SEMICONDUTTORI ORGANICI PER SEMICONDUTTORI ORGANICI PER L’ELETTRONICAL’ELETTRONICA
Antonio.Cassinese Antonio.Cassinese
CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli FedericoScienze Fisiche Università di Napoli Federico II II
Università di Napoli Università di Napoli “Federico II”“Federico II”
CNR- INFM CNR- INFM COHERENTIACOHERENTIA
Introduzione ai semiconduttori organici Introduzione ai semiconduttori organici
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
PRODOTTI COMMERCIALI – TV OLEDPRODOTTI COMMERCIALI – TV OLED
DALL’AUTUNNO 2008, SONY DALL’AUTUNNO 2008, SONY HA INIZIATO A HA INIZIATO A
COMMERCIALIZZARE LA COMMERCIALIZZARE LA PRIMA TV OLED – (Organic PRIMA TV OLED – (Organic
Light Emitting Diode) Light Emitting Diode) XEL 1: SCHERMO 11’’XEL 1: SCHERMO 11’’
Costo 2.400 euro Costo 2.400 euro
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
GIA’ COMMERCIALIZZATI GIA’ COMMERCIALIZZATI DA TEMPO: DA TEMPO: MINI MINI
DISPLAYS – PER DISPLAYS – PER CELLULARI, OROLOGI E CELLULARI, OROLOGI E
MP3 PLAYERSMP3 PLAYERS
E-PAPER: E-PAPER: FLEXIBLE ACTIVE-MATRIX DISPLAYS – GIORNALE FLEXIBLE ACTIVE-MATRIX DISPLAYS – GIORNALE ELETTRONICO ELETTRONICO
PROSPETTIVA APPLICATIVA: ELECTRONIC PAPERPROSPETTIVA APPLICATIVA: ELECTRONIC PAPER
EX SPIN-OFF DELL’UNIVERSITA’ EX SPIN-OFF DELL’UNIVERSITA’ CAMBRIDGE CAMBRIDGE
Si prevede che la commercilaizzazione inizierà nella primavera Si prevede che la commercilaizzazione inizierà nella primavera 2009. Nuova factory a Dresda – 2009. Nuova factory a Dresda – $$100 mln di investimento100 mln di investimento
http://it.youtube.com/watch?v=rYc4dnVs4RMhttp://it.youtube.com/watch?v=rYc4dnVs4RM
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
MULTIFUNZIOMULTIFUNZIONALITA’NALITA’
FILM FILM SOTTILI SOTTILI
ORGANICIORGANICI
BASSI BASSI COSTICOSTI
Substrati Substrati flessibiliflessibili
Tailoring Tailoring chimico chimico infinitoinfinito
BIOCOMPATIBIOCOMPATIBILITA’BILITA’
Tecniche di Tecniche di printing roll to printing roll to
roll- inkjetroll- inkjet
Sensing chimico, Sensing chimico, biologico, biologico,
Packaging attivoPackaging attivo
Schermi flessibili, Schermi flessibili, Schermi OLEDSchermi OLED
Etichette RFIDEtichette RFID, , Smart objects, Smart objects,
MemorieMemorie
Energia alternativa Energia alternativa Integrazione con Integrazione con inorganici - ibridiinorganici - ibridi
SEMICONDUTTORI ORGANICI: NUOVO SEMICONDUTTORI ORGANICI: NUOVO PARADIGMA PER L’ELETTRONICAPARADIGMA PER L’ELETTRONICA
PROSPETTIVE: (PROSPETTIVE: ($$) !!!!!!) !!!!!!
…….IDTechEx forecast plastic electronics will be a .IDTechEx forecast plastic electronics will be a $48 billion industry $48 billion industry by 2017, by 2017, and could reach as much asand could reach as much as $300 billion by 2027…. $300 billion by 2027….
http:// www.oe-a.nethttp:// www.oe-a.net (Organic Electronics Association) (Organic Electronics Association)http://www.IDtechEx.comhttp://www.IDtechEx.comFONTEFONTE:
EVOLUZIONE DEL MERCATO DELL’ELETTRONICA ORGANICAEVOLUZIONE DEL MERCATO DELL’ELETTRONICA ORGANICA
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Aspetti fondamentali del Aspetti fondamentali del Trasporto di caricaTrasporto di carica
Si definisce organico qualsiasi composto del Carbonio (C) in cui questi abbia Si definisce organico qualsiasi composto del Carbonio (C) in cui questi abbia numero di ossidazione inferiore a +4. Altri atomi componenti: H, N, O e in minor numero di ossidazione inferiore a +4. Altri atomi componenti: H, N, O e in minor misura S, Si . misura S, Si . SOFT MATTER (materia soffice)
REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE DI CARICA : PRESENZA DI REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE DI CARICA : PRESENZA DI LEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIO E FENOMENI DI IBRIDIZZAZIONE LEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIO E FENOMENI DI IBRIDIZZAZIONE
Doppio Legame: Orbitale Doppio Legame: Orbitale σσ e orbitale p (e orbitale p (ππ))
Gli orbitali p danno luogo ad un legame di tipo Gli orbitali p danno luogo ad un legame di tipo ππ formando una “una nuvola” formando una “una nuvola” di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di tipo di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di tipo σσ..
