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SEMICONDUTTORI ORGANICI PER LELETTRONICA Antonio.Cassinese CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli Federico II Università

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Presentazione sul tema: "SEMICONDUTTORI ORGANICI PER LELETTRONICA Antonio.Cassinese CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli Federico II Università"— Transcript della presentazione:

1 SEMICONDUTTORI ORGANICI PER LELETTRONICA Antonio.Cassinese CNR-INFM COHERENTIA - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli Federico II Università di Napoli Federico II CNR- INFM COHERENTIA

2 Introduzione ai semiconduttori organici Semiconduttori organici per elettronica

3 PRODOTTI COMMERCIALI – TV OLED DALLAUTUNNO 2008, SONY HA INIZIATO A COMMERCIALIZZARE LA PRIMA TV OLED – (Organic Light Emitting Diode) XEL 1: SCHERMO 11 Costo euro Semiconduttori organici per elettronica GIA COMMERCIALIZZATI DA TEMPO: MINI DISPLAYS – PER CELLULARI, OROLOGI E MP3 PLAYERS

4 E-PAPER: FLEXIBLE ACTIVE-MATRIX DISPLAYS – GIORNALE ELETTRONICO PROSPETTIVA APPLICATIVA: ELECTRONIC PAPER EX SPIN-OFF DELLUNIVERSITA CAMBRIDGE Si prevede che la commercilaizzazione inizierà nella primavera Nuova factory a Dresda – $100 mln di investimento Semiconduttori organici per elettronica

5 MULTIFUNZIO NALITA FILM SOTTILI ORGANICI BASSI COSTI Substrati flessibili Tailoring chimico infinito BIOCOMPATI BILITA Tecniche di printing roll to roll- inkjet Sensing chimico, biologico, Packaging attivo Schermi flessibili, Schermi OLED Etichette RFID, Smart objects, Memorie Energia alternativa Integrazione con inorganici - ibridi SEMICONDUTTORI ORGANICI: NUOVO PARADIGMA PER LELETTRONICA

6 PROSPETTIVE: ($) !!!!!! ….IDTechEx forecast plastic electronics will be a $48 billion industry by 2017, and could reach as much as $300 billion by 2027…. (Organic Electronics Association) FONTE FONTE: EVOLUZIONE DEL MERCATO DELLELETTRONICA ORGANICA Semiconduttori organici per elettronica

7 Aspetti fondamentali del Trasporto di carica

8 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 misura S, Si. 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 misura S, Si. SOFT MATTER (materia soffice) REQUISITO NECESSARIO PER LA CONDUZIONE DI CARICA : PRESENZA DI LEGAMI DOPPI E TRIPLI DEL CARBONIO E FENOMENI DI IBRIDIZZAZIONE Doppio Legame: Orbitale σ e orbitale p (π) Gli orbitali p danno luogo ad un legame di tipo π formando una una nuvola di elettroni sopra e sotto il piano dei legami di tipo σ. Il legame di tipo p è più debole del legame di tipo sigma (quindi più reattivo Acetilene: C 2 H 2 Semiconduttori organici per elettronica

9 TRASPORTO DI CARICA NEGLI ORGANICI – RIASSUMENDO Nella maggior parte dei casi, i semiconduttori organici formano strutture a stato solido solo parzialmente cristalline – Trasporto in assenza di Bande delocalizzate – Hopping delle cariche – ATTIVAZIONE TERMICA. Concentrazioni basse dei portatori di carica- effetti inevitabili di Doping (unintentional) da impurezze. Fenomeno delliniezione dei portatori ancora non completamente compreso e ben descritto. Presenza dieffetti di carica spaziale (localizzazione macroscopica delle cariche) e fenomeni di trapping (sia estrinseco che intrinseco). Presenza di effetti di carica spaziale (localizzazione macroscopica delle 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 trasporto di carica risulta sempre non lineare. Con n e µ dipendenti dal campo E Es: Semiconduttori organici per elettronica

