаллических OFET сравнима с подвижностью a-Si, тогда как подвижность в OFET на основе рубрена (20–40 см 2 / (В · с)) приближается к подвижности лучших поликремниевых устройств. [16]

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

В то время как средняя плотность несущих обычно вычисляется как функция напряжения на затворе при использовании в качестве входных данных для моделей подвижности несущих, [30] было показано, что спектроскопия модулированной амплитудной отражательной способности (MARS) обеспечивает пространственную карту плотности несущих в канале OFET. [31]

Светоизлучающие ОФЭ [ править ]

Поскольку электрический ток течет через такой транзистор, он может использоваться как светоизлучающее устройство, интегрируя модуляцию тока и излучение света. В 2003 году немецкая группа компаний представила первый органический светоизлучающий полевой транзистор (OLET). [32] Устройство состоит из золотых электродов истока и стока с встречно расположенными штырями и тонкой поликристаллической пленки из тетрацена. Как положительные заряды ( дырки ), так и отрицательные заряды ( электроны ) инжектируются из золотых контактов в этот слой, что приводит к электролюминесценции тетрацена.

См. Также [ править ]

  • Органическая электроника
  • OLED
  • Спектроскопия модуляции заряда

Ссылки [ править ]

  1. ^ Salleo, A; Чабиниц, М.Л .; Ян, MS; Улица, РА (2002). «Полимерные тонкопленочные транзисторы с химически модифицированными диэлектрическими интерфейсами». Письма по прикладной физике . 81 (23): 4383–4385. Bibcode : 2002ApPhL..81.4383S . DOI : 10.1063 / 1.1527691 .
  2. Перейти ↑ Kaltenbrunner, Martin (2013). «Сверхлегкая конструкция для незаметной пластиковой электроники». Природа . 499 (7459): 458–463. DOI : 10,1038 / природа12314 .
  3. ^ Навроцкий, Роберт (2016). «Невидимая, сверхгибкая и биосовместимая электронная кожа с длиной волны 300 нм с тактильными датчиками и органическими транзисторами». Современные электронные материалы . 2 (4): 1500452. DOI : 10.1002 / aelm.201500452 .
  4. ^ プ ラ ス チ ッ ク TFT 駆 動 有機 EL デ ィ ス レ で 世界 初 ラ ー 表示 を 実 現. sony.co.jp (на японском)
  5. ^ Гибкий полноцветный OLED-дисплей . pinktentacle.com (24 июня 2007 г.).
  6. ^ Lilienfeld, JE (1930-01-28). US 1745175  «Способ и устройство для управления электрическими токами».
  7. ^ "1960 - Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . 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 исследованию твердотельных устройств .
  9. ^ «13 секстиллионов и подсчет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров . 2 апреля 2018 . Проверено 28 июля 2019 .
  10. ^ Бейкер, Р. Джейкоб (2011). CMOS: схемотехника, компоновка и моделирование . Джон Вили и сыновья . п. 7. ISBN 1118038231.
  11. ^ Веймер, П. К. (1962). «TFT - новый тонкопленочный транзистор». Proc. IRE . 50 (6): 1462–1469. DOI : 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?" . LAMP Project . Рамочные программы исследований и технологического развития . Проверено 29 июля 2019 года .
  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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / 0379-6779 (87) 90964-7 .
  16. ^ a b c d e f g Хасэгава, Тацуо; Такея, июн (2009). «Органические полевые транзисторы на монокристаллах» . Sci. Technol. Adv. Матер. (бесплатная загрузка). 10 (2): 024314. Bibcode : 2009STAdM..10b4314H . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 10/2/024314 . PMC 5090444 . PMID 27877287 .  
  17. ^ a b Ямасита, Йоширо (2009). «Органические полупроводники для органических полевых транзисторов» . Sci. Technol. Adv. Матер. (бесплатная загрузка). 10 (2): 024313. Bibcode : 2009STAdM..10b4313Y . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 10/2/024313 . PMC 5090443 . PMID 27877286 .  
  18. ^ Димитракопулос, CD; Malenfant, PRL (2002). "Органические тонкопленочные транзисторы для электроники больших площадей". Adv. Матер . 14 (2): 99. doi : 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» . Матер. Сегодня . 7 (9): 20. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (04) 00398-0 .
  20. ^ a b Клаук, Хаген (2010). «Органические тонкопленочные транзисторы». Chem. Soc. Ред . 39 (7): 2643–66. DOI : 10.1039 / B909902F . PMID 20396828 . 
  21. ^ Шур, Майкл (сентябрь 1990). Физика полупроводниковых приборов . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл . ISBN 978-0-13-666496-3.
  22. ^ Горовиц, Пол ; Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-37095-0.
  23. ^ Шокли, W. (1952). «Униполярный» полевой «транзистор». Proc. IRE . 40 (11): 1365–1376. DOI : 10.1109 / JRPROC.1952.273964 .
  24. ^ Baude, PF; Эндер, Д.А. Haase, MA; Келли, TW; Muyres, DV; Тайсс, SD (2003). «Схема радиочастотной идентификации на основе пентацена». Phys. Lett . 82 (22): 3964. Bibcode : 2003ApPhL..82.3964B . DOI : 10.1063 / 1.1579554 .
  25. ↑ McCulloch, I. представил на 229-м ACS Natl. Встреча, Сан-Диего, Калифорния, март 2005 г.
  26. ^ Sirringhaus, H. (2005). "Аппаратная физика органических полевых транзисторов с растворной обработкой". Adv. Матер. 17 (20): 2411–2425. DOI : 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. Rev. B . 78 (12): 121302. Bibcode : 2008PhRvB..78l1302M . DOI : 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) . Physical Review B . 88 (12): 125202. Bibcode : 2013PhRvB..88l5202F . DOI : 10.1103 / PhysRevB.88.125202 . ISSN 0163-1829 .  
  30. ^ Tanase, C .; Meijer, EJ; Блом, ШИМ; Де Леу, DM (июнь 2003 г.). «Локальная подвижность носителей заряда в неупорядоченных органических полевых транзисторах» (PDF) . Органическая электроника . 4 (1): 33–37. DOI : 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». Современные материалы . 26 (26): 4539–4545. DOI : 10.1002 / adma.201400859 . ISSN 1521-4095 . PMID 24889350 .  
  32. ^ Хепп, Алин; Хайль, Хольгер; Вайзе, 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 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.91.157406 . PMID 14611497 .