CONDUTTORI ORGANICI PER CONDUTTORI ORGANICI PER L L ’ ’ ELETTRONICA ELETTRONICA Antonio Antonio Cassinese Cassinese CNR CNR - - SPIN SPIN - - Dipartimento di Scienze Fisiche Dipartimento di Scienze Fisiche Universit Universit à à di Napoli Federico di Napoli Federico II II Universit Universit à à di Napoli di Napoli “ “ Federico II Federico II ” ” CNR CNR - - SPIN SPIN 1
48
Embed
CNR -SPIN CONDUTTORI ORGANICI PER …people.na.infn.it/.../Presentazioni2011/organici_1_2.pdfCONDUTTORI ORGANICI PER L’ELETTRONICA Antonio Cassinese CNR-SPIN -Dipartimento di Scienze
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
CONDUTTORI ORGANICI PER CONDUTTORI ORGANICI PER LL’’ELETTRONICAELETTRONICA
Antonio Antonio CassineseCassinese
CNRCNR--SPIN SPIN -- Dipartimento di Scienze Fisiche Dipartimento di Scienze Fisiche UniversitUniversit àà di Napoli Federicodi Napoli Federico II II
UniversitUniversitàà di Napoli di Napoli ““ Federico IIFederico II””
CNRCNR-- SPINSPIN
1
Introduzione ai Introduzione ai semiconduttori organici semiconduttori organici
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
2
PRODOTTI COMMERCIALI PRODOTTI COMMERCIALI –– TV OLEDTV OLED
NELL 2008NELL 2008 --2009 SONY HA 2009 SONY HA INIZIATO A INIZIATO A
COMMERCIALIZZARE LA COMMERCIALIZZARE LA PRIMA TV OLED PRIMA TV OLED –– ((OrganicOrganic
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
6
ORGANIC SOLAR CELLSORGANIC SOLAR CELLS
Efficienza eEfficienza e ’’ ancora bassa 4ancora bassa 4 --5% come migliore risultato , ma in linea di 5% come migliore risultato , ma in linea di principio eprincipio e ’’ possibile ricoprire di OSC aree molto possibile ricoprire di OSC aree molto piupiu ’’ grandi : mattonelle, grandi : mattonelle,
intere pareti di edifici ecc. intere pareti di edifici ecc.
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Struttura simile ad Struttura simile ad OledOled ((multilayermultilayer ): comportamento Duale ): comportamento Duale –– i fotoni i fotoni incidenti generano cariche, con passaggio di corren te incidenti generano cariche, con passaggio di corren te
Tipologie:Tipologie:
--Celle completamente organiche Celle completamente organiche ((heterojunctionheterojunction ))
-- Celle ibride Celle ibride organicheorganiche --inorganicheinorganiche ((ZnOZnO ,TiO2 es.),TiO2 es.)
-- Celle Celle DyeDye sensitizedsensitized
7
ROLL TO ROLL ROLL TO ROLL PrintingPrinting
Produzione in larga Produzione in larga scala di dispositivi su scala di dispositivi su
substrati flessibilisubstrati flessibili
DIVERSI PROCESSI DIVERSI PROCESSI DIDI FABBRICAZIONE DEI FILM FABBRICAZIONE DEI FILM -- EVAPORAZIONE (vedi EVAPORAZIONE (vedi in seguito)in seguito) , , SPIN COATING, INKSPIN COATING, INK --JET , ROLL TO ROLLJET , ROLL TO ROLL ))
TECNICHE DA SOLUZIONE TECNICHE DA SOLUZIONE –– REQUISITO SOLUBILITAREQUISITO SOLUBILITA ’’ -- PRINCIPALMENTE PRINCIPALMENTE POLIMERI POLIMERI –– LOW COSTLOW COST SPINSPIN--COATINGCOATING
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Aspetti di Fisica e chimica Aspetti di Fisica e chimica fondamentale del fondamentale del
Trasporto di caricaTrasporto di carica
9
Si definiscono organici i composti del Carbonio (C)Si definiscono organici i composti del Carbonio (C)
REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE DIDI CARICA NEGLI CARICA NEGLI ORGANICI: PRESENZA ORGANICI: PRESENZA DIDI LEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIOLEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIO
Semiconduttori organici per lSemiconduttori organici per l ’’ElettronicaElettronica
Legame Doppio: gli orbitali p danno luogo ad un le game di tipo Legame Doppio: gli orbitali p danno luogo ad un le game di tipo ππ formando formando una una ““ nuvolanuvola ”” di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di t ipo di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di t ipo σσ..