10 Dispositivi ed applicazioni principali: esempi

11 OLED: Organic Light Emitting Diode SUBSTRATE ANODE HTL ETL CATHODE V Semiconduttori organici per elettronica STRUTTURA BASE Primo SMOled: Tang e Van Slyke (1987) – Xerox Company – Primo PLED (polimerico)-Univ. di Cambridge 1990 AnodeHTL ETLCathode c E e a E h + - HOMO LUM O PI h PI e EA h EA e E h, E e mobilità di HTL e ETL influenzano il trasporto di carica nellOLED. Il colore della luce emessa dipende dalla Eg dello strato emittitore Elettrodi trasparenti

12 NUOVA FRONTIERA- OLED Bianchi: Lightning SCHERMI AD OLED: ULTRAPIATTI Semiconduttori organici per elettronica OLED vs LCD Assenza di retroilluminazione Angolo di visuale maggiore di 180° Angolo di visuale maggiore di 180° Minor consumo di energia Minor 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 – Necessità di incapsulamento – Aumento dei costi. ALTA EFFICIENZA DI EMISSIONE: RISPARMIO ENEREGETICO

13 ORGANIC SOLAR CELLS Efficienza e ancora bassa 4-5% come migliore risultato, ma in linea di principio e possibile ricoprire di OSC aree molto piu grandi : mattonelle, intere pareti di edifici ecc. Semiconduttori organici per elettronica Struttura simile ad Oled (multilayer): comportamento Duale – i fotoni incidenti generano cariche, con passaggio di corrente Tipologie: -Celle completamente organiche (heterojunction) - Celle ibride organiche- inorganiche (TiO2 es.) - Celle Dye sensitized

14 DISPOSITIVI ORGANICI BISTABILI: APPLICAZIONI DI MEMORIA Semiconduttori organici per elettronica Resistive Random Access Memory Glass Substrate Ps +Au-DT NPs + 8HQ Al PRINCIPALI TIPOLOGIE Singoli layer o multilayer di oligomeri o polimeri tra elettrodi metallici Singoli layer o multilayer di oligomeri o polimeri tra elettrodi metallici Filler conduttivi (MNP, molecole coniugate) in matrici organiche isolanti o semi-isolanti Filler conduttivi (MNP, molecole coniugate) in matrici organiche isolanti o semi-isolanti UNDER DEBATE EFFETTI INTRINSECI : Coniugazione e/o orientazione delle molecole in funzione del campo Applicato- Effetti di trasferimento di carica EFFETTI ESTRINSECI Contributo degli Elettrodi (Al), formazione di stati sottili di ossidi, Conduzione filamentare. Oltre le memorie attuali – TREND GENERALE: verso un dispostivo di memoria che combini la velocità delle DRAM, la non volatilità delle FLASH memory, il basso costo, la densità di storage e lendurance degli HARD DISK Oltre le memorie attuali – TREND GENERALE: verso un dispostivo di memoria che combini la velocità delle DRAM, la non volatilità delle FLASH memory, il basso costo, la densità di storage e lendurance degli HARD DISK.

15 Spintronica organica: Trasporto di spin nei semiconduttori organici – Dispostivi magnetoresistivi Semiconduttori organici per elettronica I materiali organici permettono di preservare meglio la corenza di spin rispetto agli altri semiconduttori (low spin orbit coupling). ALTRI DISPOSTIVI ORGANICI MAGNETORESISTIVI: OMAR (senza uso di elettrodi ferromagnetici). MR response a temperatura ambiente con alti campi elettrici applicati – ORIGINE IN DISCUSSIONE !!! Z.H. Xiong et al., Nature 427, 821 (2004) Alq3 SPIN VALVE: elettrodi ferromagnetici V=0.1Volt MR a bassi campi e basse T