Il legame di tipo p è più debole Il legame di tipo p è più debole del legame di tipo sigma (quindi più reattivodel legame di tipo sigma (quindi più reattivo
Acetilene: CAcetilene: C22HH22
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
TRASPORTO DI CARICA NEGLI ORGANICI – RIASSUMENDO TRASPORTO DI CARICA NEGLI ORGANICI – RIASSUMENDO • Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori organici formano strutture Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori organici formano strutture a stato solido solo parzialmente cristalline – Trasporto in assenza di a stato solido solo parzialmente cristalline – Trasporto in assenza di Bande delocalizzate – Hopping delle cariche – ATTIVAZIONE TERMICA. Bande delocalizzate – Hopping delle cariche – ATTIVAZIONE TERMICA.
• Concentrazioni basse dei portatori di carica- effetti inevitabili di Concentrazioni basse dei portatori di carica- effetti inevitabili di Doping (unintentional) da impurezze.Doping (unintentional) da impurezze.
• Fenomeno dell’iniezione dei portatori ancora non completamente Fenomeno dell’iniezione dei portatori ancora non completamente compreso e ben descritto.compreso e ben descritto.
• Presenza diPresenza di effetti di carica spaziale (localizzazione macroscopica delle effetti di carica spaziale (localizzazione macroscopica delle cariche) e fenomeni di trapping (sia estrinseco che intrinseco).cariche) e fenomeni di trapping (sia estrinseco che intrinseco).
Tutti questi fenomeni sono comuni ai dispositivi organici e ne influenzano la risposta macroscopica. In molti casi, alcuni di essi sono
prevalenti rispetto agli altri e sono tenuti in maggior considerazione.
Macroscopicamente il Macroscopicamente il trasporto di carica trasporto di carica risulta sempre non risulta sempre non
lineare.lineare.
Eenenv J Con n e Con n e µ dipendenti dal campo Eµ dipendenti dal campo E
Es: )exp(*)exp(kTE
kT
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Dispositivi ed applicazioni Dispositivi ed applicazioni principali: esempiprincipali: esempi
NUOVA FRONTIERA- OLED Bianchi: LightningNUOVA FRONTIERA- OLED Bianchi: Lightning
SCHERMI AD OLED: ULTRAPIATTI SCHERMI AD OLED: ULTRAPIATTI
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
OLED vs LCDOLED vs LCD• Assenza di retroilluminazioneAssenza di retroilluminazione
• Angolo di visuale maggiore di 180°Angolo di visuale maggiore di 180°
• Minor consumo di energiaMinor consumo di energia
• Tempi di risposta più rapidi Tempi di risposta più rapidi
• Color tunability Color tunability SVANTAGGI: Lifetime: Degradazione dovuta ad ossigeno e umidità – SVANTAGGI: Lifetime: Degradazione dovuta ad ossigeno e umidità –
Necessità di incapsulamento – Aumento dei costi.Necessità di incapsulamento – Aumento dei costi.
ALTA EFFICIENZA DI EMISSIONE: RISPARMIO ALTA EFFICIENZA DI EMISSIONE: RISPARMIO ENEREGETICO ENEREGETICO
ORGANIC SOLAR CELLSORGANIC SOLAR CELLS
Efficienza e’ ancora bassa 4-5% come migliore risultato , ma in linea di Efficienza e’ ancora bassa 4-5% come migliore risultato , ma in linea di principio e’ possibile ricoprire di OSC aree molto piu’ grandi : mattonelle, principio e’ possibile ricoprire di OSC aree molto piu’ grandi : mattonelle,
intere pareti di edifici ecc. intere pareti di edifici ecc.
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Struttura simile ad Oled (multilayer): comportamento Duale – i fotoni Struttura simile ad Oled (multilayer): comportamento Duale – i fotoni incidenti generano cariche, con passaggio di corrente incidenti generano cariche, con passaggio di corrente
Tipologie:Tipologie:
-Celle completamente organiche Celle completamente organiche (heterojunction)(heterojunction)
- Celle ibride organiche-Celle ibride organiche-inorganiche (TiO2 es.)inorganiche (TiO2 es.)
