Μελέτη και προσομοίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών οργανικών τρανζίστορ

Abstract

The aim of the present dissertation is the fabrication and study of high performance flexible organic transistors (OFETs) based on the large-area deposition with a moderate speed processing (1 m/min) of the Poly(4-vinyl-phenol) (PVP) polymer dielectric layer with a slot-die method mimicking the Roll-to-Roll (R2R) coating conditions. This is the highest processing speed reported so far in the literature and the combined benefits of this method brings the OFETs closer to their R2R manufacturing. Evaluation of the quality and the thickness homogeneity of the cPVP dielectric layer was necessary to conclude that cPVP is able to be utilized as the dielectric layer of the OFETs. The 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-PEN) was used as the organic semiconductor and the morphological and structural characteristics of the spray deposited TIPS-PEN films were investigated. The bottom-gate top-contact (BG-TC) flexible OFETs exhibited an excellent electrical behavior with a maximum mobility value equal to 0.21 cm2/Vs. Furthermore, the BG-TC flexible OFETs based on the spray deposited blends of TIPS-PEN with the polystyrene (PS) insulating polymer (0.8:0.2 w/w) were fabricated. The morphological and structural comparison of the TIPS-PEN films and the TIPS-PEN:PS films was followed by a comparative study of the IDS-VGS and IDS-VDS characteristics of the TIPS-PEN OFETs and the TIPS-PEN:PS OFETs. The comparison demonstrated that the electrical behavior of the TIPS-PEN:PS OFETs was substantially improved. Subsequently, the present thesis was targeting to the large area deposition of the TIPS-PEN layer with a method mimicking the blade-coating conditions over the cPVP layer towards the fabrication and study of high performance flexible OFETs. It is an innovative study that will bring the OFETs closer to be fully printed over a large area, which is necessary for their future commercialization. In this study, the deposition parameters namely the speed and the temperature were investigated, in order to obtain high quality coating and optimized crystalline characteristics of the “blade-coated” TIPS-PEN films. The BG-TC flexible OFETs based on the optimized TIPS-PEN films exhibited a maximum mobility value equal to 0.12 cm2/Vs. In the present thesis, TCAD tools (Silvaco-suite) were used to simulate the experimental OFET devices with a BG-TC structure which are based on the spray deposited TIPS-PEN:PS (0.8:0.2 w/w) blends. It is the first time that TCAD tools are applied to simulate the OFETs that have been developed by a large scale compatible method and it is of a particular challenge. The BG-TC OFET device structure was initially specified in DevEdit tool. In the simulation study, the physical quantities including the shallow donor-type bulk and interface traps, the negative interface charge density and the contact barriers were taken into account. Moreover, appropriate physical models (constant low-field mobility model and band-to-band tunneling model) were selected. The simulated and the experimental IDS-VGS characteristics converged very well, however, there was a noticeable discrepancy between the simulated and the experimental IDS-VDS characteristic at higher gate voltages (- 40 V). The simulation of the same channel length experimental OFETs exhibiting mobilities varying from 0.44-0.89 cm2/Vs, demanded also an individual set of new parameters for each experimental OFET device due to the inherent variability. In order to obtain more realistic simulations, another important physical quantity, such as the RMS (root mean square) roughness at the active interface, was also included in our simulation study. As a consequence, the simulated IDS-VGS and IDS-VDS characteristics were significantly improved (better convergence), particularly, the simulated IDS-VDS characteristic at VGS = - 40 V exhibited the most important improvement. Different roughnesses and patterns at the active interface were studied. The TIPS-PEN thickness non-uniformity was introduced in our simulation study, subsequently. The non-uniformity resulted in a significant degradation of the drain current (IDS) when the channel local thickness is smaller near the drain electrode. The simulated devices with roughness at the active interface in combination to the TIPS-PEN thickness non-uniformity resulted in a severe degradation of the IDS current similar to that of the experimental devices. The introduction of the roughness at the active interface as well as of the non-uniformity of the channel thickness, constitute an innovative part in our simulation study and they could interpret the variability in mobility which is observed in the experimental OFET devices despite they have the same channel length and width. This approach will be used as additional tool in devices exhibiting substantial interface roughness and thickness inhomogeneity.