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transistor orgánico de efecto de campo

Pantalla flexible basada en OFET Circuito lógico CMOS orgánico . El grosor total es inferior a 3 μm. Barra de escala: 25 mm. Un transistor orgánico de efecto de campo ( OFET ) e...

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Pantalla flexible basada en OFET
Circuito lógico CMOS orgánico . El grosor total es inferior a 3 μm. Barra de escala: 25 mm.

Un transistor orgánico de efecto de campo ( OFET ) es un transistor de efecto de campo que utiliza un semiconductor orgánico en su canal. Los OFET se pueden preparar mediante evaporación al vacío de moléculas pequeñas, mediante moldeo en solución de polímeros o moléculas pequeñas, o mediante transferencia mecánica de una capa orgánica monocristalina desprendida sobre un sustrato. Estos dispositivos se han desarrollado para lograr productos electrónicos de bajo costo y gran superficie, así como electrónica biodegradable . Los OFET se han fabricado con diversas geometrías de dispositivo. La geometría de dispositivo más utilizada es la de puerta inferior con electrodos de drenaje y fuente superiores , ya que esta geometría es similar a la del transistor de silicio de película delgada (TFT) que utiliza SiO₂ crecido térmicamente como dieléctrico de puerta . También se pueden utilizar polímeros orgánicos, como el poli(metacrilato de metilo) ( PMMA ), como dieléctrico. [ 1 ] Una de las ventajas de los OFET, especialmente en comparación con los TFT inorgánicos, es su flexibilidad física sin precedentes, [ 2 ] lo que conduce a aplicaciones biocompatibles, por ejemplo, en la futura industria de la salud de la biomedicina personalizada y la bioelectrónica. [ 3 ]

En mayo de 2007, Sony informó sobre la primera pantalla totalmente plástica, flexible y a todo color con velocidad de vídeo, [ 4 ] [ 5 ] en la que tanto los transistores de película delgada como los píxeles emisores de luz estaban hechos de materiales orgánicos.

Historia

El concepto de transistor de efecto de campo (FET) fue propuesto por primera vez por Julius Edgar Lilienfeld , quien obtuvo una patente para su idea en 1930. [ 6 ] Propuso que un transistor de efecto de campo se comporta como un capacitor con un canal conductor entre un electrodo de fuente y un electrodo de drenaje. El voltaje aplicado al electrodo de puerta controla la cantidad de portadores de carga que fluyen a través del sistema.

El primer transistor de efecto de campo de puerta aislada fue diseñado y preparado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs utilizando un metal-óxido-semiconductor: el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor). Fue inventado en 1959, [ 7 ] y presentado en 1960. [ 8 ] También conocido como transistor MOS, el MOSFET es el dispositivo más fabricado en el mundo. [ 9 ] [ 10 ] El concepto de transistor de película delgada (TFT) fue propuesto por primera vez por John Wallmark, quien en 1957 presentó una patente para un MOSFET de película delgada en el que se utilizó monóxido de germanio como dieléctrico de puerta. El transistor de película delgada fue desarrollado en 1962 por Paul K. Weimer , quien implementó las ideas de Wallmark. [ 11 ] El TFT es un tipo especial de MOSFET. [ 12 ]

El aumento de los costos de materiales y fabricación, así como el interés público en materiales electrónicos más respetuosos con el medio ambiente, han impulsado el desarrollo de la electrónica basada en materiales orgánicos en los últimos años. En 1986, los investigadores de Mitsubishi Electric , H. Koezuka, A. Tsumura y Tsuneya Ando, ​​informaron sobre el primer transistor orgánico de efecto de campo, [ 13 ] [ 14 ] basado en un polímero de moléculas de tiofeno . [ 15 ] El polímero de tiofeno es un tipo de polímero conjugado capaz de conducir carga, eliminando la necesidad de utilizar costosos semiconductores de óxido metálico. Además, se ha demostrado que otros polímeros conjugados poseen propiedades semiconductoras. El diseño de OFET también ha mejorado en las últimas décadas. Muchos OFET se diseñan ahora basándose en el modelo de transistor de película delgada (TFT), lo que permite que los dispositivos utilicen materiales menos conductores en su diseño. En los últimos años se han realizado mejoras en estos modelos en cuanto a la movilidad de efecto de campo y las relaciones de corriente de encendido/apagado.

