Efeitos de gases ambientais no desempenho elétrico de transistores de filme fino C8-BTBT processados por solução

Resumo

Realizamos um estudo sistemático da influência das condições ambientais nas características de desempenho elétrico de transistores de película fina de 2,7-dioctil [1] benzotieno [3,2-b] [1] -benzotiofeno (C8-BTBT) processados em solução (TFTs). Quatro condições de exposição ambiental foram consideradas:alto vácuo (HV), O ₂ , N ₂ , e ar. Os dispositivos expostos a O ₂ e N ₂ por 2 h realizado de forma semelhante ao do dispositivo mantido em HV. No entanto, o dispositivo exposto ao ar por 2 h exibiu propriedades elétricas significativamente melhores do que suas contrapartes. A média e a maior mobilidade do portador dos 70 TFTs C8-BTBT expostos ao ar foram 4,82 e 8,07 cm ² V ^-1 s ^-1 , respectivamente. Isso pode ser comparado a 2,76 cm ² V ^-1 s ^-1 e 4,70 cm ² V ^-1 s ^-1 , respectivamente, para os 70 aparelhos mantidos em AT. Além disso, a estabilidade do ar do dispositivo foi investigada. O desempenho elétrico dos TFTs C8-BTBT degrada após longos períodos de exposição ao ar. Nosso trabalho aprimora o conhecimento do comportamento e dos mecanismos de transporte de carga em OTFTs C8-BTBT. Ele também fornece idéias que podem ajudar a melhorar ainda mais o desempenho elétrico do dispositivo.

Introdução

Devido às vantagens de baixa temperatura de deposição, alta flexibilidade mecânica, baixo custo e grande área de produção, materiais semicondutores orgânicos foram amplamente investigados para várias aplicações de dispositivos eletrônicos, como diodos emissores de luz orgânicos, dispositivos fotovoltaicos orgânicos e campos orgânicos. transistores de efeito [1,2,3,4]. Os semicondutores orgânicos podem ser divididos em duas categorias principais:polímeros conjugados e semicondutores orgânicos de pequenas moléculas [3]. Em comparação com os polímeros conjugados, os semicondutores orgânicos de moléculas pequenas oferecem altos graus de ordenação, densidade de empilhamento e pureza do material. Essas vantagens facilitam a fabricação de dispositivos de alto desempenho [5,6,7,8]. C8-BTBT é um material semicondutor orgânico de pequena molécula representativo [5]. Extensas pesquisas foram realizadas para estudar seus mecanismos de transporte de carga [9], métodos de fabricação de baixo custo [10, 11], crescimento e formação da microestrutura em vários substratos [12,13,14], características de contato metal / semicondutor [15, 16 ], e estratégias para aumentar a mobilidade de seu portador [11, 17,18,19]. Até o momento, não há um estudo sistemático sobre o impacto dos gases ambientais no desempenho elétrico de dispositivos baseados em C8-BTBT. Por um lado, mudanças ambientalmente induzidas nas características de desempenho elétrico de tais dispositivos orgânicos são um problema crítico que deve ser resolvido para fornecer operação estável para futuras aplicações comerciais. Por outro lado, tais efeitos implicam no potencial de uso de dispositivos baseados em C8-BTBT como sensores de gás.

Neste estudo, filmes semicondutores orgânicos C8-BTBT foram fabricados via processamento de solução. As propriedades elétricas dos OTFTs baseados em C8-BTBT foram investigadas em vários gases ambientais. Os C8-BTBT OTFTs exibiram suas maiores mobilidades de portadora (~ 8 cm ² V ^-1 s ^-1 ) após exposição ao ar por 2 h. Supõe-se que isso esteja intimamente relacionado à umidade do ar. O estudo também revelou que mudanças na estrutura molecular interna desempenham papéis importantes no desempenho elétrico dos OTFTs. O presente trabalho não apenas aprofundou o entendimento sobre os mecanismos de transporte de carga e mudanças estruturais em filmes C8-BTBT, mas também fornece novas idéias para melhorar ainda mais seus desempenhos elétricos.