- Celle Dye sensitizedCelle Dye sensitized
DISPOSITIVI ORGANICI BISTABILI: APPLICAZIONI DI MEMORIADISPOSITIVI ORGANICI BISTABILI: APPLICAZIONI DI MEMORIA
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Resistive Random Access Memory
Glass Substrate
Ps +Au-DT NPs + 8HQ
Al
Al
PRINCIPALI TIPOLOGIEPRINCIPALI TIPOLOGIE
• Singoli layer o multilayer di Singoli layer o multilayer di oligomeri o polimeri tra elettrodi oligomeri o polimeri tra elettrodi metallicimetallici
• Filler conduttivi (MNP, molecole Filler conduttivi (MNP, molecole coniugate) in matrici organiche coniugate) in matrici organiche isolanti o semi-isolantiisolanti o semi-isolanti
UNDER DEBATEUNDER DEBATE
EFFETTI INTRINSECI : Coniugazione e/o EFFETTI INTRINSECI : Coniugazione e/o orientazione delle molecole in funzione del orientazione delle molecole in funzione del campo Applicato- Effetti di trasferimento di campo Applicato- Effetti di trasferimento di caricacarica
EFFETTI ESTRINSECIEFFETTI ESTRINSECI
Contributo degli Elettrodi (Al), formazione di Contributo degli Elettrodi (Al), formazione di stati sottili di ossidi, Conduzione filamentare.stati sottili di ossidi, Conduzione filamentare.
Oltre le memorie attuali – TREND GENERALE: verso un dispostivo di memoria Oltre le memorie attuali – TREND GENERALE: verso un dispostivo di memoria che combini la che combini la velocità delle DRAMvelocità delle DRAM, la , la non volatilità delle FLASH memorynon volatilità delle FLASH memory, il , il
basso costo, la densità di storage e l’endurance degli HARD DISKbasso costo, la densità di storage e l’endurance degli HARD DISK.
Spintronica organica: Trasporto di spin nei semiconduttori organici Spintronica organica: Trasporto di spin nei semiconduttori organici – Dispostivi magnetoresistivi– Dispostivi magnetoresistivi
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
I materiali organici permettono di preservare meglio la corenza di spin I materiali organici permettono di preservare meglio la corenza di spin rispetto agli altri semiconduttori (low spin orbit coupling).rispetto agli altri semiconduttori (low spin orbit coupling).
ALTRI DISPOSTIVI ORGANICI MAGNETORESISTIVI: OMAR (senza uso di ALTRI DISPOSTIVI ORGANICI MAGNETORESISTIVI: OMAR (senza uso di elettrodi ferromagnetici). MR response a temperatura ambiente con alti elettrodi ferromagnetici). MR response a temperatura ambiente con alti
campi elettrici applicati – ORIGINE IN DISCUSSIONE !!!campi elettrici applicati – ORIGINE IN DISCUSSIONE !!!
Z.H. Xiong Z.H. Xiong et et al., Nature 427, 821 al., Nature 427, 821 (2004)(2004)
Alq3Alq3
SPIN VALVE: elettrodi SPIN VALVE: elettrodi ferromagnetici ferromagnetici
V=0.1VoltV=0.1Volt
MR a bassi MR a bassi campi e basse Tcampi e basse T
Organic Field Effect TransistorsOrganic Field Effect Transistors
((a) Top Contact / Bottom Gate (TC/BG)a) Top Contact / Bottom Gate (TC/BG)(b) Bottom Contact / Bottom Gate (BC/BG)(b) Bottom Contact / Bottom Gate (BC/BG)(c) Bottom Contact / Top Gate (BC/TG)(c) Bottom Contact / Top Gate (BC/TG)
STRUTTURE STRUTTURE OFET - TFTOFET - TFT
MOSFETMOSFET
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
DIFFERENZE PRINCIPALIDIFFERENZE PRINCIPALI
• MOSFET basato sul fenoemno dell’inversione – OFET su accumulazione, meccanismo MOSFET basato sul fenoemno dell’inversione – OFET su accumulazione, meccanismo intrinsecamente non lineare – FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente intrinsecamente non lineare – FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente critico)critico)
• Semiconduttori organici undoped, tuttavia mostrano un comportamento intrinsecamente Semiconduttori organici undoped, tuttavia mostrano un comportamento intrinsecamente di tipo p o n (meno raramente)di tipo p o n (meno raramente)
• Drain e Source metallici (resistenze di contatto)Drain e Source metallici (resistenze di contatto)
• Mobilità dei portatori dipendente dalla tensione di gate applicata (da densità dei Mobilità dei portatori dipendente dalla tensione di gate applicata (da densità dei portatori) portatori)
Nonostante le notevoli differenze, le equazioni della corrente INonostante le notevoli differenze, le equazioni della corrente IDSDS=f(V=f(VDSDS, V, VGSGS) )
