Введение

Тип полевого транзистора

Органический полевой транзистор (OFET) – это полевой транзистор, в котором в качестве канала используется органический полупроводник. OFET могут быть изготовлены путем вакуумного испарения малых молекул, нанесения из растворов полимеров или малых молекул, либо механическим переносом отделённого монокристаллического органического слоя на подложку. Эти устройства были разработаны для создания недорогих, крупногабаритных электронных продуктов и биоразлагаемой электроники. OFET изготавливались с использованием различных структур. Наиболее распространенной структурой является нижний затвор с верхними истоковым и стоковым электродами, поскольку эта структура аналогична тонкопленочному кремниевому транзистору (TFT), использующему термически выращенный диоксид кремния (SiO2) в качестве диэлектрика затвора. Органические полимеры, такие как полиметилметакрилат (ПММА), также могут использоваться в качестве диэлектриков. Одним из преимуществ OFET, особенно по сравнению с неорганическими TFT, является их исключительная физическая гибкость, что открывает возможности для биосовместимых применений, например, в будущем здравоохранении в области персонализированной биомедицины и биоэлектроники. В мае 2007 года Sony представила первый полноцветный, видеоскоростной, гибкий, полностью пластиковый дисплей, в котором как тонкопленочные транзисторы, так и светоизлучающие пиксели были изготовлены из органических материалов.

История

Концепция транзистора с полевым эффектом (FET) была впервые предложена Джулиусом Эдгаром Лилиенфельдом, который получил патент на свою идею в 1930 году. Он предположил, что транзистор с полевым эффектом ведет себя как конденсатор с проводящим каналом между истоком и стоком. Приложенное напряжение к управляющему электроду контролирует количество носителей заряда, протекающих через систему. Первый транзистор с изолированным затвором и полевым эффектом был разработан и изготовлен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs с использованием металл-оксид-полупроводниковой структуры: MOSFET (транзистор с полевым эффектом на металл-оксид-полупроводниковой основе). Он был изобретен в 1959 году и представлен в 1960 году. Также известный как MOS-транзистор, MOSFET является самым массово производимым устройством в мире. Концепция тонкопленочного транзистора (TFT) была впервые предложена Джоном Уоллмарком, который в 1957 году подал заявку на патент на тонкопленочный MOSFET, в котором монооксид германия использовался в качестве диэлектрика затвора. Тонкопленочный транзистор был разработан в 1962 году Полом К. Ваймером, который реализовал идеи Уоллмарка. TFT является особым типом MOSFET. Рост стоимости материалов и производства, а также общественный интерес к более экологичным электронным материалам способствовали развитию органической электроники в последние годы. В 1986 году исследователи Mitsubishi Electric Х. Коэдзука, А. Тсумура и Цунэя Андо сообщили о первом органическом транзисторе с полевым эффектом, основанном на полимере молекул тиофена. Тиофеновый полимер – это тип конъюгированного полимера, способного проводить заряд, что устраняет необходимость использования дорогих полупроводников на основе оксидов металлов. Кроме того, было показано, что другие конъюгированные полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Конструкция OFET также улучшилась за последние несколько десятилетий. Многие OFET теперь разрабатываются на основе модели тонкопленочного транзистора (TFT), что позволяет устройствам использовать менее проводящие материалы в их конструкции. В последние годы эти модели были усовершенствованы для повышения подвижности носителей заряда и соотношения токов во включенном и выключенном состояниях.

Материалы

Одной из общих особенностей материалов OFET является наличие ароматической или иным образом конъюгированной π-электронной системы, способствующей делокализации орбитальных волновых функций. Для облегчения транспорта дырок или электронов к ним могут быть присоединены электроноакцепторные или электронодонорные группы. Сообщалось о OFET, использующих множество ароматических и конъюгированных материалов в качестве активного полупроводникового слоя, включая малые 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-фениленвинилен) (PPV). Эта область активно развивается, и о новых синтезированных и протестированных соединениях еженедельно сообщается в ведущих научных журналах. Существует множество обзорных статей, документирующих разработку этих материалов. OFET на основе рубрена демонстрируют наивысшую подвижность носителей заряда – 20–40 см2/(В·с). Другим популярным материалом для OFET является пентацен, который используется с 1980-х годов, но с подвижностью в 10–100 раз ниже (в зависимости от подложки), чем у рубрена. При применении этой концепции конденсатора к конструкции устройства можно создавать различные устройства, основанные на различиях в управляющем электроде – то есть в затворе. Это может быть материал затвора, его расположение относительно канала, способ изоляции затвора от канала, а также тип носителей заряда, индуцируемых напряжением на затворе в канал (например, электроны в n-канальном устройстве, дырки в p-канальном устройстве и как электроны, так и дырки в устройстве с двойным впрыском). В зависимости от свойств носителей заряда, на рисунке 1 схематически представлены три типа полевых транзисторов (FET): MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор), MESFET (металл-полупроводниковый полевой транзистор) и TFT (тонкопленочный транзистор).

