High frequency organic transistors

Organic electronics is gaining more and more attention from scientific public and from industries because of his unique properties such as flexibility, transparency, and solution-processability. High throughput manufacturing methods such as roll-to-roll coating and inkjet printing allow organic electronics to be suitable for new and diverse applications and to be an attractive viable way to make low cost electronics. Before employing this technology for the production of circuitry, the performance of the elementary block, i.e. the transistor, has to be optimized. This task is nowadays encouraged thanks to the recent improvements in polymers charge carrier mobility. The willingness to fabricate transistors capable of high frequency operation is fostered by possible applications like high-resolution flexible displays or devices able to communicate via wireless. Nevertheless, a record frequency of transition of 27 MHz is achieved for transistors with lithographic contacts and evaporated semiconductor, while of 3 MHz for transistors fabricated without using masks in the production flow. In order to reach an high frequency operation preserving the advantages of the low cost manufacturing methods discussed before, not only the chemistry of the polymers but also the device itself should be optimized. The latter problem is treated in this thesis work. The channel length was downscaled thanks to the laser sintering technique, down to a minimum of 1 μm. The semiconductor layer was deposited in a way so to optimize the charge carrier transport and the effects of contacts treatments and of semiconductor doping were investigated. The overlap capacitance was minimized by reducing the finger widths of the contacts with laser sintering technique. Mobilities of 0.1 cm^2/Vs for holes and 0.3 cm^2/Vs for electrons were extracted for aggressively downscaled transistors channel of 1 μm, and a frequency of transition of 3 MHz and 10 MHz is found for p-type and n-type OFETs.

L’elettronica organica sta attirando sempre più l’attenzione del pubblico scientifico e industriale grazie a proprietà come la flessibilità, trasparenza e la processabilità in soluzione. Metodi per la lavorazione di grandi quantità di materiali come la stampa roll-to-roll e stampa a getto di inchiostro permettono all’elettronica organica di essere adatta per nuove e varie applicazioni oltre che costituire una via percorribile per fare elettronica a basso costo. Prima di impiegare questa tecnologia per fare circuiteria, le prestazioni del blocco elementare, i.e. del transistore, devono essere ottimizzate. Questo lavoro è oggigiorno incoraggiato dai recenti miglioramenti delle mobilità dei portatori nei polimeri. La volontà di fabbricare transistori capaci di operare ad alta frequenza è incoraggiata da possibili applicazioni come schermi flessibili ad alta risoluzione e dispositivi in grado di comunicare via wireless. Nonostante ciò, una frequenza di transizione record di 27 MHz è stata raggiunta per transistori con contatti litografati e semiconduttore evaporato, mentre di 3 MHz per transistori fabbricati senza usare maschere nel processo di fabbricazione. Per raggiungere una alta frequenza conservando i vantaggi dei metodi di lavorazione discussi prima, bisogna ottimizzare non solo la chimica dei polimeri ma anche il dispositivo stesso. Quest’ultimo problema è trattato in questo lavoro di tesi. Il canale è stato scalato fino ad una lunghezza minima di 1 micrometro. Il semiconduttore è stato depositato in modo da ottimizzare il trasporto di carica e gli effetti dei trattamenti ai contatti e di drogaggio del semiconduttore sono stati indagati. La capacità di sovrapposizione è stata minimizzata riducendo la larghezza dei contatti con la tecnica di sinterizzazione laser. Mobilità di 0.1 cm^2/Vs per le lacune e 0.3 cm^2/Vs per gli elettroni sono state estratte per transistori aggressivamente scalati di lunghezza di canale di 1 micrometro e una frequenza di transizione di 3 MHz e di 10 MHz è stata determinata per OFETs di tipo p ed n.