Métodos

C8-BTBT Deposição e fabricação de dispositivos OTFT

Um wafer de silício tipo p altamente dopado (100) com um SiO oxidado termicamente 50 nm ₂ camada foi usada como o substrato para a preparação do transistor de filme fino orgânico. O wafer de Si foi usado como eletrodo de porta inferior, e o SiO ₂ camada atuou como o isolador da porta. Os substratos foram limpos com acetona, isopropanol e água deionizada por 5 min cada, usando um limpador ultrassônico. Para garantir que as superfícies do substrato estavam limpas e secas, os substratos foram secos em uma placa quente ao ar por 15 min a 120 ° C. A fim de alterar a hidrofobicidade da superfície, todas as amostras receberam um tratamento de ozônio UV por 1 min. Este tempo de tratamento foi escolhido com base em nossos resultados anteriores [10]. Em um estudo anterior, um C8-BTBT OTFT exposto a 1 min de tratamento de superfície UV exibiu melhor desempenho elétrico do que aqueles expostos a outras durações de tratamento UV ou tratamento não UV. A camada semicondutora orgânica foi feita de C8-BTBT de alta pureza (≥ 99%) (Sigma-Aldrich) e PMMA (Aladdin) dissolvido em clorobenzeno. A solução (0,5% em peso de C8-BTBT e 0,5% em peso de PMMA) foi revestida por rotação em 50 nm de SiO ₂ substrato p ++ coberto (2000 rpm por 40 s). Cada ciclo de spin-coating produziu uma camada de 45 nm de filme C8-BTBT. Após o recozimento a 60 ° C por 2 h ao ar, MoO ₃ (5 nm) foi depositado por evaporação térmica através de uma máscara de metal. Esta camada de buffer foi projetada para reduzir a barreira de contato entre o eletrodo Au e o semicondutor C8-BTBT e para melhorar a injeção de carga. Finalmente, os eletrodos de fonte e dreno de Au (40 nm) foram fabricados via evaporação térmica usando o mesmo MoO ₃ máscara de sombra. Os dispositivos de transistor resultantes tinham vários comprimentos de canal que variaram de 50 a 350 μm, mas a mesma largura de canal de 1200 μm.

Caracterização de material e dispositivo

Um analisador de dispositivo semicondutor Agilent B1500A foi usado para medir o desempenho elétrico do dispositivo. Morfologias de superfície e rugosidade foram observadas por meio de microscopia de força atômica em modo tapping (Asylum Research). As caracterizações de espectroscopia Raman foram realizadas usando um microscópio Renishaw in Via Raman. A espessura da camada C8-BTBT foi medida usando um elipsômetro.

Antes de suas medições de desempenho elétrico, os dispositivos foram armazenados em condições ambientais específicas (alto vácuo, N ₂ , O ₂ , ar) por 2 h para que fiquem totalmente expostos aos gases desejados. Por conveniência, os dispositivos expostos a alto vácuo (1,3 × 10 ⁻⁵ Torr), N ₂ , O ₂ , e o ar será referido como HV, N ₂ , O ₂ , e dispositivos de ar, respectivamente. Para cada condição ambiental ou gás ambiente, 70 dispositivos foram medidos a fim de produzir resultados de desempenho elétrico confiáveis e estatisticamente significativos. Além disso, o desempenho elétrico de uma amostra foi monitorado em função do tempo de exposição ao ar para estudar sua estabilidade no ar.

Resultados e discussão

A estrutura da seção transversal do dispositivo OTFT é mostrada esquematicamente na Fig. 1a. De baixo para cima, consiste em um substrato de Si altamente dopado, 50 nm de óxido de silício, 45 nm de filme C8-BTBT e Au (40 nm) / MoO ₃ (5 nm) eletrodos. Au / MoO ₃ eletrodos fonte / dreno foram usados para reduzir a barreira de contato entre os eletrodos Au e C8-BTBT, o que pode ajudar a aumentar a eficiência de injeção de carga e produzir dispositivos de alta mobilidade [10]. A Figura 1b mostra as estruturas moleculares de C8-BTBT, MoO ₃ e PMMA. Deve-se notar que PMMA foi adicionado ao C8-BTBT para fazer uma solução mista em nosso trabalho. Misturar um polímero em um semicondutor orgânico de pequena molécula é um método comum para melhorar o desempenho elétrico de um semicondutor orgânico. Ajuda a formar um filme semicondutor liso e contínuo. Além disso, as diferenças na massa induzem a separação de fase vertical, que deve reduzir o número de armadilhas de superfície no semicondutor [19]. Uma imagem de morfologia de superfície AFM do filme fino C8-BTBT é mostrada na Fig. 1c. Indica grande tamanho de grão, boa continuidade de superfície e uma morfologia de superfície lisa (valor RMS 2,081 nm). A Figura 1d mostra diagramas esquemáticos dos procedimentos de teste usados com amostras que foram expostas a HV, nitrogênio, oxigênio e ar. Para cada gás ambiente, 70 dispositivos foram medidos após 2 h de exposição.