16 Organic Field Effect Transistors Organic Field Effect Transistors ( a) Top Contact / Bottom Gate (TC/BG) (b) Bottom Contact / Bottom Gate (BC/BG) (c) Bottom Contact / Top Gate (BC/TG) STRUTTURE OFET - TFT MOSFET MOSFET Semiconduttori organici per elettronica DIFFERENZE PRINCIPALI MOSFET basato sul fenoemno dellinversione – OFET su accumulazione, meccanismo intrinsecamente non lineare – FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente critico) MOSFET basato sul fenoemno dellinversione – OFET su accumulazione, meccanismo intrinsecamente non lineare – FENOMENO INTERFACCIALE (fattore tecnologicamente critico) Semiconduttori organici undoped, tuttavia mostrano un comportamento intrinsecamente di tipo p o n (meno raramente) Semiconduttori organici undoped, tuttavia mostrano un comportamento intrinsecamente 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 portatori) Mobilità dei portatori dipendente dalla tensione di gate applicata (da densità dei portatori)

17 Nonostante le notevoli differenze, le equazioni della corrente I DS =f(V DS, V GS ) negli OFET (in prima approssimazione) sono identiche a quelle dei MOSFET – (cambia il significato fisico della threshold voltage) Nonostante le notevoli differenze, le equazioni della corrente I DS =f(V DS, V GS ) negli OFET (in prima approssimazione) sono identiche a quelle dei MOSFET – (cambia il significato fisico della threshold voltage) Semiconduttori organici per elettronica Organic Field Effect Transistors LINEARE V GS >V DS SATURAZIONE V GS =V DS Output curves: I DS vs V DS at different Vg Transfer curve: I DS vs Vg at fixed V DS Mobilità FET compresa tra cm 2 /V*s per fet polimerici amorfi a circa 30 cm 2 /V*s per fet con cristalli molecolari (RUBRENE)- [aSi ~1 cm 2 /V*s]

18 APPLICAZIONI O-FET Semiconduttori organici per elettronica Circuiti raddrizzatori e logiche circuitali basate sul transistor organici – Frequenze operative richieste fino a 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 polarità di V DS e V GS vengono accumulati sia elettroni che lacune che poi si ricombinano emettendo luce (MOLTI APPROCCI DIFFERENTI – DIFFICILE OTTIMIZZAZIONE (MOLTI APPROCCI DIFFERENTI – DIFFICILE OTTIMIZZAZIONE) Smart pixel

19 SENSORI DI GAS: Esempi in letteratura Upon exposure to a saturated atmosphere of 1-pentanol in N 2 Semiconduttori organici per elettronica APPLICAZIONI O-FET: SENSORI SENSORI DI PRESSIONE: Esempi in letteratura The robot skin

20 Semiconduttori organici per elettronica Tecniche di deposizione in vuoto e sistemi di caratterizzazione elettrica

21 SISTEMA DI DEPOSIZIONE OMBD (Organic Molecular Beam Deposition) Deposizione di film organici con evaporazione da Celle Knudsen / mbar CELLE DI KNUDSEN CONTROLLO ACCURATO DELLA TEMPERATURA DEL SUBSTRATO E DEL RATE DI CRESCITA (Tickness Monitor) Semiconduttori organici per elettronica

22 SISTEMA DI DEPOSIZIONE MAPLE TECNICA PLD (Pulse Laser Deposition) – Approccio MAPLE – Deposizione di polimeri usando come target una soluzione congelata TECNICA PLD (Pulse Laser Deposition) – Approccio MAPLE – Deposizione di polimeri usando come target una soluzione congelata Semiconducting polymers: Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] (MEH-PPV) - Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) Biological polymers (biomedical, electronic, chemical sensing applications): Polyethylene glycol (PEG) - Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) - Horseradish peroxidase (HRP) Biological polymers (biomedical, electronic, chemical sensing applications): Polyethylene glycol (PEG) - Poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) - Horseradish peroxidase (HRP) Semiconduttori organici per elettronica

23 TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale) TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale) USO DI MASCHERE POLIMERI FOTOSENSIBILI (FOTORESIST) per la realizzazione di dispositivi/circuiti con la risoluzione del μm su metalli, semiconduttori inorganici, superconduttori ATTACCHI CHIMICI SELLETTIVI maschera resist Illuminazione UV 3.5 mm Geometria del canale variabile TECNICHE DI SOFT LITOGRAPHY – in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli ) TECNICHE DI SOFT LITOGRAPHY MICROCANALI IN MATRICE DI PDMS (Studio di Microemoreologia) – in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli ) Semiconduttori organici per elettronica

