Οργανικό τρανζίστορ επίδρασης πεδίου

Για περισσότερο από μία δεκαετία, τα οργανικά τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (organic field-effect transistors, OFET), τα οποία βασίζονται σε συζευγμένα (conjugated) πολυμερή, σε ολιγομερή και άλλα μόρια, θεωρούνται ως μία βιώσιμη λύση συγκρινόμενα με τα πιο παραδοσιακά και περισσότερο χρησιμοποιούμενα τρανζίστορ (FET), τα οποία στηρίζονται στα ανόργανα υλικά. Ιδιαίτερα στην περίπτωση που το χρησιμοποιούμενο οργανικό φιλμ είναι λεπτό, είναι γνωστά ως οργανικά τρανζίστορ λεπτού φιλμ (thin-film transistors, OTFT) ^[1].

Επισκόπηση

Τα οργανικά τρανζίστορ μπορούν να περιλαμβάνουν ένα μοριακό ή πολυμερικό κανάλι που συνδέεται με τις επαφές απαγωγού και πηγής, ενώ ο μονωτής της πύλης μπορεί να είναι οργανικός ή ανόργανος ^[2].

Δομή οργανικού τρανζίστορ λεπτού φιλμ.

Περιορισμοί

Εξαιτίας της σχετικά χαμηλής ευκινησίας των ημιαγώγιμων οργανικών στρωμάτων, τα OFET δεν μπορούν να συναγωνιστούν την απόδοση των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου που βασίζονται σε μονοκρυσταλλικούς ανόργανους ημιαγωγούς, όπως τα Si και Ge, τα οποία έχουν ευκινησίες φορέων φορτίων (μ) περίπου τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες. Οι σημαντικότερες παράμετροι χαρακτηρισμού ενός FET είναι η ευκινησία του και ο λόγος ρεύματος ON/OFF. Η ευκινησία εκφράζει τη μέση ταχύτητα των φορτίων λόγω επιβολής εξωτερικής τάσης και ανά μονάδα ηλεκτρικού πεδίου, σύμφωνα με τη σχέση:

ud = μ•E

όπου: ud: η μέση ταχύτητα ολίσθησης των φορέων (σταθερή για μικρά πεδία) και Ε: το ηλεκτρικό πεδίο.

Η συχνότητα ON/OFF είναι ο ρυθμός μεταξύ πηγής και απαγωγού του FET μεταξύ των ON και OFF καταστάσεων. Αμφότερες οι παράμετροι εξαρτώνται ισχυρά από την τάση που εφαρμόζεται στην πύλη. Στις διατάξεις υγρών κρυστάλλων, για παράδειγμα, χρειάζεται ευκινησία μεγαλύτερη του 0,1 cm²V^-1s^-1 και συχνότητα ON/OFF μεγαλύτερη του 10⁶:1.

Οι περιορισμοί στην απόδοση των OFET, λοιπόν, τίθενται κυρίως από τις χαμηλές ευκινησίες των ηλεκτρονίων ή των οπών στα υλικά του καναλιού. Εξαιτίας μοριακών ταλαντώσεων και μεγάλων ενδομοριακών αποστάσεων (περίπου 0,35nm), η αγωγιμότητα στα οργανικά φιλμ μικρών μορίων καθορίζεται από το ρυθμό μεταπήδησης των ηλεκτρονίων ή οπών μεταξύ των οργανικών μορίων στο κανάλι. Επίσης, η ευκινησία φορέων στα οργανικά φιλμ ημιαγωγών περιορίζεται από την αγωγιμότητα με άλματα φορτίου από ένα κέντρο φορτίου σε άλλο (hopping) σε περιοχές του υλικού με μεγάλη αταξία, όπως τα περατωτικά όρια των κρυστάλλων. Σημαντικό ρόλο στη λειτουργία τους παίζουν ακόμη οι ιδιότητες δύο ειδών διεπαφής: οι διεπαφές μεταξύ των ημιαγωγών και των ηλεκτροδίων, όπου η έγχυση φορέων γίνεται από τα ηλεκτρόδια στους ημιαγωγούς και οι διεπαφές μεταξύ των ημιαγωγών και των μονωτών, όπου η μεταφορά φορέων πραγματοποιείται στο στρώμα των ημιαγωγών. Οι ιδιότητες των διεπαφών αυτών καθορίζουν την απόδοση των διατάξεων. Ειδικότερα, ο έλεγχος της μοριακής δομής και η μορφολογία του οργανικού ημιαγωγού στη διεπαφή ημιαγωγού-μονωτή, δηλαδή της περιοχής όπου πραγματοποιείται η μεταφορά φορέων, είναι κρίσιμη για την ενίσχυση της απόδοσης OFETs, αφού η απόδοση των διατάξεων είναι ευαίσθητη στα χαρακτηριστικά των μονωτικών επιφανειών ^[3].