(Cor online) ( a ) Um diagrama esquemático da estrutura do dispositivo. ( b ) As estruturas moleculares do C8-BTBT, óxido de molibdênio e PMMA usados no experimento. ( c ) Imagem de morfologia de superfície AFM do filme C8-BTBT indicando um pequeno valor RMS de 2,08 nm. ( d ) Procedimentos de teste usados para medir as características de desempenho elétrico de 70 unidades de cada tipo de dispositivo (alto vácuo, atmosfera de nitrogênio, atmosfera de oxigênio e atmosfera de ar)

Para esclarecer como os diferentes gases ambientais afetam o desempenho elétrico do dispositivo, as características de transferência desses quatro tipos de dispositivo foram comparadas. As Figuras 2a e 2b mostram a tensão típica da porta de corrente de dreno ( I _D - V _G ) curvas de canal curto ( L =50 μm) e canal longo ( L =350 μm) dispositivos, respectivamente. Todos os dispositivos têm a mesma largura de canal de 1200 μm e foram medidos usando a mesma tensão de dreno - 40 V. Nenhum loop de histerese significativo é observado, independentemente da exposição ao gás ou do comprimento do canal. Uma diminuição óbvia na corrente de drenagem fora do estado ( I _desligado ) e aumento na corrente de drenagem no estado ( I _em ) são observados para o dispositivo exposto ao ar. Sua relação de corrente liga / desliga é tão alta quanto 10 ⁷ , enquanto aqueles de dispositivos HV, O ₂ dispositivos e N ₂ dispositivos são 10 ⁶ . Além disso, o dispositivo aéreo exibe mobilidade de portadora quase duas vezes maior do que a dos outros dispositivos e um V _TH que é 5 a 8 V inferior. Os resultados apresentados nas Fig. 2a e 2b demonstram que o dispositivo exposto ao ar por 2 h apresenta melhores propriedades elétricas do que aqueles expostos a outros gases ambientais. Transferência típica ( V _D =- 40 V) e as características de saída dos dispositivos de ar com um comprimento de canal de 350 μm são mostradas na Fig. 2c e 2d, respectivamente. Esses números mostram as excelentes características de desempenho elétrico dos transistores C8-BTBT processados por solução. Um I bem saturado _D - V _G curva, grande I _em / eu _desligado de 10 ⁷ e alta mobilidade da portadora de 8,07 cm ² V ^-1 s ^-1 são observados. O pequeno loop de histerese mostrado na Fig. 2c indica que uma interface imperfeita está presente entre o C8-BTBT e SiO ₂ . O não linear I _D - V _D curvas em baixa tensão de dreno mostradas na Fig. 2d indicam que a barreira de potencial na interface de contato ainda não é baixa o suficiente para a condução ôhmica, apesar do uso de um MoO ₃ camada para reduzir a barreira interfacial entre os eletrodos S / D e semicondutor. O desempenho elétrico do dispositivo de ar pode ser melhorado ainda mais por meio de otimização de interface futura.

(Cor online) Características de transferência típicas de transistores após exposição a várias condições ambientais:50 μm ( a ) e 350 μm ( b ) comprimentos de canal. Características de transferência típicas ( c ) e características de saída ( d ) de dispositivos com mobilidade de 8,07 cm ² (V s) ⁻¹ , eu _em / eu _desligado proporções de 10 ⁷ , e canais de 350 μm de comprimento

