High-frequency organic field-effect transistors by low-cost direct-writing and printing techniques

Printed polymer electronics is paving the way to the development of portable, light-weight and distributed applications in the fields of wearables, healthcare, sensors and automation. A key point making this technology suitable for the realization of cost-effective products is the use of printing techniques, which offer the capability of depositing and/or patterning functional materials on large areas with high a throughput and at low cost. Despite impressive advancements in terms of charge mobility in polymeric semiconductors (in excess of 10 cm2/Vs), the maximum operational frequency of OFET devices is still limited, mainly due to the coarse patterning resolution offered by conventional low-cost printing techniques. To date, the achievement of operational frequencies in excess of 10 MHz, a generally acknowledged threshold for enabling many applications including the driving of high-resolution displays, has mainly relied on the use of complex photolithographic and/or evaporation techniques, undermining the cost-effectiveness concept. In this work we choose femtosecond-laser sintering as a direct-writing technique to realize high-resolution electrodes down to a minimum feature size of about 1 µm. We combine this technique with bar-coating, a large-area printing technique, to fabricate OFETs with a simple, fully mask-less, roll-to-roll compatible approach. The realized OFETs on a glass substrate feature a maximum transition frequency ft = 20 MHz, the highest ft reported to date for devices featuring printed polymers and direct-written electrodes. In addition to this result, demonstrated for n-type OFETs, we also prove that the fs-laser sintering approach is also applicable to p-type devices with the inclusion of an appropriate contact treatment based on a SAM, and we realized OFETs featuring ft = 3.7 MHz. Furthermore, we demonstrated that this technique can be also applied to a flexible substrate, and we realized OFETs with the same direct-writing and printing approach to yield n-type and p-type devices featuring ft = 0.96 MHz and ft = 3.4 MHz respectively. We addressed some non-idealities that arise in the process of downscaling the critical dimensions of the devices when insufficient care is taken so to avoid additional parasitisms, which potentially degrade the frequency performance of the device. We propose a model to explain these non-idealities, and we validate it through experiments. Finally, we suggest a simple solution to overcome the limitations introduced by this parasitism and avoid the performance degradation of the devices. In the conclusive remarks, we discuss the potential of our approach, also compared to previously proposed methodologies, and we briefly highlight the future routes which are most promising for the further improvement of the operational speed of OFETs.

L’elettronica stampata basata su polimeri si sta proponendo come candidata per lo sviluppo di applicazioni portabili, leggere e distribuite per fini medici o nei campi della sensoristica e dell’ automazione. Un punto chiave che rende questa tecnologia adatta per la realizzazione di prodotti a basso costo è l’ uso di tecniche di stampa, che offrono la possibilità di depositare materiali funzionali su larga area in modo efficace dal punto di vista dei costi. Nonostante i grandi miglioramenti in termini di mobilità di carica nei semiconduttori polimerici (oltre 10 cm2/Vs), la massima frequenza di operazione dei dispositivi OFET è ancora limitata, principalmente a causa della ridotta risoluzione offerta dalle tecniche di stampa convenzionali. Ad oggi, il raggiungimento di frequenze operative oltre 10 MHz, una soglia generalmente adottata come necessaria per applicazioni come backplane per display ad alta risoluzione, si è basato sull’uso di complesse tecniche fotolitografiche e/o di evaporazione, minando il concetto di efficienza dal punto di vista dei costi. In questo lavoro adottiamo il femtosecond-laser sintering come tecnica di scrittura diretta per realizzare elettrodi ad alta risoluzione, fino ad una minima dimensione di 1 µm. Combiniamo questa tecnica con il bar-coating, una tecnica di stampa a larga area, per fabbricare OFET con un approccio semplice, non basato su maschere, compatibile con processi roll-to-roll. Gli OFET realizzati (su substrato di vetro) realizzano una massima frequenza di transizione ft = 20 MHz, la più alta riportata ad oggi per dispositivi che integrano polimeri stampati e elettrodi realizzati per scrittura diretta. In aggiunta a questo risultato per OFET n-type, dimostriamo che questo approccio è applicabile anche a dispositivi p-type con l’ aggiunta di un trattamento ai contatti basato su SAM, realizzando OFET con ft = 3.7 MHz. Inoltre, dimostriamo che detta tecnica può essere applicata anche nel caso di substrati flessibili, realizzando con lo stesso approccio OFET n-type e p-type caratterizzati rispettivamente da ft = 0.96 MHz e 3.4 MHz. Abbiamo identificato alcune non-idealità comparse nel processo di riduzione delle dimensioni critiche dei dispositivi, nel caso che insufficiente attenzione sia data alla riduzione di parassitismi aggiuntivi, che potenzialmente degradano la frequenza operativa. Proponiamo un modello per spiegare l’origine di queste non-idealità e lo confermiamo sperimentalmente. Inoltre, suggeriamo una semplice soluzione per superare le limitazioni introdotte da questi parassitismi aggiuntivi ed evitare la riduzione della frequenza operativa dei dispositivi. Nelle considerazioni conclusive, discutiamo il potenziale del nostro approccio e lo confrontiamo con delle metodologie proposte precedentemente. Illustriamo brevemente le strade future che sono più promettenti per l’ulteriore miglioramento della velocità operativa degli OFET.