negli OFET (in prima approssimazione) sono identiche a quelle dei negli OFET (in prima approssimazione) sono identiche a quelle dei MOSFET – (cambia il significato fisico della threshold voltage)MOSFET – (cambia il significato fisico della threshold voltage)
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica Organic Field Effect TransistorsOrganic Field Effect Transistors
)(* thGDSi
DS VVVL
WCI
LINEARE VLINEARE VGSGS>V>VDSDS
2)(*2 thG
i
DSVV
LWC
I SATURAZIONE SATURAZIONE VVGSGS=V=VDSDS
Output curves: IDS vs VDS at different Vg Transfer curve: IDS vs Vg at fixed VDS
Mobilità FET compresa tra 10Mobilità FET compresa tra 10-4-4 cm cm22/V*s per fet polimerici amorfi a circa /V*s per fet polimerici amorfi a circa 30 cm30 cm22/V*s per fet con cristalli molecolari (RUBRENE)- /V*s per fet con cristalli molecolari (RUBRENE)- [aSi [aSi ~~1 cm1 cm22/V*s]/V*s]
APPLICAZIONI O-FETAPPLICAZIONI O-FET
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Circuiti raddrizzatori e logiche circuitali basate sul transistor organici – Frequenze operative richieste fino a 13.56 MHz – Ottimizzazione della mobilità
e del layout del dispositivo
Radio Frequency Identification Tag (O-RFID)
Price-sensitive mass markets
O-LET: Organic Light Emitting Transistors (Oled+Ofet)
Trasporto ambipolare: per una stessa Trasporto ambipolare: per una stessa polarità di Vpolarità di VDSDS e V e VGSGS vengono accumulati vengono accumulati
sia elettroni che lacune che poi si sia elettroni che lacune che poi si ricombinano emettendo lucericombinano emettendo luce
(MOLTI APPROCCI DIFFERENTI – (MOLTI APPROCCI DIFFERENTI – DIFFICILE OTTIMIZZAZIONEDIFFICILE OTTIMIZZAZIONE)Smart pixelSmart pixel
SENSORI DI GAS: Esempi in letteraturaSENSORI DI GAS: Esempi in letteratura
Upon exposure to a saturated Upon exposure to a saturated atmosphere of 1-pentanol in Natmosphere of 1-pentanol in N22
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
APPLICAZIONI O-FET: SENSORIAPPLICAZIONI O-FET: SENSORI
SENSORI DI PRESSIONE: Esempi in letteraturaSENSORI DI PRESSIONE: Esempi in letteratura
The robot skinThe robot skin
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Tecniche di deposizione in Tecniche di deposizione in vuoto e sistemi di vuoto e sistemi di
caratterizzazione elettricacaratterizzazione elettrica
SISTEMA DI DEPOSIZIONE OMBD (Organic Molecular Beam Deposition)SISTEMA DI DEPOSIZIONE OMBD (Organic Molecular Beam Deposition)
Deposizione di film organici con evaporazione da Celle KnudsenDeposizione di film organici con evaporazione da Celle Knudsen
1010-7-7/ 10/ 10-8-8mbarmbar
CELLE DI KNUDSENCELLE DI KNUDSEN
CONTROLLO ACCURATO DELLA TEMPERATURA DEL CONTROLLO ACCURATO DELLA TEMPERATURA DEL SUBSTRATO E DEL RATE DI CRESCITA (Tickness Monitor)SUBSTRATO E DEL RATE DI CRESCITA (Tickness Monitor)
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
SISTEMA DI DEPOSIZIONE MAPLESISTEMA DI DEPOSIZIONE MAPLE• TECNICA PLD (Pulse Laser Deposition) – Approccio MAPLE – Deposizione TECNICA PLD (Pulse Laser Deposition) – Approccio MAPLE – Deposizione
di polimeri usando come target una soluzione congelata di polimeri usando come target una soluzione congelata
frozentarget
(heated)substrate
pulsedlaser beam
frozentarget
(heated)substrate
pulsedlaser beam
Semiconducting polymers: Semiconducting polymers: Poly[2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-1,4-Poly[2-methoxy-5-(2’-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] (MEH-PPV) - Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)phenylene vinylene] (MEH-PPV) - Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)
Biological polymers (biomedical, electronic, chemical sensing applications): Biological polymers (biomedical, electronic, chemical sensing applications): Polyethylene glycol (PEG) - Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) - Horseradish Polyethylene glycol (PEG) - Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) - Horseradish peroxidase (HRP)peroxidase (HRP)
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale)TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale)
USO DI MASCHEREUSO DI MASCHERE