Etilene: CEtilene: C 22HH44
Semiconduttori organici per lSemiconduttori organici per l ’’ElettronicaElettronica
BENZENE CBENZENE C66HH66: 6 C con : 6 C con 3 3 doppidoppi legamilegami . I 3 . I 3 doppidoppi
I I materiali organici in grado di condurre (semicondut tori) materiali organici in grado di condurre (semicondut tori) sono basati su molecole coniugate (legami sono basati su molecole coniugate (legami ππ -- ππ**) ) 12
DUE DIVERSE CLASSI DUE DIVERSE CLASSI DIDI SEMICONDUTTORI ORGANICISEMICONDUTTORI ORGANICISemiconduttori organici per lSemiconduttori organici per l ’’ElettronicaElettronica
POLIMERI: POLIMERI: MACROMOLECOLEMACROMOLECOLE
OLIGOMERI: OLIGOMERI: PICCOLE PICCOLE
MOLECOLEMOLECOLE
DIVERSO PESO MOLECOLARE DIVERSO PESO MOLECOLARE DIVERSE STRUTTURE A STATO SOLIDODIVERSE STRUTTURE A STATO SOLIDO
15
DIFFERENT DIFFERENT DEPOSITION DEPOSITION TECHNIQUESTECHNIQUES
SOLID STATE SOLID STATE STRUCTURESSTRUCTURES
1Dim or 2Dim 1Dim or 2Dim
VAN DER VAN DER WAALS WAALS
POLYCRISTALLYNE POLYCRISTALLYNE FILMSFILMS
AMORPHOUS AMORPHOUS FILMSFILMS
MOLECULAR MOLECULAR CRYSTALSCRYSTALS
OLIGOMERSOLIGOMERS
ORGANIC SEMICONDUCTORSORGANIC SEMICONDUCTORS
POLYMERSPOLYMERS
FROM BANDFROM BAND --LIKE TO THERMALLY ACTIVATED HOPPINGLIKE TO THERMALLY ACTIVATED HOPPING
STRUCTURAL ORDER STRUCTURAL ORDER →→ CHARGE TRANSPORT MODELCHARGE TRANSPORT MODEL
16
TRASPORTO TRASPORTO DIDI CARICA CARICA –– DIAGRAMMA DIAGRAMMA DIDI ENERGIA ENERGIA -- DIPENDENZA DIPENDENZA DA ORDINE STRUTTURALEDA ORDINE STRUTTURALE
Semiconduttori organici per LSemiconduttori organici per L ’’ElettronicaElettronica
Presenza di Bande Presenza di Bande delocalizzatedelocalizzate --Delocalizzazione debole Delocalizzazione debole --
Larghezza di Banda (0.1Larghezza di Banda (0.1 --0.5 0.5 eVeV) ) ––Effetti Effetti PolaroniciPolaronici
Stati energetici Localizzati Stati energetici Localizzati Distribuzione Gaussiana Distribuzione Gaussiana Meccanismo di Meccanismo di HoppingHopping
17
TRASPORTO TRASPORTO DIDI CARICA NEGLI ORGANICI CARICA NEGLI ORGANICI –– ASPETTI PECULIARI ASPETTI PECULIARI
Metal
EEFMFM
EE0 0 -- Vacuum levelVacuum level
MΦ
LUMO-E C
HOMO-E V
∆e
∆h
Semiconduttori organici per lSemiconduttori organici per l ’’ElettronicaElettronica
••EFFETTI EFFETTI DIDI DIPOLI INTERFACCIALI cambiano il livello di vuoto e DIPOLI INTERFACCIALI cambiano il livello di vuoto e modificano le barriere energetiche allmodificano le barriere energetiche all ’’ interfacciainterfaccia ..
••LL’’ INIEZIONE DEI PORTATORI da un elettrodo metallico in un INIEZIONE DEI PORTATORI da un elettrodo metallico in un organico organico èè un fenomeno non completamente compreso. I modelli un fenomeno non completamente compreso. I modelli classici (classici ( TunnellingTunnelling , Emissione termoionica) sono utili solo in modo , Emissione termoionica) sono utili solo in modo qualitativo. qualitativo. LL’’ iniezione di tipo n einiezione di tipo n e ’’ piupiu ’’ complicata e complicata e piupiu ’’ desideratadesiderata
••EFFETTI ESTRINSECI legati alla morfologia dei film organici nellEFFETTI ESTRINSECI legati alla morfologia dei film organici nell a zona a zona di interfaccia con gli elettrodi.di interfaccia con gli elettrodi.
