ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه مواد نیمه هادی آلی

ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه مواد نیمه هادی آلی

در این مقاله ساختار و ویژگی های ترانزیستورهای لایه نازک آلی مورد بررسی قرار می  گیرد. ساختار ترانزیستوری مورد نظر بر روی یک زیر لایه که می تواند از مواد مختلف عایق مانند مواد انعطاف پذیر پلاستیکی یا لامهای شیشه ای باشد قابل ساخت می باشد. به صورت مشخص در این مقاله به ساختاری که با استفاده از روش لایه نشانی تبخیر گرمایی در خلاء قابل ایجاد است، پرداخته می شود. اتصالات فلزی به کار رفته در ساختار ترانزیستوری مورد نظر که از نوع ترانزیستورهای اثرمیدانی می باشد، شامل اتصالات گیت، درین (drain) وسورس (source) با استفاده از لایه نشانی فلزاتی مانند آلومینیوم، طلا و یا نقره ایجاد می گردند. ضخامت این لایه ها به صورت متوسط حدود nm30 است. لایه عایق گیت از لایه نشانی پلیمرهای عایق مانند PVA و PS به ترتیب با ضخامتهای تقریبی nm 200 و nm 30  ایجاد می گردد که معمولاً با استفاده از روش لایه نشانی گردشی(spin coating) ایجاد می شوند. لایه فعال ترانزیستوری که فرآیند تشکیل کانال هدایت وانتقال بار در آن انجام می شود، از یک ماده نیمه هادی آلی و با روشهای مختلف با ضخامت بین   nm 20 تا nm 40 رشد داده می شود. لایه های بافر تزریق بار با ضخامتهای کمتر از nm 10 و لایه های نهایی رشد داده شده،الکترودهای فلزی درین و سورس می باشند.

مقدمه
ساخته شدن ترانزیستورها در نیمه قرن بیستم تحول شگرفی در تکنولوژی ساخت دستگاهها و ادوات الکترونیکی ایجاد کرد. ترانزیستورهایی که امروزه در ساخت مدارات الکترونیکی مجتمع و غیرمجتمع به وفور مورد استفاده هستند، برپایه اصول ترانزیستورهای اولیه کار می کنند. با این تفاوت که به واسطه پیشرفتهای علم مواد و تکنولوژی ساخت، ترانزیستورهای کنونی با ابعاد بسیار کوچکتر، با کیفیت و ماندگاری بسیار بالاتری ساخته می شوند. به عنوان مثال در یک پردازنده کامپیوتری میلیون ها ترانزیستور سیلیکونی در کنار هم و بر روی یک تراشه مجتمع بدون کوچکترین نقصی ساخته شده و پردازش اطلاعات را انجام می دهند.

در اوایل دهه هشتاد (1980) برای اولین بار استفاده از مواد مواد نیمه هادی آلی که در ساختار آنها زنجیره های کربنی و هیدروژنی وجود دارد، در ایجاد ادوات الکترونیکی مورد توجه قرار گرفتند. در این زمان اولین OLEDها یا همان دیودهای نورده با استفاده از این مواد ساخته شدند. نکته قابل توجه این است که استفاده از این مواد وآماده سازی آنها خلاف نمونه های معدنی، نیازی به تکنولوژی های بسیار پیشرفته و آزمایشگاه های گران قیمت ندارد. علاوه بر این، ادوات مبتنی بر مواد آلی به دلیل پیوندهای سست بین ملکولی در لایه های ایجاد شده از آنها، تا حد زیادی به لحاظ مکانیکی،می توانند انعطاف پذیر باشند. برخلاف این مواد آلی، مواد معدنی مانند سیلیکن، ژرمانیوم و گالیوم آرسناید تنها در حالت کریستالی قابلیت استفاده در ساختار ادوات الکترونیکی را دارند که در این حالت نیز پیوندهای کوالانسی،انعطاف پذیری را در آنها غیر ممکن می سازد.