POLIMERI FOTOSENSIBILI POLIMERI FOTOSENSIBILI (FOTORESIST)(FOTORESIST)
per la realizzazione di dispositivi/circuiti con la risoluzione del per la realizzazione di dispositivi/circuiti con la risoluzione del μμm m su metalli, semiconduttori inorganici, superconduttori su metalli, semiconduttori inorganici, superconduttori
ATTACCHI CHIMICI ATTACCHI CHIMICI SELLETTIVISELLETTIVI
maschera
resist
Illuminazione UV
3.5 mmGeometria del canale variabileGeometria del canale variabile
TECNICHE DI SOFT LITOGRAPHYTECNICHE DI SOFT LITOGRAPHY MICROCANALI IN MATRICE DI PDMS (Studio di Microemoreologia) – in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli– in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli))
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
PROBE STATION CROGENICAPROBE STATION CROGENICA
TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIETA’ ELETTRICHETECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIETA’ ELETTRICHE
• Misure DC – AC (frequenza fino a 3GHz) su film sottili e materiali bulkMisure DC – AC (frequenza fino a 3GHz) su film sottili e materiali bulk
• Conducibilità dai semi-isolanti (10Conducibilità dai semi-isolanti (10-10 -10 S/cm) ai superconduttoriS/cm) ai superconduttori
• Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K (-268.8 °C)Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K (-268.8 °C)
• Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte)Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte)
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
TECNICHE DI CARATTERZZAZIONE STRUTTURALE DEI FILM DEPOSITATITECNICHE DI CARATTERZZAZIONE STRUTTURALE DEI FILM DEPOSITATI
• CARATTERIZZAZIONE AFM E RAGGI XCARATTERIZZAZIONE AFM E RAGGI X
• Analisi FTIR (fornisce informazioni sulla struttura a corto raggio del Analisi FTIR (fornisce informazioni sulla struttura a corto raggio del polimero)polimero)
• Analisi UV/VIS (fornisce informazioni sull’ordine strutturale del Analisi UV/VIS (fornisce informazioni sull’ordine strutturale del polimero nel film)polimero nel film)
600 900 1200 1500 1800 2700 3000 3300 3600
Solution Cast Maple 150°C Maple and annealing 150°C
Abs
orba
nce
Wavenumber (cm-1)wavenumber (cm-1)
abso
rban
ce
Analisi FTIR
200 300 400 500 600 700 800
180°C 150°C 80°C 30°C 25°C Spin Coating CHCl
3 solution
Abso
rban
ce
Wavelength (nm)
Analisi UV/VIS
wavelength (nm)200 400 600 800
abso
rban
ce
transition peaks
main chains(VIS)
side chains (UV)
MAPLEMAPLE deposited poly[3-(4-octyloxyphenyl) thiophene film deposited poly[3-(4-octyloxyphenyl) thiophene film
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Transistor organici (OFET): Transistor organici (OFET): attività di ricerca e linee di attività di ricerca e linee di
svilupposviluppo
PRINCIPALI ATTIVITA’ FET ORGANICIPRINCIPALI ATTIVITA’ FET ORGANICI Deposizione film, caratterizzazione strutturale e analisi delle proprietà elettrica DC di fet oligomerici (Pentacene, Sexitiofene (T6) (Ptype), Deposizione film, caratterizzazione strutturale e analisi delle proprietà elettrica DC di fet oligomerici (Pentacene, Sexitiofene (T6) (Ptype),
Perilene (Ntype)) e polimerici (P3HT, da soluzione e con tecnica MAPLE)Perilene (Ntype)) e polimerici (P3HT, da soluzione e con tecnica MAPLE)
Analisi dei fenomeni di Bias stress nei transistor organici.Analisi dei fenomeni di Bias stress nei transistor organici.
Sviluppo Tecniche di Spettroscopia di Impedenza per lo studio della risposta in frequenza dei FET organici.Sviluppo Tecniche di Spettroscopia di Impedenza per lo studio della risposta in frequenza dei FET organici.
Tecniche Termografiche per analisi della distribuzione di corrente nei fet organici.Tecniche Termografiche per analisi della distribuzione di corrente nei fet organici.
Analisi della risposta dei fet in presenza di luce: fenomeni di trapping.Analisi della risposta dei fet in presenza di luce: fenomeni di trapping.
Analisi di biocompatibilità dei film organici con sistemi cellulari Analisi di biocompatibilità dei film organici con sistemi cellulari in vitroin vitro - integrazione di FET con canali microfluidici. Sensing biologico. - integrazione di FET con canali microfluidici. Sensing biologico.
