Μελέτη και προσομοίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών οργανικών τρανζίστορ
Authors: Καϊμακάμης Τρύφων 
Published: March 2023

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.