Organik alan etkili transistörlerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of organic field effect transistors
Yazar: HİDAYET GÖK
Danışman: PROF. DR. AHMET ALTINDAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Metal-yarı iletken sistemler = Metal-semiconductor systems ; Metaloftalosiyaninler = Metallopthalocyanines ; Sübstitüe ftalosiyaninler = Substituted phtalocyanines

Özet:
Organik elektronik konusu son yıllarda bilim ve teknoloji alanında tüm dikkatleri üzerine çekmiş durumdadır. Işık yayan diyotlar, organik alan etkili transistörler (OFET) ve organik güneş pilleri gibi bir çok ileri teknoloji ürünü elektronik ve optoelektronik aygıtların üretiminde organik yarıiletkenler kullanılmaktadır. Elektronikte, alışılmış inorganik yarıiletkenler yerine organik yarıiletkenlerin kullanılmasının en önemli avantajları; maliyetlerinin düşük olması, üretim proseslerinin düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmesi, sentez aşamasında moleküler yapılarında yapılacak küçük modifikasyonlarla fiziksel özelliklerinin değiştirilebilmesi, aygıtların esnek altlıklar üzerine üretilebilmesi, sol-jel gibi  gibi çözelti tabanlı işlemlere uygun olması olark gösterilebilir. Bir organik alan etkili tranistör (OFET) esas itibarıyla metal-yalıtkan-yarıiletken tabakalarından oluşan kaynak, savak ve geçit adı verilen üç uçlu bir dirençtir. OFET'lerde kaynak ve savak uçları arasındaki akımın geçit ucuna uygulanan gerilimle kontrol edilebilir olması OFET'lere anahtar, akıllı kartlar, sıvı kristal displayler, elektronik kağıt ve sensörler gibi oldukça geniş bir alanda uygulama sağlamaktadır.  OFET'lerin bu alanlardaki uygulamalarında en önemli parametrelerden birisi alan etkili yük hareketliliğidir. Organik yarıilekenlerde yük hareketliliği, inorganik yarıiletkenlerle karşılaştırıldığında, çok küçüktür. Bir OFET'in performansı birinci derecede yük hareketliliği tarafından belirlenir.  Son zamanlarda  organik tabanlı aygıtlarda özellikle de alan transistörlerde, yük hareketliliği 3–5 cm2/V s , açma/kapama akım oranı (Ion/Ioff) 106 dan yüksek olan aygıt üretimi konusunda oldukça yoğun olarak çalışılmaktadır.  Literatürde alan etkili yük hareketliliği 1 cm2/V s olan moleküler malzemeler rapor edilmiş olmasına rağmen bu malzemelerin çözünürlüğünün düşük olamsı, kaçak akım yoğunluğunun yüksek olması ve histeresis etki göstermesi gibi kararlılık problemlerinden dolayı ticari OFET'lerde aktif tabaka olarak kullanımdan oldukça uzaktır.  OFET'lede kullanılmak üzere yüksek dielektrik sabitine ve yüksek yük hareketliliğine sahip organik malzeme arayışları iki önemli araştırma konusunu oluşturmaktadır. 
           OFET'de transistörü açık konuma getirmek için transistörün geçit ucuna bir gerilim (VG) uygulanması gerekir. Yalıtkan tabaka olarak kullanılacak malzemenin kalınlığının (d) mümkün olduğunca ince dielektrik sabitinin de (k) olabildiğince yüksek olması istenir. Ancak, film kalınlığının minimize dielektrik sabitininde maksimize edilmesi pratik bazı zorluklarıda beraberinde getirir.  Olabildiğince ince bir yalıtkan tabaka aygıtta kaçak akımların artmasına dolayısıyla harcanan gücün artmasına ve aygıt ömrünün kısalmasına neden olur. Diğer yandan, yüksek dielektrik sabitine sahip polar malzemeler genellikle yarıiletken-yalıtkan arayüzeyinde tuzaklanmaların artmasına dolayısıyla da eşik voltajının (VT) artmasına ve yük hareketliliğinin düşmesine neden olur. Dolayısıyla bir OFET'de yalıtkan tabkanın seçimi hayati öneme sahiptir. OFET'lede en yaygın kullanılan yalıtkan malzeme ısıl olarak büyütülmüş SiO2 dir. SiO2 'in esnek değildir ve pahalıdır dolayısıyla, esnek altlıklar üzerine üretilecek aygıtlar için uygun bir yalıtkan değildir. Polietilen (PE)  ve polyvinyalkol (PVA) gibi polimerik yalıtkanlar SiO2 'e alternatif olarak düşünülebilir. Bu tür malzemeler nispeten daha düşük yüzey polaritesine sahiptirler fakat pin-hole oluşumunu engellemek için daha kalın film şeklinde kaplanmaları gerekir ve düşük geçit kapasitesi sergilerler. Buda, 30-50 V arasında yüksek çalışma voltajı anlamına gelir. OFET'lerde performansın artırılması için diğer önemli bir noktada yarıiletken tabakanın seçimidir. Metalli fitalosiyaninler ve porfirinler kimyasal ve ısıl olarak oldukça karalı büyük halkalı bileşiklerdir. Organik yarıiletkenler arasında yarıiletken fitalosiyaninler ve bunlar substitute edilmiş türevleri OFET'lerde yarıiletken tabaka olarak en ümit verici malzemelerdir.