Υπολογίζεται, λοιπόν, πως η ευκινησία δεν θα ξεπεράσει κατά πολύ την τιμή του άμορφου πυριτίου ^[4]. Τα πολυμερή είναι ακόμη πιο αραιά διατεταγμένα, οπότε το όριο στην ευκινησία είναι ακόμη μικρότερο, κατά δύο τάξεις μεγέθους περίπου.

Πλεονεκτήματα

Συνεπώς, τα OFET δεν ενδείκνυνται για εφαρμογές που απαιτούν πολύ υψηλές ταχύτητες μεταγωγής (switching speeds). Πάντως, ο τρόπος και οι επιδόσεις των OFET δείχνουν πως μπορούν να φανούν ανταγωνιστικά για τις ήδη υπάρχουσες ή και νέες εφαρμογές των τρανζίστορ πυριτίου που απαιτούν μεγάλη επιφάνεια κάλυψης, ευκαμψία, κατασκευή σε χαμηλές θερμοκρασίες και, κυρίως, χαμηλό κόστος. Η επεξεργασία των υλικών αυτών μπορεί να γίνει σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες υποστρώματος (κάτω των 120^οC) με λίγο ή καθόλου κενό, ενώ τα ανόργανα ημιαγώγιμα υλικά προϋποθέτουν υψηλές θερμοκρασίες (άνω των 900^οC) και υψηλό κενό. Αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν διατάξεις μεταγωγής (switching devices) για επίπεδες οθόνες (flat-panel displays, FPD) βασισμένων είτε σε εικονοστοιχεία (pixels) υγρών κρυστάλλων (liquid crystal displays, LCD) ή σε οργανικές διόδους εκπομπής φωτός (organic light-emitting diodes, OLED). Προς το παρόν, το υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο (a-Si:H) είναι το σε πιο ευρεία κλίμακα χρησιμοποιούμενο στρώμα στα TFT υποστρώματα (backplanes) των LCD. Για OLED καλύτερων επιδόσεων χρειάζεται η υψηλότερη απόδοση των TFT πολυκρυσταλλικού πυριτίου, αλλά το πεδίο αυτό βρίσκεται ακόμα στο στάδιο της ανάπτυξης ^{[5],[6],[7],[8],[9]}.

Οι λόγοι που μία νέα, σε ερευνητικό ακόμα στάδιο, τεχνολογία, όπως τα OFET, μπορεί να συναγωνιστεί ή και να αντικαταστήσει την ήδη υπάρχουσα, διαδεδομένη τεχνολογία είναι οι εξής ^[10]:

• Υπερβαίνει τις επιδόσεις της κατεστημένης τεχνολογίας.
• Κάνει δυνατή μία εφαρμογή που δεν ήταν εφικτή με την διαδεδομένη τεχνολογία, εκμεταλλευόμενη ένα ή περισσότερα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των OFET. Για παράδειγμα, μια εύκαμπτη FPD κατασκευασμένη σε πλαστικό υπόστρωμα. Εξαιτίας της μεγάλης θερμοκρασίας κατά την απόθεση a-Si:Η (360ºC) στα a-Si:Η FET, δεν είναι δυνατή η κατασκευή LCD σε πλαστικό υπόστρωμα. Για τα OFET μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχεδόν θερμοκρασία δωματίου, κάνοντάς τα συμβατά με διαφανή πλαστικά. Στην περίπτωση αυτή, η νέα τεχνολογία συμπληρώνει την ήδη υπάρχουσα.
• Μειώνει κατά πολύ το κόστος παραγωγής των FET, αν αυτά παράγονται από οργανικά, χωρίς να μειώνει τις επιδόσεις.
• Αν και η διάρκεια ζωής των διατάξεων είναι μικρότερη και ίσως μερικά χαρακτηριστικά είναι υποδεέστερα, μπορεί να προτιμηθούν επειδή είναι πιο αναλώσιμες και αντικαθίστανται πιο εύκολα.