∆∆ee: bassa per iniezione di elettroni: bassa per iniezione di elettroni
∆∆hh: bassa per iniezione di lacune: bassa per iniezione di lacune
Visione Visione semplificatasemplificata
INIEZIONE DAI METALLIINIEZIONE DAI METALLI
ORGANICOORGANICO
18
TRASPORTO TRASPORTO DIDI CARICA NEGLI ORGANICI CARICA NEGLI ORGANICI –– RIASSUMENDO RIASSUMENDO • Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori orga nici formano Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori orga nici formano strutture strutture a stato solido solo parzialmente cristalline a stato solido solo parzialmente cristalline –– Trasporto in assenza di Trasporto in assenza di Bande Bande delocalizzatedelocalizzate –– HoppingHopping delle cariche delle cariche –– ATTIVAZIONE TERMICA. ATTIVAZIONE TERMICA.
• Concentrazioni basse dei portatori di caricaConcentrazioni basse dei portatori di carica -- effetti inevitabili di Doping effetti inevitabili di Doping ((unintentionalunintentional ) da ) da impurezzeimpurezze ..
• Fenomeno dellFenomeno dell ’’ iniezione dei portatori ancora non completamente iniezione dei portatori ancora non completamente compreso e ben descritto.compreso e ben descritto.
• Presenza diPresenza di effetti di carica spaziale (localizzazione macrosco pica delle effetti di carica spaziale (localizzazione macrosco pica delle cariche) e fenomeni di cariche) e fenomeni di trappingtrapping (sia estrinseco che intrinseco).(sia estrinseco che intrinseco).
Tutti questi fenomeni sono comuni ai dispositivi organici e ne influenzano la risposta macroscopica. In molti casi, alcuni di essi sono
prevalenti rispetto agli altri e sono tenuti in maggior considerazione.
Macroscopicamente il Macroscopicamente il trasporto di carica trasporto di carica risulta sempre non risulta sempre non
lineare.lineare.
Eenenv µ==J Con n e Con n e µµ dipendentidipendenti daldal campo Ecampo E
Es: )exp(*)exp(kT
E
kT
βµ ∆−∝=
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
19
I materioli organici non sono solo semiconduttori Alcuni composti organici, presentano proprietàmetalliche, ferrroelettriche, superconduttive.
La conduzione e’ piu’ complicata e deve tener conto di proprietàparticolari della molecola o di effetti di trasferimento di carica tra composti organici
Per meglio comprendere e studiare questi meccanismi di conduzione cosi come per meglio comprendere i limiti dei semiconduttori organici si realizzano singoli cristalli che non dovrebbero presentare difetti anche se però non sono di reale interesse applicativo.
Single Crystal
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Dispositivi di interesse per Dispositivi di interesse per ll ’’Esperienza di LaboratorioEsperienza di Laboratorio
((a) Top a) Top ContactContact / / BottomBottom GateGate (TC/BG)(TC/BG)(b) (b) BottomBottom ContactContact / / BottomBottom GateGate (BC/BG)(BC/BG)(c) (c) BottomBottom ContactContact / Top / Top GateGate (BC/TG)(BC/TG)
STRUTTURE STRUTTURE OFET OFET -- TFTTFT
MOSFETMOSFET
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
DIFFERENZE PRINCIPALIDIFFERENZE PRINCIPALI
•• MOSFET basato sul MOSFET basato sul fenoemnofenoemno delldell ’’ inversione inversione –– OFET su accumulazione, meccanismo OFET su accumulazione, meccanismo intrinsecamente non lineare intrinsecamente non lineare –– FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente critico)critico)
•• Semiconduttori organici Semiconduttori organici undopedundoped , tuttavia mostrano un comportamento intrinsecament e , tuttavia mostrano un comportamento intrinsecament e di tipo p o n (meno raramente)di tipo p o n (meno raramente)
•• DrainDrain e Source metallici (resistenze di contatto)e Source metallici (resistenze di contatto)