24 PROBE STATION CROGENICA TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIETA ELETTRICHE Misure DC – AC (frequenza fino a 3GHz) su film sottili e materiali bulk Misure DC – AC (frequenza fino a 3GHz) su film sottili e materiali bulk Conducibilità dai semi-isolanti ( S/cm) ai superconduttori Conducibilità dai semi-isolanti ( S/cm) ai superconduttori Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K ( °C) Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K ( °C) Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte) Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte) Semiconduttori organici per elettronica

25 TECNICHE 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 polimero)Analisi FTIR (fornisce informazioni sulla struttura a corto raggio del polimero) Analisi UV/VIS (fornisce informazioni sullordine strutturale del polimero nel film)Analisi UV/VIS (fornisce informazioni sullordine strutturale del polimero nel film) wavenumber (cm -1 ) absorbance Analisi FTIR Analisi UV/VIS wavelength (nm) absorbance transition peaks main chains (VIS) side chains (UV) MAPLE deposited poly[3-(4-octyloxyphenyl) thiophene film Semiconduttori organici per elettronica

26 Transistor organici (OFET): attività di ricerca e linee di sviluppo

27 PRINCIPALI ATTIVITA FET ORGANICI 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) 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) 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 in vitro - integrazione di FET con canali microfluidici. Sensing biologico. Analisi di biocompatibilità dei film organici con sistemi cellulari in vitro - integrazione di FET con canali microfluidici. Sensing biologico. Semiconduttori organici per elettronica Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM Coherentia

28 OLIGOMERI– (Evaporazione per celle di Knudsen mbar ) Semiconduttori organici per elettronica T6 - Sexithiophene - C 24 H 14 S 6 µ ~ cm 2 /volt*sec PENTACENE - C 22 H 14 µ ~ cm 2 /volt*sec P-TYPE N,N-dioctyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide PTCDI-C8H µ ~ cm 2 /volt*sec – (instabile in aria) N-TYPE

29 MORFOLOGIA: CARATTERIZZAZIONE AFM e X-rays FILM POLICRISTALLINI (es.T6) X - RAYS Semiconduttori organici per elettronica

30 (Morfologia: Ottimizzazione dei parametri di deposizione) Semiconduttori organici per elettronica SEXITHIOPHENEAFM step-like islands T SUB Effect lamellae Rounded-shape grains 200°C40

31 Bottom contact, bottom gate Bottom contact, bottom gate Substrato di SiO 2, contatti interdigitati doro, 2 dispositivi differenti per lunghezza L (20 μm e 40 μm) e larghezza di canale (rapporto W/L costante) – STESSA CORRENTE TEORICA Substrato di SiO 2, contatti interdigitati doro, 2 dispositivi differenti per lunghezza L (20 μm e 40 μm) e larghezza di canale (rapporto W/L costante) – STESSA CORRENTE TEORICA L= 40 µm (C,D) - L=20 µm(A,B) L= 40 µm (C,D) - L=20 µm (A,B) W/L= 550 (A, B, C, D) A B CD GOLD SiO 2 (200nm) – Ossido termico FILM ORGANICO SOURCE Si ++ (GATE)DRAIN Semiconduttori organici per elettronica STRUTTURA DEI FET

32 ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6 Semiconduttori organici per elettronica Lineare Lineare Saturazione

33 Ahrrenius Law Activation energy Ea = 60 – 90 meV Semiconduttori organici per elettronica ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE DC- FET T6 (Temperatura)

34 β=parametro di dispersione, τ =tempo di rilassamento Fenomeno legato allintrappolamento progressivo delle cariche libere, β e τ legate alla distribuzione delle trappole Shift della Treshold voltage (tensione di soglia) dovuto alla polarizzazione continua dl dispositivo In caso di polarizzazione continua, il bias stress produce un decadimento della corrente con il tempo 1 Semiconduttori organici per elettronica FENOMENI DI INSTABILITA NEI FET ORGANIC – BIAS STRESS

