In-situ отжиг повышает подвижность распыляемого TIPS-пентацена в OFET

Аннотация

Мы изготовили органические полевые транзисторы (OFET) с нижним затвором и верхними контактами методом распыления и изучили влияние in-situ отжига во время осаждения. По сравнению с традиционным пост-отжигом, in-situ отжиг при 60 °C увеличил полевую подвижность с 0,056 до 0,191 см²/В·с — почти в четыре раза. Оптическая микроскопия, атомно-силовая микроскопия (AFM) и рентгеновская дифракция (XRD) показали, что повышение подвижности обусловлено улучшенной кристаллизацией и высокоупорядоченной упаковкой TIPS-пентацена.

Введение

OFET перспективны для гибкой электроники, дисплеев, RFID-меток и логических схем [1–7]. Различные методы осаждения — лезвие, струйная печать, глубокая печать и распыление — исследуются для создания высокопроизводительных устройств [6–16]. Распыление особенно привлекательно благодаря низкому расходу растворителя, высокой производительности и совместимости с разными подложками [17–19].

Недавние работы изучали размер капель [16], состав растворителя [20] и нагрев подложки [21–26] для улучшения кристалличности пленок. Однако роль in-situ отжига при распылении остается недостаточно изученной. Традиционная технологическая обработка часто требует длительных этапов выдержки, прерывающих производство. Внедрение простого протокола in-situ отжига может ускорить производство, сохраняя или улучшая характеристики устройств.

В этой работе мы применили in-situ отжиг при 60, 90 и 120 °C при распылении TIPS-пентацена на диэлектрики PMMA. Обработка при 60 °C дала наивысшую подвижность (0,191 см²/В·с), что связано с улучшенной кристалличностью и молекулярным упорядочением, подтвержденным микроскопией и XRD.

Методы

Архитектура устройства показана на рис. 1(a). PMMA (100 мг/мл в анизоле) наносили центробежным методом до толщины 520 нм и выдерживали при 150 °C в течение 1 ч. Слой TIPS-пентацена толщиной 30 нм (3 мг/мл в дихлорбензене) распыляли со скоростью 20 мкл/с с высоты сопла 12 см, удерживая подложку при заданной температуре. Наконец, электроды источника/стока из золота толщиной 50 нм осаждали термическим испарением через шадочную маску (ширина/длина канала = 1 см / 100 мкм). Толщину TIPS-пентацена определяли вычитанием толщины PMMA из общей толщины структуры, измеренной профилометром. Электрические характеристики регистрировали прибором Keithley 4200 в воздухе. Подвижность извлекали из режима насыщения по стандартному уравнению передаточной кривой. Морфологию изучали оптической микроскопией (U-MSSP4, Olympus), AFM (MFP-3D-BIO, Asylum Research) и XRD (TD-3500, Дандун, 30 кВ, 20 мА).

Результаты и обсуждение

Устройство А изготавливалось с пост-отжигом при 120 °C (20 мин). Устройства B, C и D использовали in-situ отжиг при 60, 90 и 120 °C соответственно. Передаточные и выходные характеристики (рис. 2) демонстрируют типичное p-типовое поведение. Таблица 1 сводит ключевые параметры.

При in-situ отжиге 60 °C (устройство B) подвижность выросла до 0,191 см²/В·с, а пороговое напряжение сместилось положительно от –1,7 до –0,9 В. В отличие от этого, обработка при 90 °C и 120 °C ухудшила характеристики: μ упало до 0,04 и 0,0005 см²/В·с, а V_TH сместилось до +2,0 В. Субпороговый наклон увеличивался с температурой отжига, что указывает на более высокую плотность ловушек на границе диэлектрик/полупроводник [27].

Оптическая микроскопия (рис. 3) выявила крупные вытянутые зерна для устройства B, тогда как устройства C и D показали мелкие круглые зерна. AFM (рис. 4) подтвердил, что пленка при 60 °C обладает хорошо упорядоченными зернами с редкими границами, а более высокие температуры дают плотно упакованные мелкие острова, препятствующие переносу заряда. XRD (рис. 5) показал самые интенсивные брагговские пики (00l) для устройства B, подтверждая превосходную кристалличность. Снижение интенсивности пиков при 90 °C и 120 °C коррелирует с наблюдаемым падением характеристик.

Заключение

OFET на основе распыленного TIPS-пентацена, изготовленные с in-situ отжигом при 60 °C, демонстрируют четырехкратный рост подвижности (0,191 см²/В·с) по сравнению с традиционным пост-отжигом. Это улучшение обусловлено повышением кристалличности и упорядоченным ростом зерен, что подтверждается оптическими, AFM и XRD анализами. In-situ отжиг таким образом предлагает масштабируемый, низкозатратный путь к высокопроизводительным OFET для гибкой электроники и других перспективных приложений.