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia” Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia”
OLIGOMERI– OLIGOMERI– (Evaporazione per celle di Knudsen 10(Evaporazione per celle di Knudsen 10-7 -7 1010-8-8 mbar ) mbar )
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
T6 - Sexithiophene - T6 - Sexithiophene - CC2424HH1414SS6 6 µ µ
~ 10~ 10-2-2 cm cm22/volt*sec/volt*sec PENTACENE - PENTACENE - CC2222HH14 14 µ µ
~ 10~ 10-1-1 cm cm22/volt*sec/volt*sec
P-TYPEP-TYPE
N,N’-dioctyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide PTCDI-C8HN,N’-dioctyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide PTCDI-C8H
µ ~ 10µ ~ 10-1-1 cm cm22/volt*sec/volt*sec – (instabile in aria) – (instabile in aria)
N-TYPEN-TYPE
MORFOLOGIA: CARATTERIZZAZIONE AFM e X-raysMORFOLOGIA: CARATTERIZZAZIONE AFM e X-rays
FILM POLICRISTALLINI (es.T6)FILM POLICRISTALLINI (es.T6) X - RAYSX - RAYS
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
(Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione) (Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione)
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
SEXITHIOPHENESEXITHIOPHENEAFMAFMstep-like islands
TSUB Effect
lamellaeRounded-shape grains
200°C40<T<80°CRT 100<T<150°C
0.12 ML/min (terraces) (2D) 7.65 ML/min (grains) (3D)3 ML/min (dendritic)
PENTACENEPENTACENEGrowth rateGrowth rate effecteffect TTSUB SUB =60 °C=60 °C
Bottom contact, bottom gate Bottom contact, bottom gate Substrato di SiOSubstrato di SiO22, contatti interdigitati d’oro, 2 dispositivi differenti , contatti interdigitati d’oro, 2 dispositivi differenti
per lunghezza L (20 μm e 40 μm) e larghezza di canale (rapporto per lunghezza L (20 μm e 40 μm) e larghezza di canale (rapporto W/L costante) – STESSA CORRENTE TEORICAW/L costante) – STESSA CORRENTE TEORICA
L= 40 L= 40 µm (C,D) - L=20 µm (C,D) - L=20 µmµm (A,B)(A,B)W/L= 550 W/L= 550 (A, B, C, D)(A, B, C, D)
AA BB
CC DD
GOLDGOLD
SiO2 (200nm) – Ossido termicoFILM ORGANICOFILM ORGANICO
SOURCESOURCE
Si++ (GATE)
DRAIN DRAIN
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
STRUTTURA DEI FETSTRUTTURA DEI FET
ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6
-50 -40 -30 -20 -10 0
-2,4x10-5
-1,8x10-5
-1,2x10-5
-6,0x10-6
0,0
DR
AIN
SO
RC
E C
UR
RE
NT
[A
MP
ER
E]
DRAIN SOURCE VOLTAGE [VOLT]
vG=0 vG=-10 vG=-20 vG=-30 vG=-40 vG=-50
-60 -40 -20 0 20 40 60-5,0x10-4
-4,0x10-4
-3,0x10-4
-2,0x10-4
-1,0x10-4
0,0
ARIA VUOTO
DR
AIN
SO
UR
CE
CU
RR
EN
T [
AM
PE
RE
]
GATE VOLTAGE [volt]
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
0 20 40 60 80 100 120 140
10-3
10-2
mo
bili
ty [
cm2 /v
olt
*sec
]
Thickness (nm)
lineare saturazione
LineareLineare
SaturazioneSaturazione
-60 -40 -20 0 20 40 60
0,0
5,0x10-6
1,0x10-5
1,5x10-5
2,0x10-5 VDS=-5 volt
- D
RA
IN S
OR
UC
E C
UR
RE
NT
[A
MP
ER
E]
- GATE VOLTAGE
Room Temperature T=270 K T=250 K T=230 K T=210 K T=190 K T=170 K T=150 K T=130 K T=110 K T=100 K T=90 K T=80 K T=70 K
-40 0 4010-11
1x10-10
1x10-9
1x10-8
1x10-7
1x10-6
1x10-5
1x10-4
VDS=-5 volt
- D
RA
IN S
OR
UC
E C
UR
RE
NT
[A
MP
ER
E]
- GATE VOLTAGE
0,004 0,008 0,01210-5
10-4
10-3
10-2
MO
BIL
ITY
[c
m2 /v
olt
*se
c]
Temperature-1 [K-1]
Ahrrenius LawAhrrenius Law
Activation energy Activation energy Ea = 60 – 90 meVEa = 60 – 90 meV
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6 (Temperatura)ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6 (Temperatura)
β=parametro di dispersione, τ =tempo di rilassamentoβ=parametro di dispersione, τ =tempo di rilassamento
Fenomeno legato all’intrappolamento progressivo delle cariche libere, β e τ legate alla distribuzione delle Fenomeno legato all’intrappolamento progressivo delle cariche libere, β e τ legate alla distribuzione delle trappoletrappole