Materiales

Una característica común de los materiales OFET es la inclusión de un sistema de electrones π aromático o conjugado , lo que facilita la deslocalización de las funciones de onda orbitales. Se pueden incorporar grupos electroatractores o electrodonadores que facilitan el transporte de huecos o electrones.

Se han descrito transistores de efecto de campo orgánicos (OFET) que emplean muchos materiales aromáticos y conjugados como capa semiconductora activa, incluyendo moléculas pequeñas como rubreno , tetraceno , pentaceno , diindenoperileno , perilendiimidas , tetracianoquinodimetano (TCNQ) y polímeros como politiofenos (especialmente poli(3-hexiltiofeno) (P3HT)), polifluoreno , polidiacetileno , poli(2,5-tienileno vinileno) y poli(p-fenileno vinileno) (PPV).

El campo es muy activo, con nuevos compuestos sintetizados y probados que se publican semanalmente en revistas científicas destacadas. Existen numerosos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

Los OFET basados ​​en rubreno muestran la mayor movilidad de portadores, de 20 a 40 cm²  / (V·s). Otro material popular para OFET es el pentaceno, que se utiliza desde la década de 1980, pero con movilidades de 10 a 100 veces menores (dependiendo del sustrato) que el rubreno. [ 20 ] El principal problema del pentaceno, al igual que el de muchos otros conductores orgánicos, es su rápida oxidación en el aire para formar pentaceno-quinona. Sin embargo, si el pentaceno se preoxida y la pentaceno-quinona así formada se utiliza como aislante de puerta, la movilidad puede aproximarse a los valores del rubreno. Esta técnica de oxidación del pentaceno es similar a la oxidación del silicio utilizada en la electrónica de silicio. [ 16 ]

El tetratiafulvaleno policristalino y sus análogos presentan movilidades en el rango de 0,1 a 1,4 cm²  / (V·s). Sin embargo, la movilidad supera los 10 cm² / (V·s) en el hexametileno-tetratiafulvaleno (HMTTF) monocristalino cultivado en solución o mediante transporte de vapor. El voltaje de encendido/apagado es diferente para los dispositivos cultivados mediante estas dos técnicas, presumiblemente debido a las temperaturas de procesamiento más elevadas utilizadas en el crecimiento por transporte de vapor. [ 16 ] 

Todos los dispositivos mencionados anteriormente se basan en la conductividad de tipo p. Los OFET de tipo n aún están poco desarrollados. Generalmente se basan en perilendiimidas o fullerenos o sus derivados, y muestran movilidades electrónicas inferiores a 2 cm²  / (V·s). [ 17 ]

Diseño de dispositivos de transistores orgánicos de efecto de campo

Los transistores de efecto de campo constan de tres componentes esenciales: la fuente, el drenador y la compuerta. Estos transistores suelen funcionar como un capacitor . Están compuestos por dos placas. Una placa actúa como canal conductor entre dos contactos óhmicos , denominados contactos de fuente y drenador. La otra placa controla la carga inducida en el canal y se denomina compuerta. El movimiento de los portadores en el canal va desde la fuente hacia el drenador. Por lo tanto, la relación entre estos tres componentes es que la compuerta controla el movimiento de los portadores desde la fuente hacia el drenador. [ 21 ]

Cuando se aplica este concepto de capacitor al diseño del dispositivo, se pueden construir diversos dispositivos en función de las diferencias en el controlador, es decir, la puerta. Estas diferencias pueden deberse al material de la puerta, su ubicación con respecto al canal, la forma en que la puerta se aísla del canal y el tipo de portador que la tensión de la puerta induce en el canal (como electrones en un dispositivo de canal n, huecos en un dispositivo de canal p y tanto electrones como huecos en un dispositivo de doble inyección).

Figura 1. Esquema de tres tipos de transistores de efecto de campo (FET): (a) FET metal-aislante-semiconductor (MISFET); (b) FET metal-semiconductor (MESFET); (c) transistor de película delgada (TFT).