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η κατασκευή και μελέτη υψηλής απόδοσης εύκαμπτων οργανικών τρανζίστορ (OFETs) βασισμένων στην εναπόθεση σε μεγάλη επιφάνεια με μέτρια ταχύτητα επεξεργασίας (1 m/min) του διηλεκτρικού στρώματος του πολυμερούς Poly(4-vinyl phenol) (PVP) με μια μέθοδο slot-die που μιμείται τις συνθήκες επικάλυψης Roll-to-Roll (R2R). Η μελέτη αυτή διεξάγεται για πρώτη φορά και είναι υψηλής σημασίας καθότι φέρνει τα OFETs πιο κοντά στη R2R κατασκευή τους. Ήταν απαραίτητο να εκτιμηθεί η ποιότητα και η ομοιογένεια του πάχους του στρώματος του cPVP, ώστε να διαπιστωθεί αν είναι κατάλληλο να εφαρμοστεί ως το διηλεκτρικό στρώμα στα OFETs. Διερευνήθηκαν επίσης τα μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά των εναποτιθέμενων με ψεκασμό υμενίων του 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-PEN) οργανικού ημιαγωγού. Τα εύκαμπτα bottom-gate top-contact (BG-TC) OFETs παρουσίασαν εξαιρετική ηλεκτρική συμπεριφορά με μέγιστη τιμή ευκινησίας ίση με 0.21 cm2/Vs. Στη συνέχεια, κατασκευάστηκαν εύκαμπτα BG-TC OFETs που βασίζονταν στα εναποτιθέμενα με ψεκασμό μίγματα του TIPS-PEN και του μονωτικού πολυμερούς Polystyrene (PS) (0.8:0.2 w/w). Αφού προηγήθηκε μορφολογική και δομική σύγκριση των TIPS-PEN υμενίων και TIPS-PEN:PS υμενίων, ακολούθησε σύγκριση των IDS-VGS και IDS-VDS χαρακτηριστικών των TIPS-PEN OFETs και TIPS-PEN:PS OFETs, επιδεικνύοντας μια σαφώς βελτιωμένη ηλεκτρική συμπεριφορά των TIPS-PEN:PS OFETs. Επόμενος στόχος της διατριβής αυτής είναι η εναπόθεση σε μεγάλη επιφάνεια τoυ στρώματος του TIPS-PEN με μια μέθοδο που μιμείται τις συνθήκες επικάλυψης με λεπίδα πάνω από το στρώμα του cPVP για την κατασκευή και μελέτη υψηλής απόδοσης εύκαμπτων OFETs. Είναι μια καινοτόμος μελέτη που αποδεικνύεται ότι θα φέρει τα OFETs πιο κοντά στην πλήρη εκτύπωσή τους σε μεγάλη κλίμακα, η οποία αποτελεί και βασική ανάγκη για την μελλοντική εμπορευματοποίησή τους. Στη μελέτη αυτή, διερευνήθηκαν οι παράμετροι της εναπόθεσης, όπως η ταχύτητα και η θερμοκρασία, ώστε να ληφθεί η ποιοτικότερη επικάλυψη και τα βέλτιστα κρυσταλλικά χαρακτηριστικά των εναποτιθέμενων με “λεπίδα” TIPS-PEN υμενίων. Τα εύκαμπτα BG-TC OFETs που βασίζονται στα βέλτιστα TIPS-PEN υμένια, παρουσίασαν μια μέγιστη τιμή ευκινησίας ίση με 0.12 cm2/Vs. Στην παρούσα διατριβή προσομοιώθηκαν με TCAD εργαλεία (Silvaco suite) οι πειραματικές διατάξεις OFET με δομή BG-TC που βασίζονται στην εναπόθεση με ψεκασμό των TIPS-PEN:PS (0.8:0.2 w/w) μιγμάτων. Είναι η πρώτη φορά που εφαρμόζεται το εργαλείο αυτό για την προσομοίωση OFETs που έχουν αναπτυχθεί με μια συμβατή με την μεγάλη κλίμακα μέθοδο και αποτελεί ιδιαίτερη πρόκληση. Αρχικά, προσδιορίστηκε η BG-TC δομή του OFET στο εργαλείο DevEdit. Οι φυσικές ποσότητες που λήφθηκαν υπόψη στην προσομοίωσή ήταν οι ρηχές παγίδες τύπου δότη σε όγκο και διεπιφάνεια, η αρνητική πυκνότητα φορτίων διεπιφάνειας και τα ενεργειακά φράγματα στις επαφές. Επιπλέον, επιλέχθηκαν τα κατάλληλα φυσικά μοντέλα (constant low-field mobility model και band-to-band tunneling model). Οι προσομοιωμένες και πειραματικές IDS-VGS χαρακτηριστικές συνέπιπταν πολύ καλά, ωστόσο αξιοπρόσεχτη ήταν η διαφορά μεταξύ της προσομοιωμένης και πειραματικής IDS-VDS χαρακτηριστικής στα μεγάλα VGS. Η προσομοίωση πειραματικών OFETs ίδιου μήκους καναλιού με ευκινησίες από 0.44-0.89 cm2/Vs απαίτησε ένα νέο σετ παραμέτρων προσομοίωσης για την κάθε πειραματική διάταξη ξεχωριστά, λόγω της εγγενούς μεταβλητότητας. Προκειμένου να ληφθούν πιο ρεαλιστικές προσομοιώσεις, συμπεριλήφθηκε στην προσομοίωση μια άλλη σημαντική φυσική ποσότητα, όπως αυτή της RMS (root mean square) τραχύτητας στην ενεργό διεπιφάνεια TIPS-PEN/PS. Επήλθε σημαντική βελτίωση των προσομοιωμένων IDS-VGS και IDS-VDS χαρακτηριστικών κυρίως στα υψηλά VGS. Μελετήθηκαν διαφορετικές τραχύτητες και διαφορετικά μοτίβα στην ενεργό διεπιφάνεια. Στην προσομοίωση εισήχθηκε η ανομοιομορφία του πάχους του TIPS-PEN. Η ανομοιομορφία οδήγησε σε σημαντική υποβάθμιση του ρεύματος του απαγωγού (IDS) όταν το τοπικό πάχος του καναλιού είναι μικρότερο κοντά στον απαγωγό (Drain). Οι προσομοιωμένες διατάξεις που συνδυάζουν την τραχύτητα και την ανομοιομορφία οδήγησαν σε σοβαρή υποβάθμιση του ρεύματος IDS όμοια με αυτή των πειραματικών. Η εισαγωγή της τραχύτητας στην ενεργό διεπιφάνεια καθώς και της ανομοιομορφίας του πάχους του καναλιού, αποτελεί πρωτοτυπία στις προσομοιώσεις και μπορεί να ερμηνεύσει την μεταβλητότητα στην ευκινησία που παρατηρείται στις πειραματικές διατάξεις των OFETs με το ίδιο μήκος και πλάτος καναλιού και θα αποτελέσει εργαλείο σε μελλοντικές προσομοιώσεις.