35 Fenomeno comune ad altri semiconduttori amorfi o policristallini – (αSi) Fenomeno comune ad altri semiconduttori amorfi o policristallini – (αSi) Massima diminuzione tollerabile intorno al 10 % PIXEL Caso pratico Semiconduttori organici per elettronica FENOMENI DI INSTABILITA NEI FET ORGANICI – BIAS STRESS MINIMIZZARE LEFFETTO – COMPRENSIONE DELLORIGINE FISICA 1 Correlazione di β e con parametri di deposizione

36 (GATE) DRAIN Organic Dielectric SOURCE LCR meter V ac *sin(ωt)+V dc Semiconduttori organici per elettronica RISPOSTA AC DEI FET ORGANICI MAX FREQ. OPERATIVA

37 Open circuit at L/2 MOD 1 Trans. Line Rc Cc Rc Cc MOD 2 Trans. Line Semiconduttori organici per elettronica RISPOSTA AC DEI FET ORGANICI Tool for Contact Resistance extraction

38 TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI CORRENTE IN FET ORGANICI Prof. G. BREGLIO, Prof. A. IRACE Semiconduttori organici per elettronica

39 TERMOGRAFIA LOCK IN – STUDIO DISTRIBUZIONE DI CORRENTE IN FET ORGANICI FILL FACTOR – CORREZIONE CALCOLO DELLA MOBILITA V GS =-50V V DS =-50V

40 INTERAZIONE LUCE E FET ORGANICI – FENOMENI DI TRAPPING Semiconduttori organici per elettronica P TYPE PERYLENE - N TYPE Misura in vuoto Effetto Memoria

41 FET ORGANICI: compatibilità con la vita di cellule umane !!! CELLULE NEURONALI Interfacce Neuro-elettroniche Rilevazione e trasduzione segnali neuronali Semiconduttori organici per elettronica FET ORGANICI – BIOSENSORI

42 In collaborazione con gruppo Prof. S. 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 elettronica FET ORGANICI – BIOSENSORI

43 9 micron t = 0 secondi t = 0.01 secondi t = 0.02 secondi 100 micron a) Si doped Gate Organic film PDMS micro- channel Micro-fluid ATTIVITA DA SVILUPPARE Semiconduttori organici per elettronica FET ORGANICI – INTEGRAZIONE CON MICROFLUIDICA

44 FET ORGANICI – LINEE DI RICERCA FETORGANICI Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM Coherentia Sintesi e studio di nuovi materiali ottimizzazione processo di deposizione Caratterizzazioni strutturali AFM/EFM Prof. Roviello – Dott. Marco Salluzzo Obiettivo: n type stabile in aria Implementazione nuove tecniche di misura: Tecniche AC, Misure di Rumore, Sviluppo Tecniche Termografia Prof. G. Breglio, Prof. A. Irace Obiettivo:Modeling elettrico dei dispositivi Verifica utilizzo OFET come bioesensori - integrazione con sistemi microfluidici Prof. S. Guido, Dott. F. Biscarini (CNR_ISMN Bologna) – Obiettivo: Interfacce neuroelettroniche Studio interazione OFET con luce e tecniche di analisi ottiche innovative. Prof. L. Vicari – F. Bloisi Obiettivo: Studio dei meccanismi di trapping SVILUPPI – PROSPETTIVE - LAVORO

45 FET ORGANICI – LINEE DI RICERCA Dip. Scienze Fisiche Univ. Federico II /CNR-INFM Coherentia PEOPLE INVOLVED Antonio Cassinese – Researcher (Group Leader) Carmela Aruta – CNR researcher Carmela Aruta – CNR researcher Pasquale DAngelo – Phd Pasquale DAngelo – Phd Flavia Viola Di Girolamo - Flavia Viola Di Girolamo - Tommaso Viggiano – Tommaso Viggiano –


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