Shift della Treshold voltage Shift della Treshold voltage (tensione di soglia) dovuto alla (tensione di soglia) dovuto alla
polarizzazione continua dl polarizzazione continua dl dispositivodispositivo
)(* thGDSi
DS VVVL
WCI
In caso di polarizzazione In caso di polarizzazione continua, il bias stress continua, il bias stress
produce un decadimento della produce un decadimento della corrente con il tempocorrente con il tempo
11
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
FENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANIC – BIAS STRESSFENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANIC – BIAS STRESS
Fenomeno comune ad altri Fenomeno comune ad altri semiconduttori amorfi o semiconduttori amorfi o
policristallini – (policristallini – (ααSi)Si)
Massima diminuzione tollerabile Massima diminuzione tollerabile intorno al 10 % intorno al 10 %
PIXELPIXEL
Caso praticoCaso pratico
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
FENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANICI FENOMENI DI INSTABILITA’ NEI FET ORGANICI – BIAS STRESS– BIAS STRESS
MINIMIZZARE L’EFFETTO – COMPRENSIONE DELL’ORIGINE FISICAMINIMIZZARE L’EFFETTO – COMPRENSIONE DELL’ORIGINE FISICA
0 900 1800 27005,0x10-6
1,0x10-5
1,5x10-5
2,0x10-5
2,5x10-5
cu
rren
t (A
)
Time (sec)
d=90nm Misure d=90 nm FIT MINUIT d=10 nm Misure d=10 nm FIT MINUIT11
Correlazione di Correlazione di ββ e e con parametri di con parametri di
deposizionedeposizione
(GATE)DRAINDRAIN
Organic
Dielectric
SOURCESOURCE LCR meter
VVacac*sin(*sin(ωωt)+Vt)+Vdcdc-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
8.80x10-10
9.00x10-10
9.20x10-10
9.40x10-10
9.60x10-10
9.80x10-10
1.00x10-9
1.02x10-9
1.04x10-9
1.06x10-9
Accumulation
Freq=100Hz
CA
PA
CIT
AN
CE
[F
arad
]
Bias voltage [Volt]
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
RISPOSTA AC DEI FET ORGANICIRISPOSTA AC DEI FET ORGANICI
102 103 104 105
8.0x10-10
9.0x10-10
1.0x10-9
VG=-40
VG=-35
VG=-30
VG=-25
VG=-20
VG=-15
VG=-10
VG=+20
VG=+40
CA
PA
CIT
AN
CE
[F
AR
AD
]
FREQUENCY [Hz]
102 103 104 105
8.0x10-10
9.0x10-10
1.0x10-9
Fc=3.7KHz
Vg=-40
CA
PA
CIT
AN
CE
[F
AR
AD
]
Frequency [Hz]
MAX FREQ. OPERATIVAMAX FREQ. OPERATIVA
Open circuit at L/2Open circuit at L/2
MOD 1MOD 1
Trans. LineTrans. Line
RcCc
RcCc
MOD 2MOD 2
Trans. LineTrans. Line
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
RISPOSTA AC DEI FET ORGANICIRISPOSTA AC DEI FET ORGANICI
Tool for Contact Resistance extractionTool for Contact Resistance extraction
-40 -35 -30 -25 -20 -15
105
106
CO
NT
AC
T -
CH
AN
NE
L R
ES
[]
GATE VOLTAGE [VOLT]
Valori RCH
capacità Valori R
C capacità
103 104 1050.0
2.0x10-11
4.0x10-11
6.0x10-11
8.0x10-11
1.0x10-10
1.2x10-10
1.4x10-10
1.6x10-10
Vg=-40 Vg=-35 Vg=-30 Vg=-25 Vg=-20 Vg=-15
ANGULAR FREQUENCY [s-1]
Cap
acit
ance
[F
arad
]
TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI CORRENTE IN FET ORGANICICORRENTE IN FET ORGANICI
Prof. G. BREGLIO, Prof. A. IRACEProf. G. BREGLIO, Prof. A. IRACE
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
50 100 150 200 250 300
50
100
150
200
250
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10-4
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI CORRENTE IN FET ORGANICICORRENTE IN FET ORGANICI
, ,TOT
T x y T x y
TOT
A AFF
A
,
1h c hFF
FILL FACTOR – CORREZIONE CALCOLO DELLA MOBILITA’FILL FACTOR – CORREZIONE CALCOLO DELLA MOBILITA’
VVGSGS=-50V=-50V
VVDSDS=-50V=-50V
INTERAZIONE LUCE E FET ORGANICI – FENOMENI DI TRAPPINGINTERAZIONE LUCE E FET ORGANICI – FENOMENI DI TRAPPING
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronica
P TYPEP TYPE
-20 0 20 40