•• MobilitMobilit àà dei portatori dipendente dalla tensione di gate app licata (da ddei portatori dipendente dalla tensione di gate app licata (da d ensitensit àà dei dei portatori) portatori) 23
Nonostante le notevoli differenze, le equazioni del la corrente Nonostante le notevoli differenze, le equazioni del la corrente IIDSDS=f=f(V(VDSDS, , VVGSGS) negli OFET (in prima approssimazione) sono ident iche a quelle) negli OFET (in prima approssimazione) sono ident iche a quelle dei dei MOSFET MOSFET –– (cambia il significato fisico della (cambia il significato fisico della thresholdthreshold voltagevoltage ))
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaOrganicOrganic FieldField EffectEffect TransistorsTransistors
)(* thGDSi
DS VVVL
WCI −= µ
LINEARE VLINEARE V GSGS>V>VDSDS
2)(*2 thG
i
DSVV
L
WCI −= µ
SATURAZIONE SATURAZIONE VVGSGS=V=VDSDS
Output curves: IDS vs VDS at different Vg Transfer curve: IDS vs Vg at fixed VDS
MobilitMobilit àà FET compresa tra 10FET compresa tra 10 --44 cmcm 22//V*sV*s per per fetfet polimerici amorfi a circa polimerici amorfi a circa 30 cm30 cm 22//V*sV*s per per fetfet con cristalli molecolari (RUBRENE)con cristalli molecolari (RUBRENE) -- [[aSiaSi ~~1 cm1 cm 22//V*sV*s]]
24
APPLICAZIONI OAPPLICAZIONI O --FETFETSemiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Circuiti raddrizzatori e logiche circuitali basate sul transistor organici –Frequenze operative richieste fino a 13.56 MHz – Ott imizzazione della mobilità
JOULEJOULE --EVAPORATION BY KNUDSEN CELLSEVAPORATION BY KNUDSEN CELLSSubstrateSubstrate Temperature=Temperature= FromFromroomroom temperature temperature toto 100 100 °°CC
EvapEvap . . rate=rate= 1nm/min1nm/min
Film Film ThicknessThickness : : fromfrom 2nm 2nm toto90 90 nmnm
31
NN-- typetype OFETsOFETsTWO MAIN REASONS FOR DELAYED PROGRESS IN NTWO MAIN REASONS FOR DELAYED PROGRESS IN N --TYPE TYPE OFETsOFETs
B) B) HIGH SENSITIVITY OF HIGH SENSITIVITY OF ELECTRONS TO CHARGE TRAPPING ELECTRONS TO CHARGE TRAPPING MECHANISMS RELATED TO MECHANISMS RELATED TO AMBIENT AGENTS and/or TO AMBIENT AGENTS and/or TO SPECIFIC CHEMICAL GROUPS AT SPECIFIC CHEMICAL GROUPS AT THE DIELETRIC INTERFACE.THE DIELETRIC INTERFACE.
SilanolSilanol groupsgroups ((SiOHSiOH) ) on SiOon SiO 22 surfacesurface
EFFICIENT ELECTRON INJECTION EFFICIENT ELECTRON INJECTION
BY STABLE METAL CONTACTSBY STABLE METAL CONTACTS
ForFor the 1the 1 stst generation of generation of organicorganicsemiconductorssemiconductors , E, ECC waswas in the in the rangerangebetweenbetween 2 and 3 2 and 3 eVeV. . ToTo reduce reduce ∆∆ee, the , the useuse of of metalsmetals withwith low low workwork --functionfunction ((i.ei.eCa, Mg, Al Ca, Mg, Al -- low low ambientambient stabilitystability ) ) waswasnecessarynecessary . .
OVERSIMPLIFIED PICTUREOVERSIMPLIFIED PICTUREMetal
EE0 0 -- Vacuum Vacuum levellevelMΦ
LUMO-E C
HOMO-E VORGANICORGANIC
∆e
∆h
ee--
hh++
EF
Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione e Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione e studio della dimensione e della forma dei grani studio della dimensione e della forma dei grani
PENTACENEPENTACENEGrowthGrowth raterate effecteffect TTSUB SUB =60 =60 °°CC
33
BottomBottom contactcontact , , bottombottom gategate Substrato di SiOSubstrato di SiO 22, contatti , contatti interdigitatiinterdigitati dd’’oro, 2 dispositivi differenti oro, 2 dispositivi differenti
per lunghezza L (20 per lunghezza L (20 µµmm e 40 e 40 µµmm) e larghezza di canale (rapporto ) e larghezza di canale (rapporto W/L costante) W/L costante) –– STESSA CORRENTE TEORICASTESSA CORRENTE TEORICA
