High-resolution direct-written field-effect transistors for high frequency applications

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 complex circuits, the performance of the elementary block, i.e. the transistor, has to be optimized. The willingness to fabricate transistors capable of high-frequency operation is spurred by possible applications like high-resolution flexible displays or devices able to communicate via wireless. So far, a record frequency of transition of 27 MHz is achieved for transistors with lithographic contacts and evaporated semiconductors, while of 20 MHz for transistors fabricated without using masks in the production flow. Such record frequencies of operation were not measured directly but they were extrapolated due to bandwidth limitation, typically in the order of 1 MHz, present in the measurement setups used. Thanks to recent improvements in polymers charge carrier mobility, further enhancement of devices maximum operational frequency is in sight, and therefore it is not possible to rely further on such measurement methods for characterizing the upcoming organic high-frequency devices. In this thesis work, we resorted to Scattering parameters (S-parameters) for reliable determination of the frequency of transition without extrapolations. We report n-type FETs based on a solution-processed polymer semiconductor where the critical features have been realized by a large-area compatible direct-writing technique, allowing to obtain record frequencies of transition of 19 MHz in the case of n-type and 24 MHz for p-type polymer transistors. This is the first report of solution-processed organic FETs characterized with S-Parameters. We then made a step forward in the improvement of the OFETs maximum operational frequency by reducing the gate to source and gate to drain geometrical overlap to some hundreds of nanometers by fabricating also the gate contact by laser sintering. In this way we succeeded in the demonstration of the fastest n- and p-type organic transistors ever realized, showing transition frequency of 70 MHz and 100 MHz, respectively. Finally, in order to fabricate high-performance organic circuitry, we propose a method for self-assembled monolayers (SAMs) formation by using inkjet printing techniques, allowing to grow different SAMs on the desired contacts on the same substrate. We demonstrated both n and p unipolarized devices starting from a single ambipolar semiconductor uniformly bar-coated on the substrate, with mobilities higher than 1 cm^2/Vs in both cases.

L'elettronica organica sta guadagnando sempre più attenzioni sia dal pubblico scientifico che dall'industria grazie alle sue proprietà uniche come la flessibilità, trasparenza e la processabilità da soluzione. Metodi di produzione ad alto rendimento come il rivestimento roll-to-roll e la stampa a getto d'inchiostro consentono all'elettronica organica di essere applicabile a nuove e varie applicazioni e di essere un modo attraente per realizzare componenti elettronici a basso costo. Prima di utilizzare questa tecnologia per la produzione di circuiti complessi, le prestazioni del blocco elementare, cioè il transistor, devono essere ottimizzate. La necessità di fabbricare transistor in grado di operare ad alta frequenza è stimolata da possibili applicazioni come display flessibili ad alta risoluzione o dispositivi in ​​grado di comunicare via wireless. Finora è stata raggiunta una frequenza record di transizione di 27 MHz per transistor con contatti litografici e semiconduttori evaporati, mentre di 20 MHz per transistor fabbricati senza l'utilizzo di maschere nel flusso di produzione. Tali frequenze di transizione non sono state misurate direttamente, ma sono state estrapolate a causa della limitazione in banda, tipicamente nell'ordine di 1 MHz, presente nelle impostazioni di misurazione utilizzate. Grazie ai recenti miglioramenti nella mobilità dei portatori di carica nei polimeri, un ulteriore miglioramento della massima frequenza operativa dei dispositivi è in vista e pertanto non è possibile fare ulteriore affidamento su tali metodi di misura per la caratterizzazione di dispositivi organici ad alta frequenza di nuova generazione. In questo lavoro di tesi, abbiamo fatto ricorso ai parametri di Scattering (parametri S) per la determinazione affidabile della frequenza di transizione senza estrapolazioni. Riportiamo FET di tipo n basati su un semiconduttore polimerico processato da soluzione in cui le features critiche sono state realizzate mediante una tecnica di scrittura diretta compatibile con fabbricazioni su larga area, che ha consentito di ottenere frequenze record di transizione di 19 MHz nel caso di transistori di tipo n e 24 MHz per transistor polimerici di tipo p. Questo è il primo rapporto di FET organici processati da soluzione caratterizzati con parametri di scattering. Abbiamo quindi compiuto un passo in avanti nel miglioramento della massima frequenza operativa degli OFET riducendo la sovrapposizione geometrica di gate e source e gate e drain a qualche centinaio di nanometri fabbricando anche il contatto di gate mediante sinterizzazione laser. In questo modo siamo riusciti a dimostrare i transistori organici di tipo N e P più veloci mai realizzati, mostrando rispettivamente una frequenza di transizione di 70 MHz e 100 MHz. Infine, al fine di fabbricare circuiti organici ad alte prestazioni, proponiamo un metodo per la formazione di monostrati autoassemblati (SAM) usando tecniche di stampa a getto d'inchiostro, permettendo di far crescere SAM diversi sui contatti desiderati sullo stesso substrato. Abbiamo dimostrato la fattibilità di dispositivi unipolarizzati n e p a partire da un singolo semiconduttore ambipolare uniformemente depositato tramite bar-coating sul substrato, con mobilità superiore a 1 cm^2 / Vs in entrambi i casi.