Transistors based on printed polymers operating at radio-frequencies

Organic electronics has gained increasing attention from both the scientific community and industries, becoming a valuable enabler for new applications designed to satisfy the continuous demand for quality-of-life improvements and for the implementation of the “Internet of Things”. Such a development is only possible thanks to the unique properties of organic materials, whose molecular structure can be tailored to fulfil desired electronic properties. In addition, high solubility of organic materials in a wide spectrum of common solvents is convenient since it allows the possibility to deposit them at low temperature on many different substrates and by techniques already exploited in the field of graphical arts, i.e. printing or coating. Thanks to their solution processability, indeed, the manufacturing processes become easier, less expensive and compatible with the use of flexible substrates and with large area fabrication techniques, a fundamental requirement for a cost- and energy-efficient production schemes. To employ organic materials in the production of complex circuits, the performances of the main building block, such as the transistor, have to be optimized. Many efforts have been spent to improve organic field-effect transistors performances, mainly in terms of charge mobility in polymer semiconductors. Thanks to these improvements in organics, also higher organic transistors’ operational speed has been feasible. Improving transistors’ operational speed would enable a wide spectrum of applications such as wireless sensors and Radio-Frequency Identification (RFID) based systems or the driving of high-resolution flexible displays. Transistor’s operational speed can be estimated through several figures of merit, among which the transition frequency that is defined as the frequency at which the current gain, in short circuit condition, is equal to 1. As of now, the highest demonstrated transition frequency is 160 MHz, using an n-type organic field-effect transistor, fabricated on a rigid substrate by a combination of solution-processed and direct-writing techniques. Indeed, along with high operating frequency, cheap and energy efficient fabrication schemes are demanded to minimize production costs and enable mass production. To this aim, printing and direct-writing techniques represent ideal candidates, allowing ambient temperature, large area, sheet-to-sheet continuous production lines. In this work, n-type and p-type organic field-effect transistors have been fabricated on flexible substrates by a combination of solution-processed and a large-area compatible direct-writing techniques. This approach resulted in micron-scale patterning resolution, allowing transistor channel miniaturization, down to 1.2 μm. This up-scalable fabrication scheme yields a transition frequency of 11 MHz and 22 MHz for n-type and p-type organic field-effect transistors fabricated on flexible and transparent substrates. The frequency value obtained for the p-type polymer transistors makes this the fastest p-type solution-processed device fabricated on flexible substrates so far. The possibility to have both n-type and p-type OFETs working in the same range of frequency gives access to the fabrication of complementary electronics, which require low power consumption. In spite of producing complementary electronics, a method to fabricate both p- and n-type OFETs on the same chip, sharing the same ambipolar organic semiconductor has been proposed. This was possible through contacts functionalization by different self-assembled monolayers (SAMs) and proper doping the ambipolar organic semiconductor by p- and n-type dopants, both deposited by directly inkjet-printing SAMs and dopants solutions on the desired contacts area. We demonstrated both n- and p- unipolarized devices with mobilities exceeding 0.1 cm2V-1s-1.

L'elettronica organica ha guadagnato una crescente attenzione sia da parte della comunità scientifica che delle industrie, diventando un valido abilitatore per nuove applicazioni progettate per soddisfare la continua richiesta di miglioramento della qualità della vita e per l'implementazione dell' "Internet of Things". Un tale sviluppo è possibile solo grazie alle proprietà uniche dei materiali organici, la cui struttura molecolare può essere personalizzata per soddisfare le proprietà elettroniche desiderate. Inoltre, l'elevata solubilità dei materiali organici in un ampio spettro di solventi comuni è conveniente in quanto consente la possibilità di depositarli a bassa temperatura su molti substrati diversi e con tecniche già sfruttate nel campo delle arti grafiche, cioè la stampa o il rivestimento. Grazie alla loro processabilità da soluzione, infatti, i processi di fabbricazione diventano più facili, meno costosi e compatibili con l'uso di substrati flessibili e con tecniche di fabbricazione di grandi superfici, un requisito fondamentale per schemi di produzione efficienti in termini di costi ed energia. Per impiegare i materiali organici nella produzione di circuiti complessi, le prestazioni del principale elemento costitutivo, come il transistor, devono essere ottimizzate. Molti sforzi sono stati fatti per migliorare le prestazioni dei transistor organici a effetto campo, soprattutto in termini di mobilità di carica dei semiconduttori polimerici. Grazie a questi miglioramenti negli organici, anche una maggiore velocità operativa dei transistor organici è stata possibile. Il miglioramento della velocità operativa dei transistor consentirebbe un ampio spettro di nuove applicazioni come, ad esempio, sensori wireless, sistemi basati sull'identificazione a radiofrequenza (RFID) o display flessibili ad alta risoluzione. La velocità operativa del transistor può essere stimata attraverso diverse figure di merito, tra cui la frequenza di transizione che è definita come la frequenza alla quale il guadagno di corrente, in condizione di corto circuito, è uguale a 1. Ad oggi, la più alta frequenza di transizione dimostrata è di 160 MHz, ottenuta utilizzando un transistor organico a effetto campo di tipo n, fabbricato su un substrato rigido mediante una combinazione di tecniche di processi da soluzione e di scrittura diretta. Infatti, insieme all'alta frequenza operativa, sono richiesti schemi di fabbricazione economici ed efficienti dal punto di vista energetico per minimizzare i costi di produzione e permettere la produzione di massa. A questo scopo, le tecniche di stampa e di scrittura diretta rappresentano i candidati ideali, permettono l’utilizzo di basse temperature per fabbricare dispositivi in linea su larga area. In questo lavoro, transistor organici a effetto campo di tipo n e p sono stati fabbricati su substrati flessibili mediante una combinazione di tecniche da soluzione e di scrittura diretta, entrambe compatibili con deposizioni su larga area. Questo approccio ha portato ad una risoluzione di patterning su scala micrometrica, permettendo la miniaturizzazione del canale del transistor fino a 1,2 μm. Questo schema di fabbricazione scalabile ha portato frequenze di transizione di 11 MHz e 22 MHz per i transistor organici a effetto campo di tipo n e p fabbricati su substrati flessibili e trasparenti. Il valore di frequenza ottenuto per i transistor polimerici di tipo p rende questo transistor il più veloce dispositivo di tipo p fabbricato da soluzione e su substrati flessibili realizzato finora. La possibilità di avere sia transistor organici di tipo n che di tipo p che lavorano nella stessa gamma di frequenze dà accesso alla fabbricazione di elettronica complementare, che richiede un basso consumo energetico. Con lo scopo di produrre elettronica complementare, è stato proposto un metodo per fabbricare entrambi i transistor di tipo p e n sullo stesso chip, condividendo lo stesso semiconduttore organico ambipolare. Questo è stato possibile attraverso la funzionalizzazione dei contatti con diversi self-assembled monolayers (SAM) e il corretto drogaggio del semiconduttore organico ambipolare con droganti di tipo p e n, entrambi depositati direttamente con la stampa a getto d'inchiostro di soluzioni SAM e droganti sull'area dei contatti. Abbiamo dimostrato entrambi i dispositivi unipolarizzati n- e p- con mobilità superiori a 0,1 cm2V-1s-1.