Assessment of injection area in staggered organic thin film transistors

Organic thin film transistors (OTFTs) have attracted attentions due to their apparent advantages over inorganic thin film transistors in terms of mechanical flexibility, light weight and large-area low processing cost. Nevertheless, organic semiconductors have major drawbacks in the relatively low mobility of charge carriers from the weak intermolecular interaction in the solid state. Consequently, low mobility makes the injection process inefficient and the injecting property of metal-organic interfaces not ideal. This has an adverse impact on organic thin film transistors (OTFTs) which require for ideal transistor operation contact with the capability of providing any current with a negligible voltage drop. The situation is modeled by adding contact resistances in series to the source and to the drain terminals if contacts are non-Ohmic. Because of the voltage drops across the contact resistances, the current magnitude diminishes and its functional dependence on the externally applied gate and drain voltages is generally altered. As a consequence, if one tries to extract carrier mobility from TFT current measurements without taking into account the effect of contact resistances, only an apparent mobility is obtained. It underestimates the real one and does not reflect the real material properties. In staggered transistors, where the contacts and the accumulated channel do not lie in the same plane, a poor injecting contact can be partially compensated by enlarging the actual injection area, but this requires a large device footprint. It is then evident that an assessment of the injecting area is mandatory for proper device modeling as well as for proper device layout, and this has been the target of this work. The work of the ten-month-thesis was held in the laboratories of Center for Nanoscience and Technology (CNST) @polimi, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), under the supervision of Prof. Dario Natali and Dott. Mario Caironi, team leader of CNST @polimi, IIT.

I transistori organici a film sottile hanno suscitato l’interesse della comunità scientifica in virtù delle loro peculiarità quali la flessibilità meccanica, la leggerezza e il basso costo di fabbricazione su grandi aree. A fronte di questi vantaggi, i semiconduttori organici sono caratterizzati da mobilità dei portatori di carica relativamente basse, a causa della debole interazione intermolecolare nello stato solido, il che, tra l’altro, rende inefficiente il processo di iniezione di carica dai contatti. Questo ha un impatto negativo sui transistori organici a film sottile (OTFTs): non solo ne limita le prestazioni, poiché delle tensioni applicate esternamente solo una frazione cade sul dispositivo vero e proprio e parte viene assorbita dai contatti, ma ne complica anche la modellizzazione, poiché contatti non-ideali danno luogo a modifiche nelle relazioni funzionali corrente-tensione dei transistori. In prima approssimazione, la situazione può essere modellizzata aggiungendo in serie ai terminali di source e drain delle resistenze di contatto. In particolare nei transistori detti staggered, quelli cioè dove il canale accumulato ed i contatti non giacciono nel medesimo piano, l’area di iniezione non coincide necessariamente con l’area fisica di Source e Drain, poichè essa si aggiusta in ragione delle proprietà di iniezione dei contatti: se il contatto è un buon iniettore di cariche, l’area di iniezione si riduce al di sotto dell’area fisica, e viceversa se il contatto è un cattivo iniettore di cariche, l’area di iniezione si estende fino al limite dell’area fisica. Risulta perciò di fondamentale importanza riuscire a quantificare da misure elettriche l’estensione dell’area di iniezione, sia per una corretta modellizzazione del dispositivo, sia per poterne progettare opportunamente il layout, e questo è stato l’obiettivo di questo laovro di tesi. Il lavoro di ricerca di durata dieci mesi si è svolto nei laboratori del Center for Nanoscience and Technology (CNST) @polimi, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) sotto la supervisione del Prof. Dario Natali e del Dott. Mario Caironi, team leader presso CNST-IIT. La tesi è così organizzata. Nel primo capitolo si introducono i semiconduttori organici. Nel secondo capitolo si descrive la teoria della resistenza di contatto. In particolare si arriva a mostrare che, sotto opportune condizioni, la resistenza di contatto si può approssimare con una funzione iperbolica della tensione di gate. Nel terzo capitolo, si esplorano i metodi di estrazione delle resistenze di contatto e i parametri relativi a partire da misure sperimentali. In particolare le conseguenze e le semplificazioni introdotte dall’approssimazione iperbolica (Cap. 2) sono discusse. Nel quarto capitolo la progettazione dei dispositivi impiegati per la verifica dell’area di iniezione ed i relativi processi di fabbricazione sono descritti. Infine il capitolo 5 riporta i risultati sperimentali, che sono discussi ed analizzati con gli strumenti introdotti nel capitolo 3.