Мосфеты

Наиболее распространенным и широко используемым FET в современной микроэлектронике является MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый FET). В этой категории существуют различные типы, такие как MISFET (транзистор с эффектом поля металл-изолятор-полупроводник) и IGFET (FET с изолированным затвором). Схема MISFET показана на рисунке 1а. Исток и сток соединены полупроводником, а затвор отделен от канала слоем изолятора. Если на затворе отсутствует смещение (разность потенциалов), то происходит изгиб зон из-за разницы энергий зоны проводимости металла и уровня Ферми полупроводника. Следовательно, на границе полупроводника и изолятора формируется повышенная концентрация дырок. При подаче достаточного положительного смещения на затвор изгиб зон выпрямляется. При дальнейшем увеличении положительного смещения происходит изгиб зон в противоположном направлении, и область вблизи границы полупроводника и изолятора обедняется дырками, формируя обедненную область. При еще большем положительном смещении изгиб зон становится настолько сильным, что уровень Ферми на границе полупроводника и изолятора приближается к дну зоны проводимости, а не к верху валентной зоны, формируя тем самым инверсионный слой электронов, обеспечивающий проводящий канал. В конечном итоге это приводит к включению прибора.

МЕСФЕТ

Второй тип устройства описан на рис. 1b. Единственное отличие от MISFET заключается в том, что исток и сток n-типа соединены областью n-типа. В этом случае область обеднения простирается по всему n-каналу при нулевом напряжении на затворе в устройстве, которое обычно находится в выключенном состоянии (это аналогично большей положительной смещенности в случае MISFET). В обычно включенном устройстве часть канала не обеднена, что обеспечивает прохождение тока при нулевом напряжении на затворе.

ТТТ

Тонкопленочный транзистор (TFT) показан на рисунке 1c. Здесь электроды истока и стока непосредственно наносятся на проводящий канал (тонкий слой полупроводника), после чего тонкая пленка изолятора осаждается между полупроводником и металлическим затвором. Такая структура предполагает отсутствие обедненной области, отделяющей устройство от подложки. При нулевом напряжении электроны вытесняются с поверхности из-за разности энергии уровней Ферми полупроводника и металла. Это приводит к изгибу энергетических зон полупроводника. В этом случае между истоком и стоком отсутствует движение носителей заряда. При подаче положительного напряжения накопление электронов на границе раздела приводит к изгибу полупроводника в противоположном направлении и понижению энергии зоны проводимости относительно уровня Ферми полупроводника. В результате на границе раздела формируется высокопроводящий канал (показано на рисунке 2).

ОФЕТ

OFET используют архитектуру TFT. С развитием проводящих полимеров были признаны полупроводниковые свойства малых конъюгированных молекул. Интерес к OFET значительно возрос за последние десять лет. Причин этому росту много. Производительность OFET, которая может конкурировать с производительностью аморфных кремниевых (a-Si) TFT, демонстрируя подвижность носителей заряда в поле 0,5–1 см2 В−1 с−1 и соотношение токов во включенном и выключенном состояниях (характеризующее способность устройства к отключению) 106–108, значительно улучшилась. В настоящее время сообщается о значениях подвижности тонкопленочных OFET, равных 5 см2 В−1 с−1 для малых молекул, нанесенных в вакууме, и 0,6 см2 В−1 с−1 для полимеров, обработанных в растворе. В результате, в настоящее время наблюдается повышенный промышленный интерес к использованию OFET в областях, где применение a-Si или других неорганических транзисторных технологий невозможно. Одним из главных технологических преимуществ OFET является возможность нанесения и формирования всех слоев при комнатной температуре с использованием экономичных методов обработки растворами и прямой печати, что делает их идеально подходящими для создания недорогих, крупноформатных электронных устройств на гибких подложках.

Подготовка устройства

Термически окисленный кремний является традиционным субстратом для OFET, где диоксид кремния служит диэлектриком затвора. Активный слой FET обычно наносится на эту подложку одним из следующих способов: (i) термическое испарение, (ii) нанесение из органического раствора или (iii) электростатическая ламинация. Первые два метода приводят к поликристаллическим активным слоям; их производство проще, но они обеспечивают относительно низкую производительность транзисторов. Существует множество вариантов метода нанесения покрытия из раствора (ii), включая погружное нанесение, нанесение методом спин-коутинга, струйную печать и трафаретную печать. Метод электростатической ламинации основан на ручном отделении тонкого слоя от единичного органического кристалла; он позволяет получить превосходный монокристаллический активный слой, но является более трудоемким. Толщина диэлектрика затвора и активного слоя составляет менее одного микрометра. Для определения подвижности носителей заряда используются, в частности, эксперимент по распространению волн давления для зондирования распределения электрического поля в диэлектриках, эксперимент с органическими монослоями для изучения изменений ориентационной диполярности, оптическая спектроскопия генерации второй гармоники с временным разрешением (TRM SHG) и другие методы. В то время как носители заряда в поликристаллических OFET распространяются диффузионно (ограниченно захватом носителей), в лучших монокристаллических OFET они перемещаются по зоне проводимости. Хотя средняя плотность носителей заряда обычно рассчитывается как функция напряжения на затворе и используется в качестве входных данных для моделей подвижности носителей, было показано, что модулированная амплитудная спектроскопия отражения (MARS) позволяет получить пространственное распределение плотности носителей заряда по каналу OFET.

Светоизлучающие OFET

Поскольку через такой транзистор протекает электрический ток, он может быть использован в качестве светоизлучающего устройства, объединяя тем самым модуляцию тока и излучение света. В 2003 году немецкая группа впервые сообщила об органическом светоизлучающем транзисторе полевого эффекта (OLET). Конструкция устройства включает в себя переплетенные золотые электроды истока и стока, а также тонкую поликристаллическую пленку тетрацена. Как положительные заряды (дырки), так и отрицательные заряды (электроны) инжектируются из золотых контактов в этот слой, что приводит к электролюминесценции тетрацена.