Para obter dados confiáveis e estatísticos, medimos um total de 280 dispositivos (70 dispositivos para cada condição ambiental). Os resultados experimentais da mobilidade da portadora e da tensão de limiar são resumidos e representados graficamente como histogramas nas Figs. 3a e 3b. Além disso, as mobilidades médias do portador, as mobilidades mais altas do portador e as tensões de limiar médias dos dispositivos expostos a vários gases ambientais são mostradas na Tabela 1. A mobilidade média mais alta do portador (4,82 cm ² V ^-1 s ^-1 ) e a tensão de limite mais baixa (- 20,16 V) são observadas com dispositivos expostos ao ar. Assim, os dispositivos expostos ao ar exibem os melhores desempenhos elétricos dos tipos de dispositivos testados. O dispositivo HV, N ₂ dispositivo e O ₂ os histogramas do dispositivo indicam apenas pequenas diferenças na mobilidade média da portadora, mobilidade da portadora mais alta e tensão limite. Sabe-se que o ar é composto de nitrogênio (78%), oxigênio (21%), umidade, etc. O HV, N ₂ , e O ₂ dispositivos exibem características elétricas semelhantes, o que indica que a exposição a N ₂ e O ₂ não produz diferenças significativas de desempenho em relação a um dispositivo HV. Pode-se supor que a umidade desempenha um papel fundamental na melhoria do desempenho elétrico do dispositivo de ar. A faixa de umidade relativa durante esses experimentos foi de 40–59%. Consequentemente, é provável que H ₂ O no ar afeta o desempenho do dispositivo.

(Cor online) Histogramas estatísticos das mobilidades da operadora ( a ) e tensões de limiar ( b ) observada a partir de dispositivos expostos a vários gases de teste. c Plotagens de modelo de linha de transmissão com acessórios lineares de R _total W e impactos das condições ambientais nas resistências de contato ( d ), mobilidades médias ( e ), e tensões limite médias ( f )

A fim de compreender a variação baseada na exposição ao gás nas propriedades elétricas desses transistores baseados em C8-BTBT, medimos I _D - V _G curvas de dispositivos com comprimentos de canal de 50 a 350 μm. Resistências de contato de metal / semicondutor ( R _C ) foram investigados para todos os quatro tipos de dispositivos. Nós executamos R _C extração pelo método da linha de transferência, que se baseia na seguinte equação de regime linear (1):[20].
$$ {\ mathrm {R}} _ {\ mathrm {total}} ={R} _ {\ mathrm {canal}} + {R} _ {\ mathrm {contato}} =\ frac {L} {WC_i \ esquerda ({V} _g- {V} _ {\ mathrm {th}} \ direita) {\ mu} _ {\ mathrm {canal}}} + {R} _ {\ mathrm {contato}} $$ (1 )
A Figura 3c mostra as resistências totais ( R _total ) de dispositivos expostos a diferentes condições ambientais em função do comprimento do canal. O R _C os valores são extraídos do y -interceptações das linhas de encaixe e plotadas por gás de exposição. R _C os valores são comparados na Fig. 3d com base nos resultados mostrados na Fig. 3c. Apenas pequenas diferenças entre HV, N ₂ , e O ₂ dispositivos são anotados. No entanto, o dispositivo de ar exibe uma redução significativa em R _C . As mobilidades médias da portadora e as tensões limite médias estão resumidas nas Figuras 3e e 3f, respectivamente. Os dispositivos aéreos exibem mobilidades portadoras muito mais altas e tensões de limiar mais baixas do que suas contrapartes. O R _C valores, mobilidades médias e mais altas da portadora e tensões de limiar dos quatro tipos de dispositivos estão resumidos na Tabela 1. Com base nos resultados mostrados na Fig. 3d-f e na Tabela 1, podemos concluir que as propriedades elétricas aprimoradas exibidas pelos dispositivos de ar estão intimamente relacionados à resistência de contato reduzida entre o semicondutor C8-BTBT e os eletrodos de fonte / dreno. Além disso, o N ₂ e O ₂ as propriedades elétricas do dispositivo não diferem significativamente umas das outras ou do dispositivo HV. Isso indica que o R reduzido _C valores que impulsionam o aumento da mobilidade da portadora e diminuição das tensões de limiar são causados por H ₂ O no ar, em vez de N ₂ ou O ₂ concentrações. Os mecanismos desta interação não são claros, mas assumimos que os ânions hidrônio e hidroxila de H ₂ O pode passivar armadilhas e defeitos em semicondutores C8-BTBT. Nossos resultados atuais fornecem informações adicionais sobre o papel do ar na redução das resistências de contato e na melhoria do desempenho elétrico geral.