Clasificados por las propiedades del portador, en la Figura 1 se muestran esquemáticamente tres tipos de FET. [ 22 ] Son MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor), MESFET (transistor de efecto de campo de metal-semiconductor) y TFT (transistor de película delgada).

MOSFET

El FET más destacado y utilizado en la microelectrónica moderna es el MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor). Existen diferentes tipos en esta categoría, como el MISFET (transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor) y el IGFET (transistor de efecto de campo de puerta aislada). En la Figura 1a se muestra un esquema de un MISFET. La fuente y el drenador están conectados por un semiconductor y la puerta está separada del canal por una capa aislante. Si no se aplica polarización (diferencia de potencial) a la puerta, se induce una curvatura de banda debido a la diferencia de energía entre la banda de conducción del metal y el nivel de Fermi del semiconductor . Por lo tanto, se forma una mayor concentración de huecos en la interfaz entre el semiconductor y el aislante. Cuando se aplica una polarización positiva suficiente al contacto de la puerta, la banda curvada se aplana. Si se aplica una polarización positiva mayor, se produce una curvatura de banda en la dirección opuesta y la región cercana a la interfaz aislante-semiconductor se agota de huecos. Entonces se forma la región agotada. Con una polarización positiva aún mayor, la curvatura de banda se vuelve tan grande que el nivel de Fermi en la interfaz entre el semiconductor y el aislante se acerca más al fondo de la banda de conducción que al borde de la banda de valencia; por lo tanto, se forma una capa de inversión de electrones, que proporciona el canal de conducción. Finalmente, esto activa el dispositivo. [ 23 ]

MESFET

El segundo tipo de dispositivo se describe en la figura 1b. La única diferencia con el MISFET radica en que la fuente y el drenador de tipo n están conectados por una región de tipo n. En este caso, la región de agotamiento se extiende por todo el canal de tipo n con voltaje de puerta cero en un dispositivo normalmente apagado (similar a la mayor polarización positiva en el caso del MISFET). En el dispositivo normalmente encendido, una parte del canal no está agotada, lo que permite el paso de corriente con voltaje de puerta cero.

TFT

En la figura 1c se ilustra un transistor de película delgada (TFT). En este caso, los electrodos de fuente y drenaje se depositan directamente sobre el canal conductor (una fina capa de semiconductor), y luego se deposita una fina película aislante entre el semiconductor y el contacto de puerta metálico. Esta estructura implica la ausencia de una región de agotamiento que separe el dispositivo del sustrato. Si la polarización es cero, los electrones son expulsados ​​de la superficie debido a la diferencia de energía del nivel de Fermi entre el semiconductor y el metal. Esto provoca una curvatura de banda en el semiconductor. En este caso, no hay movimiento de portadores entre la fuente y el drenaje. Cuando se aplica una carga positiva, la acumulación de electrones en la interfaz provoca la curvatura del semiconductor en sentido opuesto y reduce la banda de conducción con respecto al nivel de Fermi del semiconductor. Entonces se forma un canal altamente conductor en la interfaz (mostrado en la figura 2).

Figura 2: Esquema de la curvatura de banda en el modelo de dispositivo TFT.

OFET

Los OFET adoptan la arquitectura de los TFT. Con el desarrollo de los polímeros conductores, se han reconocido las propiedades semiconductoras de las pequeñas moléculas conjugadas. El interés en los OFET ha crecido enormemente en los últimos diez años. Las razones de este aumento de interés son múltiples. El rendimiento de los OFET, que puede competir con el de los TFT de silicio amorfo (a-Si) con movilidades de efecto de campo de 0,5–1  cm 2 V −1 s −1 y relaciones de corriente ON/OFF (que indican la capacidad del dispositivo para apagarse) de 10 6 –10 8 , ha mejorado significativamente. Actualmente, se han reportado valores de movilidad de OFET de película delgada de 5  cm 2 V −1 s −1 en el caso de moléculas pequeñas depositadas al vacío [ 24 ] y 0,6  cm 2 V −1 s −1 para polímeros procesados ​​en solución [ 25 ] . Como resultado, ahora existe un mayor interés industrial en utilizar OFET para aplicaciones que actualmente son incompatibles con el uso de a-Si u otras tecnologías de transistores inorgánicos. Una de sus principales ventajas tecnológicas es que todas las capas de un OFET se pueden depositar y modelar a temperatura ambiente mediante una combinación de procesamiento en solución de bajo costo e impresión directa, lo que los hace ideales para la realización de funciones electrónicas de bajo costo y gran superficie en sustratos flexibles. [ 26 ]