In caso di polarizzazione In caso di polarizzazione continua, il continua, il biasbias stress produce stress produce un decadimento della corrente un decadimento della corrente
con il tempocon il tempo
11
FENOMENI FENOMENI DIDI INSTABILITAINSTABILITA ’’ NEI FET ORGANIC NEI FET ORGANIC –– BIAS STRESSBIAS STRESS
0 900 1800 27005,0x10-6
1,0x10-5
1,5x10-5
2,0x10-5
2,5x10-5
cu
rren
t (A
)
Time (sec)
d=90nm Misure d=90 nm FIT MINUIT d=10 nm Misure d=10 nm FIT MINUIT
39
Possibili meccanismi e modelli
Diversi meccanismi (dovuti o a elettroni o a ioni)
Difetti nel film (impurezze , bordo di grano,) Interfaccia con SiO2
Ioni legati all’ acqua che agiscono come trappole (protoni H+, OH-)
…meccanismi non ancora studiati negli n-type
10-1 100 101 102 103 104
0,980
0,990
1,000
STRESS A VGS
=80 V, VDS
=10 V
STRESS B VGS
=70 V, VDS
=10 V
STRESS C VGS
=60 V, VDS
=10 V
STRESS D VGS
=50 V, VDS
=10 V
STRESS E VGS
=80 V, VDS
=10 V
STRESS E VGS
=80 V, VDS
=10 V air
normalized rispetto al valore massimo (diverso da i a t=0)D
RA
IN-S
OU
RC
E C
UR
RE
NT
[Am
pere
]
TIME [sec] 10-1 100 101 102 103
0,86
0,88
0,90
0,92
0,94
0,96
0,98
1,00
VGS
=50V
VGS
=40V
VGS
=30V
VGS
=20V
DR
AIN
-SO
UR
CE
CU
RR
EN
T [A
]
TIME [sec]
10-1 100 101 102 103 104
0,975
0,980
0,985
0,990
0,995
1,000
Streched exponential
I(t)/I(0)=exp[(-t/τ)β]β=0.34+0.02τ=(0.603+0.024)*109 secχ2=107punti 45errore sui punti ∆yi/yi=0.00001
I(t)
/I(0)
t[sec]
fit data
10-1 100 101 102 103 104-0,0004
-0,0003
-0,0002
-0,0001
0,0000
0,0001
0,0002
1-I fit
/I mis
t[sec]
Single Crystal (aria/vuoto, differenti Vgate) Film ( differenti Vg)
10-1 100 101 102 103 104 105 106
0,982
0,984
0,986
0,988
0,990
0,992
0,994
0,996
0,998
1,000
1,002
I/I/(
0)
time
stress <2%
Di recente stiamo misurando Singoli cristalli di perilene t>10 4 sec in vuotoStress < 2%
Altri meccanismi possono essere presenti e comunqueil bias stress puo’ essere limitato nel tempo
CC
R=1/GR=1/G
RC parallel equivalent circuit is useful for RC parallel equivalent circuit is useful for the the directdirect investigationinvestigation ofof the the organicorganic film film electricalelectrical propertiesproperties
CωiGY += d
SC r
**0
εε=
d
SG
*σ=
ω= 2*π*ν , ν = [20Hz-1MHz]
Misure AC – lcr METER
DUT
)()()()()( ωωω
ωω ijZrZIVZ +==
ImpedanceImpedance
measurementmeasurementTOP
VIEWSIDE VIEW
BASIC SAMPLEBASIC SAMPLE
43
ac measurements
UDRRoom temperature
sA ωσωσ ⋅+= )0()(
1
0
)2
tan()( −∞ ⋅⋅+= s
r
sA ωπε
εωε
Extracted s~0.8
Poly[3-(4-alkoxyphenyl)-thiophenes] are conducting
Misure di capacità e di conduttanza con LCR meter e probe station al variare della frequenza e della temperatura
-Fit simultaneo su C e G con estrazione di 4 parametri Rc, Cc,Rch,Cch ;Utilizzo di MINUIT ( librerie CERN)
L’ Esperienza e’ una piccola attività di ricerca che puo’eventualmente anche essere pubblicata:
47
Possibili Esperienze 2011- Deposizione film organici di tipo N e caratterizza zione morfologicaEffettuate al variare di temperatura deposizione , spessore, rate)
(*Modellizzazioni distribuzione dimensioni dei grani e correlazioni con parametri di deposizione)
-Misura di mobilità tramite curve di uscita di OFET d i singoli cristalli o film(*Modellizzazione delle curve di output invece che delle transcaratteristiche)
-Misura di stress elettronico su OFET di singoli cri stalli o Film(*Modellizazzioni curve di stress estrazione tempo di decadimento
-Misure di energia di attivazione tramite misure in temperature di OFET(*Modellizzazione della mobilità)
-Misure C-V su OFET di tipo n(*Modellizzazione linea di trasmissione e estrazione dei parametri R e C)
*Le proceduredi best fit riguardanti la modellizzazione dovrebbe essere effettuatata tramite l’utilizzo di Minuit