Para entender melhor os mecanismos que geram diferenças no desempenho elétrico do dispositivo, realizamos medições de espectros Raman de filmes C8-BTBT expostos a várias condições ambientais. A Figura 4a compara os espectros Raman de filmes C8-BTBT expostos a HV e ar. Apenas 1300 cm ⁻¹ –1600 cm ⁻¹ a faixa espectral é mostrada uma vez que esses picos são tipicamente associados a moléculas C8-BTBT e todas as bandas sensíveis à carga estão nesta região. Normalmente, as moléculas C8-BTBT se orientam com o eixo longo ( c direção do eixo) ao longo do SiO ₂ Substrato / Si. Um arranjo de espinha de peixe de partes do núcleo BTBT aparece na direção no plano [14]. Os picos de tiofeno estão localizados a 1314 cm ⁻¹ e 1465 cm ⁻¹ , enquanto o pico no plano C – H aparece em 1547 cm ⁻¹ [6, 21]. Os espectros Raman de amostras C8-BTBT expostas a HV, O ₂ , e N ₂ não apresentam diferenças significativas. Quando a amostra é exposta ao ar por um período de tempo, ela exibe divisão Davydov a 1547 cm ⁻¹ devido às interações entre o ânion hidroxila da água e o hidrogênio dos grupos C – H. [22] A ligação C – H do empilhamento de moléculas C8-BTBT é normalmente suspensa na superfície [14]. Assim, ele pode interagir facilmente com a umidade do ar e aumentar a mobilidade da portadora via interações π-π e van der Waals aprimoradas [5, 9]. Este resultado fornece mais suporte para nossa suposição anterior de que os ânions hidroxila passivam as armadilhas nos filmes C8-BTBT.

(Cor online) ( a ) Espectros Raman ( λ _exc =633 nm) de filmes finos C8-BTBT em HV e condições de ar. A inserção mostra uma ampliação da área entre 1542 e 1554 cm ⁻¹ . ( b ) Diagramas esquemáticos de mudanças de função de trabalho em MoO _x em HV- e dispositivos de ar, resultando na redução da altura da barreira associada à injeção de carga do eletrodo S / D para C8-BTBT

Como Irfan et al. relatou [23], a função de trabalho ( W _F ) do MoO de 5,5 nm evaporado termicamente _x é 6,82 eV. No entanto, isso diminui em 1,18 a 5,64 eV após 1 h de exposição ao ar. A redução em W _F após a exposição ao ar pode ser devido à adsorção de umidade na superfície do filme. Com base nos resultados apresentados por Irfan et al., Propusemos um modelo que descreve o efeito da exposição ao ar na resistência de contato e desempenho elétrico do C8-BTBT (Fig. 4b) [9, 19, 23]. Supõe-se que a redução da altura da barreira de contato entre o metal e o semicondutor melhoraria a eficiência de injeção do portador, reduziria a resistência de contato e aumentaria a mobilidade do portador. Outro possível mecanismo de R _C a redução é a passivação de armadilhas na interface entre o C8-BTBT e o Au / MoO ₃ eletrodo. De acordo com Wang et al., A densidade da armadilha interfacial metal / semicondutor afeta significativamente a resistência de contato interfacial [24]. No presente trabalho, o hidrônio da água passiva as armadilhas interfaciais, produzindo um R _C redução.

Finalmente, a estabilidade do ar dos OTFTs C8-BTBT foi investigada. Medimos as propriedades elétricas dos dispositivos C8-BTBT que foram expostos ao ar por até 9120 min (~ 1 semana). A Figura 5a compara I _D - V _G características de dispositivos com tempos de exposição ao ar de 0 min, 2 he 9120 min. A mobilidade do portador é mostrada em função da duração da exposição ao ar na Fig. 5b. A mobilidade do portador de um dispositivo não exposto ao ar é de 1,97 cm ² V ^-1 s ^-1 . A mobilidade aumenta com a duração da exposição ao ar até que esta duração alcance 4 h. A maior mobilidade de portadora (3,08 cm ² V ^-1 s ^-1 ) é alcançado após um tempo de exposição ao ar de 2 a 4 h. O monitoramento adicional da mobilidade do portador mostra que ela diminui gradualmente com a exposição adicional ao ar. A mobilidade da portadora diminui para 1,61 cm ² V ^-1 s ^-1 após o dispositivo ter sido exposto ao ar por 9120 minutos (aproximadamente 1 semana). Essa degradação da mobilidade do portador pode ocorrer porque o canal é prontamente oxidado pela umidade, conforme mostrado abaixo na Eq. (2) [25]. Nesta equação, OSC e OSC + representam o semicondutor orgânico e o cátion molecular, respectivamente.
$$ 6 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} +4 {\ mathrm {O} \ mathrm {SC}} ^ {+} \ rightleftharpoons 4 \ mathrm {OSC} + {\ mathrm {O}} _2 + 4 {\ mathrm {H}} _ 3 {\ mathrm {O}} ^ {+} $$ (2)