Preparación del dispositivo

Esquema del OFET

El silicio oxidado térmicamente es un sustrato tradicional para OFETs, donde el dióxido de silicio actúa como aislante de puerta. La capa activa del FET se deposita generalmente sobre este sustrato mediante (i) evaporación térmica, (ii) recubrimiento a partir de una solución orgánica o (iii) laminación electrostática. Las dos primeras técnicas dan como resultado capas activas policristalinas; son mucho más fáciles de producir, pero el rendimiento del transistor es relativamente bajo. Se conocen numerosas variantes de la técnica de recubrimiento en solución (ii), incluyendo el recubrimiento por inmersión , el recubrimiento por centrifugación , la impresión por inyección de tinta y la serigrafía . La técnica de laminación electrostática se basa en el desprendimiento manual de una fina capa de un único cristal orgánico; da como resultado una capa activa monocristalina superior, aunque es más laboriosa. El espesor del óxido de puerta y de la capa activa es inferior a un micrómetro. [ 16 ]

Transporte de carga

Evolución de la movilidad de los portadores en transistores orgánicos de efecto de campo [ 16 ]

El transporte de portadores en OFET es específico para la propagación de portadores bidimensionales (2D) a través del dispositivo. Se utilizaron varias técnicas experimentales para este estudio, como el experimento de Haynes-Shockley sobre los tiempos de tránsito de los portadores inyectados, el experimento de tiempo de vuelo (TOF) [ 27 ] para la determinación de la movilidad de los portadores, el experimento de propagación de ondas de presión para sondear la distribución del campo eléctrico en aislantes, el experimento de monocapa orgánica para sondear los cambios dipolares orientacionales, la generación de segundo armónico resuelta en el tiempo óptica (TRM-SHG), etc. Mientras que los portadores se propagan a través de OFET policristalinos de manera similar a la difusión (limitada por trampas), [ 28 ] se mueven a través de la banda de conducción en los mejores OFET monocristalinos. [ 16 ]

El parámetro más importante del transporte de portadores en OFET es la movilidad de los portadores. Su evolución a lo largo de los años de investigación en OFET se muestra en el gráfico para OFET policristalinos y monocristalinos. Las líneas horizontales indican las guías de comparación con los principales competidores de OFET: silicio amorfo (a-Si) y silicio policristalino. El gráfico revela que la movilidad en OFET policristalinos es comparable a la del a-Si, mientras que la movilidad en OFET basados ​​en rubreno ( 20–40  cm² /(V·s)) se aproxima a la de los mejores dispositivos de polisilicio. [ 16 ]

El desarrollo de modelos precisos de movilidad de portadores de carga en OFETs es un campo de investigación activo. Fishchuk et al. han desarrollado un modelo analítico de movilidad de portadores en OFETs que tiene en cuenta la densidad de portadores y el efecto polarónico . [ 29 ]

Si bien la densidad promedio de portadores se calcula típicamente en función del voltaje de puerta cuando se usa como entrada para modelos de movilidad de portadores, [ 30 ] se ha demostrado que la espectroscopia de reflectancia de amplitud modulada (MARS) proporciona un mapa espacial de la densidad de portadores a través de un canal OFET. [ 31 ]

Transistores de efecto de campo orgánicos emisores de luz

Debido a que una corriente eléctrica fluye a través de dicho transistor, puede utilizarse como dispositivo emisor de luz, integrando así la modulación de corriente y la emisión de luz. En 2003, un grupo alemán informó sobre el primer transistor orgánico emisor de luz de efecto de campo (OLET). [ 32 ] La estructura del dispositivo comprende electrodos de fuente y drenaje de oro interdigitados y una película delgada de tetraceno policristalino . Tanto las cargas positivas ( huecos ) como las negativas ( electrones ) se inyectan desde los contactos de oro hacia esta capa, lo que produce electroluminiscencia del tetraceno.

Véase también

Referencias

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