هدایت بار در مواد نیمه هادی آلی

اساساً خواص مواد نیمه هادی آلی ناشی از ویژگی های خاص اتم کربن است. خواص مهم اتم کربن عبارتند از: 1-اتم کربن در گروه چهارم با عدد اتمی پایین، اتم نسبتا کوچکی محسوب می گردد. این ویژگی اتم کربنازدحام فضایی در ملکول هایی که شامل اتم کربن هستند را کاهش می دهد و شکل-گیری ترکیبات مختلفی از مواد کربنی را ممکن می سازد.2 کربن دارای الکترونگاتیویتی متوسطی است و امکان برقراری پیوندهای کوالانسی با مواد کربنی و غیره را دارد.3-با توجه به محل اتم کربن در جدول، این اتم می تواند چهار پیوند داشته باشد که این ویژگی واکنش پذیری بالای اتم کربن را نشان می دهد که موجب تنوع ترکیبات کربنی می شود.4-مهمترین ویژگی اتم کربن، قابلیت تشکیل آرایش-های متفاوت اربیتال ترکیبی S و P است. اتم کربن می تواند اربیتال ترکیبیSPوSP²وSP³ را در پیوندهای خود داشته باشد که در شکل 1، نشان داده شده است.

شکل1- اربیتالهای ترکیبی که اتم کربن در ترکیبات مختلف می تواندداشته باشد SP وSP² وSP³ می باشدکه به ترتیب از چپ به راست نشان داده شده است. این اربیتالها از ترکیب اربیتالهای S و P بوجود می آید.

در مواد نیمه هادی آلی، اتمهای کربن دارای هیبرید نوع SP² هستند کهمنجر به همپوشانی اربیتالهای Pz عمود بر صفحه پیوندهای سیگما (σ) می شود. این وضعیت در شکل 2، نشان داده شده است.

شکل2- اربیتال هیبریدی Sp² در ترکیبات تزویج شده که در مواد نیمه هادی آلی شناخته می شوند.

در اثر این همپوشانی یک ابر الکترونی پیوسته شکل می گیرد و وجود بارهای آزاد رادر اربیتال پیوسته ملکولی امکان پذیر می سازد. در مواد نیمه هادی آلی،که پیوستگی اربیتال های آنها، محدود به ملکول ها می باشد، سطوح انرژیHOMO وLUMOمعادل با ترازهای انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در مواد نیمه-هادی کریستالی، شکل می گیرد. پیوستگی ابر الکترونی در یک ملکول در شکل3، نشان داده شده است. به این دسته از مواد آلی، مواد آلی مزدوج نیز گفته می شود.

شکل3- همپوشانی اربیتالهای PZ در ملکولهای آلی مزدوج تشکیل یک ابر الکترونی پیوسته را می دهد که الکترونها آزادانه در آن حرکت می کنند.

از آنجا که پیوستگی اربیتالها در لایه های نیمه هادی آلی که عموماً غیرکریستالی هستند محدود به ملکول ها است، قابلیت حرکت حاملها، در این مواد به مراتب پایین تر از مواد نیمه هادی رایج است. دلیل این ویژگی پیوندهای بسیار سست واندروالسی بین ملکول های آلی است. مکانیزم حرکت بار نیز در این مواد به خاطر این ویژگی، متفاوت از مواد غیر آلی است. مطابق شکل 4، پرش بار از یک تراز مجاز انرژی در یک اربیتال ملکولی پیوسته، به ترازی در اربیتال ملکولی مجاور باعث انتقال بار در این مواد می گردد. این مکانیزم پرش بار(charge hopping) نامیده می شود.

شکل4- مکانیزم پرش بار در مواد نیمه هادی آلی که باعث انتقال بار از یک اربیتال ملکولی به اربیتال ملکولی دیگر می شود.

ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی آلی

ساختار ترانزیستور آلی مورد نظر، یک ترانزیستور اثر میدانی آلی می باشد. در این ترانزیستورها میدان الکتریکی ناشی از بایاس (ولتاژ اعمال شده) گیت ترانزیستور،موجب تشکیل کانال هدایت جریان بین اتصالات درین (drain) و سورس (source) می گردد. در واقع این کانال از تجمع حاملهای بار تزریق شده از الکترودهای درین و سورس در مرز عایق گیت با لایه نیمه هادی ایجاد می گردد و میزان بایاس گیت میزان هدایت کانال را تعیین می کند. در حالتی که گیت، بایاس مناسبی ندارد کانال هدایت نیز بسیار ضعیف بوده و جریان درین ناچیز است. قسمت های اساسی یک ساختار OFETبه ترتیب عبارتند از: 1- اتصال الکتریکی گیت که در زیر کل ساختار قرار دارد. 2- لایه عایق گیت که نقش جداسازی الکتریکی گیت را نسبت به لایه فعال دارد. 3- لایه نیمه هادی که در واقع ناحیه فعال ترانزیستوری است و از لایه نشانی ملکولهای آلی با استفاده از روش تبخیر گرمایی و یاروشهای دیگر ایجاد می شود. 4- اتصالات الکتریکی هادی که مربوط به درین و سورس ترانزیستور است که در واقع جریان ترانزیستور بین این دو اتصال برقرار می شود (شکل 5).