(Cor online) ( a ) Típico I _d - V _g características do dispositivo HV, dispositivo de ar de 2 h e dispositivo de ar de 9120 min; ( b ) mobilidade da transportadora em função do tempo de exposição ao ar

Após um período de exposição ao ar, a adsorção de umidade induz estados desocupados acima do HOMO e gera armadilhas de orifícios profundos, que degradam significativamente o transporte de portadores no canal e aumentam a resistência de contato [24]. Gomes et al. e Peter et al. demonstraram que a água na superfície do SiO ₂ desempenha um papel importante em OTFTs do tipo p. Devido ao Si – O – H ↔ Si – O ^- + H ⁺ reação, uma quantidade significativa de hidrônio está presente na camada de água absorvida [26]. Além disso, as cargas móveis no semicondutor são lentamente substituídas por cargas imóveis no SiO ₂ superfície que pode migrar reversivelmente para SiO em massa ₂ . Portanto, a exposição ao ar por um longo tempo, a absorção constante e a interação da umidade levarão ao aumento da instabilidade do transistor [27] e reduzirão a mobilidade do seu portador.

Usando um estudo comparativo de dispositivos expostos a vários ambientes de gás, demonstramos que a umidade do ar tem um impacto significativo nas características de desempenho elétrico dos dispositivos C8-BTBT-OTFT. Também descobrimos que um tempo de exposição ao ar apropriado pode melhorar o desempenho elétrico do dispositivo, mas um longo tempo de exposição o degrada. É amplamente aceito que a exposição de dispositivos orgânicos ao ar é prejudicial às suas propriedades elétricas. O presente trabalho também demonstra o papel positivo da umidade na passivação de armadilhas de semicondutor C8-BTBT e redução de R _C valores. Ele também fornece informações úteis sobre as idéias que podem melhorar o desempenho do dispositivo C8-BTBT OTFT e melhorar o conhecimento de sua estabilidade do ar.

Conclusões

Em resumo, investigamos os efeitos dos gases ambientais nas propriedades elétricas de OTFTs C8-BTBT processados em solução. As propriedades elétricas de dispositivos expostos a vários gases ambientais (HV, O ₂ , N ₂ e ar) foram comparados. Observamos que as propriedades elétricas do O ₂ dispositivo e N ₂ dispositivo variou pouco em relação ao dispositivo HV. No entanto, uma melhoria significativa nas propriedades elétricas foi observada com o dispositivo de ar. Para os 70 dispositivos com 2 h de exposição ao ar, as mobilidades médias e mais altas da portadora foram 4,82 e 8,07 cm ² V ^-1 s ^-1 , respectivamente. Isso se compara a 2,76 e 4,70 cm ² V ^-1 s ^-1 para dispositivos HV. As tensões de limiar mais baixas também foram observadas usando os dispositivos de ar. Acredita-se que o desempenho elétrico aprimorado do dispositivo de ar seja devido à resistência de contato reduzida e MoO menor ₃ função de trabalho após a exposição ao ar. Além disso, a estabilidade ao ar do C8-BTBT OTFT foi investigada. O desempenho elétrico diminuiu com a exposição ao ar por mais de 4 h. Este trabalho fornece uma compreensão sistemática da influência das condições ambientais nas características de desempenho elétrico de OTFTs C8-BTBT processados em solução. Ele auxilia no desenvolvimento de dispositivos OTFT imprimíveis, estáveis ao ar e de alto desempenho.