10-8
10-7
10-6
1x10-5
1x10-4
10-3
10-2
10-1
VDS
=50 Volt
Oscurità Sotto un'illuminazione di 20 min Oscurità dopo 60 min da illuminazione
DR
AIN
SO
UR
CE
CU
RR
EN
T [
Am
pere
]
Gate voltage [volt]
PERYLENE - N TYPEPERYLENE - N TYPE
Misura in vuoto Misura in vuoto Effetto MemoriaEffetto Memoria
FET ORGANICI: compatibilità con la vita di cellule umane !!!FET ORGANICI: compatibilità con la vita di cellule umane !!!CELLULE CELLULE
NEURONALINEURONALI
Interfacce
Neuro-elettroniche
Rilevazione e trasduzione
segnali neuronali
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaFET ORGANICI – BIOSENSORIFET ORGANICI – BIOSENSORI
In collaborazione con gruppo Prof. In collaborazione con gruppo Prof. S. Guido – Dip, Ingegneria ChimicaS. Guido – Dip, Ingegneria Chimica
ANALISI DELLA DEGRADAZIONE IN ACQUA DI FET DI T6
STUDIO PRELIIMINARE: SAGGI DI TOSSICITA’ DI FIBROBLASTI SU FET DI T6
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaFET ORGANICI – BIOSENSORIFET ORGANICI – BIOSENSORI
-30 0 30
10-9
10-8
10-7
10-6
T=0 dopo 64 ore dopo 114 ore dopo 232 ore dopo 302 ore
DR
AIN
SO
UR
CE
CU
RR
EN
T [
Am
pere
]
GATE VOLTAGE [Volt]0 100 200 300
5.0x10-4
1.0x10-3
1.5x10-3
2.0x10-3 IN ZONA LINEARE
Mo
bili
ty [
cm2 /v
olt
*sec
]
Time [Hours]
9 micron
t = 0 secondi
t = 0.01 secondi
t = 0.02 secondi
100 micron
a)
Si doped GateSi doped Gate
Organic Organic filmfilm
PDMS micro- channelPDMS micro- channel
Micro-fluidMicro-fluid
ATTIVITA’ DA SVILUPPAREATTIVITA’ DA SVILUPPARE
Semiconduttori organici per elettronicaSemiconduttori organici per elettronicaFET ORGANICI – INTEGRAZIONE CON MICROFLUIDICAFET ORGANICI – INTEGRAZIONE CON MICROFLUIDICA
FET ORGANICI – LINEE DI RICERCAFET ORGANICI – LINEE DI RICERCA
FET FET ORGANICIORGANICI
Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia” Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia”
Sintesi e studio di nuovi materiali Sintesi e studio di nuovi materiali ottimizzazione processo di deposizione ottimizzazione processo di deposizione Caratterizzazioni strutturali Caratterizzazioni strutturali AFM/EFMAFM/EFM
Prof. Roviello – Dott. Marco Salluzzo
Obiettivo: n type Obiettivo: n type stabile in ariastabile in aria
Implementazione nuove tecniche di Implementazione nuove tecniche di misura: Tecniche AC, Misure di misura: Tecniche AC, Misure di
Rumore, Sviluppo Tecniche Rumore, Sviluppo Tecniche Termografia Termografia
Prof. G. Breglio, Prof. A. Irace
Obiettivo:Modeling Obiettivo:Modeling elettrico dei dispositivielettrico dei dispositivi
Verifica utilizzo OFET come Verifica utilizzo OFET come bioesensori - integrazione con bioesensori - integrazione con sistemi microfluidicisistemi microfluidici
Prof. S. Guido, Dott. F. Biscarini (CNR_ISMN Bologna) –
Obiettivo: Interfacce Obiettivo: Interfacce neuroelettronicheneuroelettroniche
Studio interazione OFET con Studio interazione OFET con luce e tecniche di analisi luce e tecniche di analisi
ottiche innovative.ottiche innovative.
Prof. L. Vicari – F. Bloisi
Obiettivo: Studio dei Obiettivo: Studio dei meccanismi di trappingmeccanismi di trapping
SVILUPPI – PROSPETTIVESVILUPPI – PROSPETTIVE - LAVORO- LAVORO
FET ORGANICI – LINEE DI RICERCAFET ORGANICI – LINEE DI RICERCADip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia” Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM “Coherentia”
PEOPLE INVOLVEDPEOPLE INVOLVED
• Antonio Cassinese – Researcher (Group Leader)Antonio Cassinese – Researcher (Group Leader)
• Carmela Aruta – CNR researcher Carmela Aruta – CNR researcher
• Pasquale D’Angelo – Phd Pasquale D’Angelo – Phd
• Flavia Viola Di Girolamo - Flavia Viola Di Girolamo -
• Tommaso Viggiano – Tommaso Viggiano –
Top Related