شکل 5- ساختار یک OFET و چگونگی اعمال بایاس به ساختار. با اعمال بایاس به ساختار با توجه به خاصیت خازنی گیت بارهای وارد شده از الکترودهای درین و سورس در مجاورت عایق گیت تشکیل یک کانال هدایت کنترل پذیر با ولتاژ گیت را می دهند.

این ساختار در واقع مشابه یک ساختار خازن صفحه ای می باشدکه یکی از صفحات آن اتصال فلزی گیت و صفحه دیگر آن لایه نیمه هادی آلی می باشد و اتصالات فلزی درین و سورس در تماس مستقیم به این لایه نیمه هادی هستند. لایه تشکیل شده از مواد نیمه هادی آلی بدون اعمال بایاس گیت به صورت یک لایه عایق بدون بار رفتار می کند. لذا در شبیه سازی این ادوات، تراز فرمی در مرکز شکاف انرژی بین ترازهای مجاز HOMO و LUMO در نظر گرفته می شود. با اعمال بایاس گیت مناسب و تشکیل لایه ای از بارهای مثبت جمع شده که این بارها از الکترودهای درین وسورس به لایه آلی وارد شده اند، مسیر هدایت جریان بین الکترودهای درین و سورس شکل می گیرد. بسته به ولتاژ گیت اعمال شده و چگالی بار جمع شده در کانال هدایت، دامنه جریان ترانزیستور کنترل می شود. نواحی کاری این ترانزیستورها، مشابه نمونه های سیلیکونی به سه ناحیه قطع، خطی و اشباع تقسیم می شود که شرایط بایاس قرار گرفتن در هر کدام از این نواحی نیز مشابه ترانزیستورهای اثر میدانی سیلیکونی است. بسته به شکل، کانال ایجاد شده ناشی از تجمع بارها در مرز عایقِ گیتِ ترازیستور در یکی از این نواحی کار قرار می گیرد. در ناحیه قطع کانالی وجود ندارد و جرین صفر است، در ناحیه خطی کانال در کل فاصله بین درین و سورس پیوسته بوده و جریان درین با ولتاژ بین درین وسورس رابطه خطی دارد و در ناحیه اشباع کانال هدایت در نواحی نزدیک به درین قطع شده و بارها از طریق میدان انتهای کانال به درین می رسند.

پارامترهای و مشخصه های الکتریکی OFET

همان گونه که در بالا اشاره گردیده است مواد نیمه هادی آلی به دلیل ناپیوستگی ابر الکترونی و گسسته بودن اربیتالهای ملکولی در محل پیوندهای ملکولی، از لحاظ قابلیت حرکت و انتقال بار دارای ضعف هستند. در این ترانزیستورها با توجه به منحنی های مشخصه خروجی و منحنی مشخصه انتقالی پارامترهایی مانند ولتاژ آستانه روشن شدن و مقدار قابلیت حرکت محاسبه می شوند. در شکل 6، یک نمونه از این منحنی ها آورده شده است.

شکل6- منحنی مشخصه انتقالی (چپ) و منحنی مشخصه خروجی یک نمونه OFET ساخته شده که با توجه به این منحنی ها مقادیر پارامترهای قابلیت حرکت و ولتاژ آستانه بدست می آید.