Bu Yüksek Lisans tez çalışmasında üst kontak alt geçit yapısındaki OFET'ler üretilerek karakterizasyonları yapılmıştır. Üretilen OFET'lerde biri polymethylmethacrylate (PMMA) diğeride CoO2 olmak üzere iki farklı yalıtkan kullanılmıştır. OFET'ler iki farklı taşıyıcı (ITO kaplı camlar ve p-tipi Si) üzerine üç farklı organik yarıiletken (CuPc, MnPc ve Alq3) kullanılarak farklı kanal genişliklerinde üretilmişlerdir. Elde edilen sonuçlar aygıt performans parametrelerinin kanal genişliğine ve dielektrik malzemenin seçimine oldukça bağlı olduğunu göstermiştir. Üretilen aygıtlar arasında maksimum yük hareketliliği p-si/PMMA/Alq3/Au tabakalarından oluşan yapıda gözlemlenmiştir.

Abstract:
Organic semiconductors are being developed for use in electronic and optoelectronic devices such as organic light-emitting diodes, organic field-effect transistors (OFETs), and organic solar cells. One of the most important advantages of using organic materials in electronics instead of inorganic materials is the possibility of using low-cost, low temperature, fine tuning of their properties by precise synthesis, solution-based processes and good compatibility with flexible substrates. An OFET is essentially a resistor (with the two terminals called ''source'' and ''drain'' and a semiconductor material) in combination with the metal–insulator–semiconductor. Control over the source–drain current in OFETs via a third terminal has resulted in their widespread applications in switches, radio frequency identification (RFID) tags, smart cards, active matrix liquid crystal displays, electronic paper and chemical sensors.  In such applications, one of the critical parameters is the field-effect carrier mobility, which remains smaller than that of inorganic counterparts. The overall performance of OFET devices is determined primarily by the charge carrier mobility. A remarkable progress in organic based electronics, especially in the field of organic field-effect transistors has been achieved during the last two years, e.g., mobility as high as 3–5 cm2/V s  and on/off current ratio (Ion/Ioff) larger than 106.  Although molecular materials with the field-effect carrier mobility as high as 1 cm2/V s have been reported, they present processing difficulties due to their limited solubility, high leakage current density and stability issues such as hysteresis still exist as serious obstacles to the commercial use of OFETs with organic layers. The search for high dielectric constant (high-k) gate dielectric and high carrier mobility semiconductor materials for OFET applications has stimulated important research activities in both conventional and unconventional electronics. 
In a OFET, the gate voltage, VG, required to switch the transistor "on" scales with the insulator thickness, d, and inversely with the insulator dielectric constant. It means that high k at low d is desirable. However, both minimising d, and maximising k, leads to practical problems: a thin, fragile dielectric may lead to increased leakage currents through the insulation layer, whereas polar (high-k) insulators introduce undesirable effects at the organic semiconductor-insulator interface generally leading to increased trapping. Therefore, the choice of a proper insulator is an important issue and not easy and usually depends on the intended applications. Thermally grown SiO2 has often been used as OFET insulator, but more for the reason of commercial availability rather than performance, as SiO2 does not display much higher gate capacitance than polymers. Moreover, thermally grown SiO2 is not flexible and too expensive for disposable electronics. Polymeric OFET insulators (e.g. polietilen (PE), and polyvinyalcohol (PVA) having the advantage to be processed from solution, usually have rather low surface polarities but have to be fairly thick to avoid formation of pin-holes and their dielectric constants k are rather small. This results in insulators with low gate capacitance  and consequently, operational voltages exceeding 30–50V. Another important concept in the development of an OFET is the choice of a suitable semiconductor material. In a number of applications for molecular semiconductor thin films, a sufficiently high mobility of charge carriers can be regarded a necessary condition. Metallophthalocyanines (MPcs) and metalloporphyrins (MPPs) represent a large family of functional π macrocycle materials with high chemical and thermal stability. Among the different classes of materials studied for organic electronics, semiconducting phthalocyanines (Pcs) and their peripherally substituted derivatives is among the most common and promising material for application in OFETs. 
       In this thesis, top-contact bottom-gate organic field effect transistors OFET devices having a top source-drain contact geometry based on solution processed phthalocyanine semiconductor layer,  polymethylmethacrylate (PMMA) and CoO2 dielectric layer have been fabricated. Tin oxide coated glass served as back gate electrode. The gold drain and source electrodes were deposited by thermal evaporation in vacuum using a shadow mask. These electrodes have a width of 4 mm. For comparison, the OFET devices were fabricated with various channel width between 30-100 m. The electrical properties of the produced devices were investigated and different parameters such as charge carrier mobility, on/off current and threshold voltage were determined.  It was found that the device parameters depend on the channel width and the choice of the dielectric layer. Maximum mobility was obtained with the structure of P-Si/PMMA/Alq3/Au.