Για να καταστεί η απόδοση των οργανικών ημιαγωγών αποδεκτή, θα πρέπει να ικανοποιούν ορισμένα γενικά κριτήρια που αφορούν στην έγχυση και τα χαρακτηριστικά των φορέων ^[11]. Ειδικότερα:

• Τα υψηλότερα κατειλημμένα, καθώς και τα χαμηλότερα μη κατειλημμένα μοριακά τροχιακά (HOMO/LUMO) των μεμονωμένων μορίων (που διαταράσσονται κατά την τοποθέτησή τους σε ένα κρυσταλλικό στερεό) πρέπει να είναι σε επίπεδα όπου οι οπές ή τα ηλεκτρόνια να μπορούν να μεταβούν σε προσιτά εφαρμοζόμενα ηλεκτρικά πεδία.
• Η κρυσταλλική δομή του υλικού πρέπει να παρέχει ικανοποιητική επικάλυψη των συνοριακών τροχιακών, ώστε να επιτρέπει αποδοτική μεταπήδηση φορτίων μεταξύ γειτονικών μορίων.
• Το στερεό πρέπει να είναι όσο το δυνατό καθαρότερο, δεδομένου ότι οι ακαθαρσίες ενεργούν ως παγίδες φορτίων.
• Τα μόρια είναι ευκταίο να προσανατολίζονται με τους μακρείς άξονες περίπου παράλληλα στο υπόστρωμα FET, δεδομένου ότι η αποδοτικότερη μεταφορά φορέων εμφανίζεται κατά μήκος της κατεύθυνσης της διαμοριακής συσσώρευσης π-π.
• Οι κρυσταλλικές περιοχές του ημιαγωγού πρέπει να καλύπτουν την περιοχή μεταξύ των επαφών της πηγής και της απαγωγού ομοιόμορφα, ως εκ τούτου το υμένιο πρέπει να κατέχει μια μορφολογία όμοια με μονοκρυστάλλου.

Σημαντικές βελτιώσεις μπορούν να συμβούν αν οι οργανικοί ημιαγωγοί προέρχονται από εμβάπτιση σε διαλύματα, μια και οι τιμές της ευκινησίας που προκύπτουν είναι σχετικά συγκρίσιμες με τα OFET που εναποτέθηκαν με κενό (όπως συμβαίνει στις διατάξεις με κανάλι από φθαλοκυανίνη ^[12] ή πεντακένιο ^[13]).

Εξελίξεις

Γενικά, έχει αναπτυχθεί τον τελευταίο καιρό ένα πολύ μεγάλο ενδιαφέρον στον τομέα κατασκευής ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και οθονών με διάφορες μεθόδους εκτύπωσης, όπως εκτύπωση επί της οθόνης (screen-printing), εκτύπωση ψεκασμού (ink-jet printing) και εκτύπωση μικροεπαφών (microcontact printing). Για τις μεθόδους αυτές, τα οργανικά ημιαγώγιμα υλικά προσφέρουν πληθώρα πλεονεκτημάτων έναντι της συμβατικής τεχνολογίας. Αυτός είναι ένας ακόμη λόγος που ωθεί στην έρευνά τους. Τα οργανικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με εύκολες μεθόδους, όπως επικάλυψη με περιστροφή (spin-coating), εκτύπωση, εξάχνωση κ.ά.

Αναφορές

1. D. Goldhaber-Gordon, M. Montemerlo, J. Love, G. Opiteck, J. Ellenbogen, “Overview of Nanoelectronic Devices”, Proceedings of IEEE 85 (1997) p.521.
2. S. Forrest, P. Burrows, M. Thompson, “The dawn of organic electronics”, IEEE Spectrum (2000) p.29.
3. Y.D. Park, J.A. Lim, H.S. Lee, K. Cho, “Interface engineering in organic transistors”, Materials Today 10 (2007), p.46.
4. R.F. Service, “New Age Semiconductors Pick Up the Pace”, Science 287 (2000) p.415.
5. Z. Bao, J. Rogers, H. Katz, “Printable organic and polymeric semiconducting materials and devices”, J. Mater. Chem. 9 (1999) p.1895.
6. G. Horowitz, R. Hajlaoui, D. Fichou, A.E. Kassmi, “Gate voltage dependent mobility of oligothiophene field-effect transistors”, Journal of Applied Physics 85 (1999) p.3202.
7. G. Horowitz, “Field-effect transistors based on short organic molecules”, Journal of Materials Chemistry 9 (1999) p.2021.
8. H. Katz, Z. Bao, “The Physical Chemistry of Organic Field-Effect Transistor”, J. Phys. Chem. 104 (1999).
9. M. Reed, “Molecular-Scale Electronics”, Proceedings of the IEEE 87 (1999) p.65.
10. Γ. Χαϊδόγιαννος, “ΟΛΙΓΟΜΕΡΙΚΑ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΕ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ”, Διδακτορική Διατριβή, Ε.Μ.Π. (2007)αρχείο pdf
11. Α. Facchetti, “Semiconductors for organic transistors”, Materials Today 10 (2007), p.28.
12. G. Chaidogiannos et al., "Low voltage operating OFETs based on solution-processed metal phthalocyanines", Applied Physics A: Materials Science & Processing 96 (2009) p.763.
13. C.D. Dimitrakopoulos, D.J. Mascaro, “Organic thin film transistors: A review of recent advances”, IBM J. Res. & Dev. 45 (2001) p.11 αρχείο pdf