به صورت ساده شده قابلیت حرکت حامل بار در لایه نیمه هادی برابر با ضرب دامنه میدان الکتریکی و سرعت حامل بار در اثر این میدان است و به دلیل اینکه در OFETها این پارامتر وابسته به ولتاژ گیت است به آنقابلیت حرکت تحت تأثیر میدان گفته می شود. پارامتر ولتاژ آستانه، عبارت است از حداقل ولتاژ بایاس گیت که به ازاء آن کانال هدایت تشکیل شده امکان برقراری جریان درین را فراهم می کند. با توجه به رابطه جریان درین در ناحیه عملکرد اشباع ترانزیستور که در زیر داده شده است پارامترهای بالا از منحنی های داده شده قابل محاسبه هستند

در این رابطه µeff مقدار قابلیت حرکت گفته شده در بالا تحت تأثیر میدان ناشی از بایاس گیت، W و L به ترتیب طول فاصله بین اتصالات درین و سورس و عرض آنها است که در واقع طول و عرض کانال هدایت تشکیل شده هستند.coxمقدار خازن عایق گیت است که با توجه به ضخامت و جنس عایق گیت تعیین می شود. با توجه به دامنه جریان در ناحیه اشباع و شیب منحنی مشخصه انتقالی، مقدار قابلیت حرکت بدست می آید. حداکثر مقدار قابلیت حرکت گزارش شده در این نوع از ترانزیستورها تاکنون برابر با 40cm²V^-1S^-1  بوده است. نکته قابل توجهی که این ادوات، هم اکنون نیز با توجه به معایبشان در کانون توجه محققان قرار گرفته، آن است که در بسیاری از کاربردهای رایج مدارات الکترونیکی مانند صفحات نمایش، کارتهای شناسایی هوشمند و بسیاری از کاربردهای دیگر، استفاده از ترانزیستورهای سریع مورد نیاز نمی باشد. در نمودار 7، محدودیت ساخت تجهیزات مختلف برپایه میزان قابلیت حرکت ترانزیستورها نشان داده شده است.

شکل7- نمودار محدودیت استفاده از ترانزیستورهای مختلف بر حسب قابلیت حرکت آنها و روند تغییر قابلیت حرکت در مواد نیمه هادی آلی

با توجه به این نمودار، مقدار قابلیت حرکت با مشخص شدن ابعاد مختلف تئوری و تکنولوژی ساخت مواد نیمه هادی آلی و همچنین با سنتز شدن ملکول های پیشرفته تر به سرعت در حال بهبود است. هم اکنون،مقدار این پارامتر کاملا از مقدار آن در ترانزیستورهای لایه نازک آلی بیشتر شده و جایگزین مناسبی برای آنها می باشد. بیشترین مقدار قابلیت حرکت اندازه گیری شده در این مواد مربوط به ملکول آلی روبرن(Rubren) است که برابر با 40cm²V^-1S^-1  می باشد. این مقدار تقریبا 40 برابر از مقدار قابلیت حرکت در ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه سیلیکن غیرکریستالی بیشتر است.از دیگر پارامترهای مهم در این دسته از ترانزیستورها، رفتارهای گذرای آنها مانند ماندگاری ترانزیستورها در معرض هوا و پاسخ فرکانسی آنها است. ماندگاری به عواملی مانند میزان واکنش پذیری ماده آلی استفاده شده، بستگی دارد.

نتیجه گیری
امروزه ساخت ادوات الکترونیکی بر پایه مواد آلی و به عنوان جایگزینی در بسیاری از کاربردها به دلیل پروسه های ساخت ارزان قیمت و همچنین قابلتهای خاصشان، مورد توجه قرار گرفته است.از جمله معایب این ادوات سرعت عملکرد پایین تر آنها است که با پیشرفتهای حاصل شده در زمینه ساختارهای ترانزیستوری و سنتز مواد آلی، این پارامتر در حال افزایش است. استفاده از این ادوات امکان ساخت مدارهای الکترونیکی شفاف و انعطاف پذیر را فراهم می کند. از دیگر کاربردهای آنها ساخت مدارات مجتمع در سطوح بسیار وسیع در کاربردهایی مانند ساخت سنسورها، پوستهای مصنوعی و صفحات نمایش گسترده است. این قابلیت با توجه به اینکه ساخت OLEDها و یا OFETها بر روی زیر لایه های ارزان قیمت امکانپذیر است، قابل انجام می باشد. در حال حاضر صفحات نمایش OLEDهای ساخته شده با استفاده از این مواد نیمه هادی در حال ورود به بازار تجاری محصولات الکترونیکی هستند.