N-type Organic Thin Film Transistors (OTFT): Effects of treatments of the insulator/semiconductor interface on the devices performances

Abstract

The organic electronic devices are finding a great consideration for applications where silicon limitations make this semiconductor unsuitable. Many properties of organic materials open new frontiers of the research; some example of applications are flexible displays, smart textiles, new lighting fixtures, intelligent packaging. Furthermore, an interesting attraction of organic devices is their being environmentally friendly. Organic materials provide also an inspiration for always new applications stimulated by the continuing efforts of characterization, fabrication, synthesis and design. This thesis work wants to contribute to the comprehension of the properties of solution processed organic thin film transistors (OTFTs) that use a n-type semiconductor. These devices are the basic element of the driving circuits, where the n channel transistors still result poorly understood. In this PhD activity, it is studied the effect of surface treatments at SiO2 dielectric layer and organic semiconductor interface to improve the OTFTs performance. These transistors, that are fabricated employing a specific combination of treatments before the deposition of a soluble semiconductor, are studied in order to analyze the relationship between the surface treatments and the devices electrical parameters; so to calculate one or more variables able to better adapt the conditions of the treatments to the performances of the device. The devices are fabricated using as semiconductor the [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC70BM) deposited from drop casting technique on a SiO2 layer where a combination of ultraviolet/ozone cleaning (UV/O3) and self-assembled monolayer (SAM) coating is previously carried out. The hexamethyldisilazane (HMDS) is the SAM used, and it is deposited at three different temperatures, 7°C, 25°C and 60°C. UV/O3 cleaning allows to remove organic contaminations on the dielectric surface, thanks to the formation of hydroxyl groups (-OH) generated by the UV/O3 ambient. While the HMDS can reduce the traps induced by Si-OH groups on the gate insulators, making layer treated hydrophobic. In this work, it is observed that different deposition temperatures of the SAM produce surfaces with different hydrophobic characters resulting in different electric performances of the devices. The techniques of analysis employed to observe the effects of the treatments have been: contact angle measurements, AFM imaging of the organic semiconductor, I vs. V static characterization and admittance measurements. Particular effort is given to evaluate the presence of electronic trap states in organic thin film transistors based on n-type semiconductor in bottom-gate bottom-contact configuration, thus it is proposed a new and accurate equivalent electrical, which is capable to model the properties of the semiconductor bulk and the conductive channel, through the calculation of the density of the trap states and the channel resistance. From the performed analysis, the transistors treated at temperature of 25°C show a high roughness, a very inhomogeneous surface of the semiconductor layer and a higher degree of the SiO2 surface hydrophobicity compared to the transistors processed at 7°C and 60°C. The HMDS behaving as a silane coupling reactant, provides a better tailored hydrophobic surface during the processes at 7°C and at 60°C, resulting in an improved surface energy, matching between the gate insulator and the organic semiconductor. From DC measurements, it is observed that the samples at 60°C temperature for HMDS deposition show the best performances: the highest electron mobility of 13·10-3 cm2/Vs and the lowest threshold voltage of 12.0 V. While for the devices prepared at 7 °C and at 25 °C, the values of the mobility and the threshold voltage are 7.6·10-3 cm2/Vs - 13.6 V, and 2.8·10-3 cm2/Vs - 17.8 V, respectively. The densities of the resulting trap states, calculated by admittance measurements and equivalent circuit, show the minimum quantity of the traps for the devices treated at 60°C compared to other devices, with a value of 1.48 1016 cm-3 eV-1. In conclusion, in this thesis it has been studied the effect of the deposition processing of HDMS layers on the behavior of PC70BM bottom-gate bottom-contacts OTFTs. In particular, the temperature of the HMDS process influences the quality of the semiconductor films and the devices performances. The hydrophobicity of the dielectric surface, induced by the HDMS process at 60°C, measured trough the value of the contact angle, which is of the order of 104.1° for this process, results in the formation of the highest quality of the PC70BM films, with homogeneous layers and a reduced quantity of traps, giving the OTFTs with the best performances. This results have allowed to develop a new equivalent electrical circuit, which, for the first time, models the AC behavior of bottom-gate bottom-contacts OTFTs with n-type semiconductors. [edited by author]

I dispositivi elettronici organici stanno vivendo un periodo di grande interesse scientifico nel campo delle applicazioni dove le limitazioni del silicio semiconduttore li rendono inadatti. Le innumerevoli proprietà dei materiali organici aprono nuove frontiere della ricerca; alcuni esempi di applicazioni sono: display flessibili, tessuti intelligenti, nuovi apparecchi di illuminazione e imballaggi intelligenti. Inoltre, un'interessante attrattiva risiede nel ridotto impatto ambientale. I materiali organici forniscono anche una fonte d'ispirazione per sempre nuove applicazioni supportati da continui sforzi di caratterizzazione, fabbricazione, sintesi e design da parte del mondo della ricerca. Questa attività di tesi vuole contribuire alla comprensione delle proprietà dei transistori organici a film sottile (OTFTs) da soluzione che utilizzano un semiconduttore di tipo n. Questi dispositivi sono l'elemento di base dei circuiti di pilotaggio, in cui i transistori a canale n risultano ancora poco compresi. Durante l'attività di dottorato, si è dunque analizzato l'effetto dei trattamenti superficiali all'interfaccia tra lo strato dielettrico SiO2 e il semiconduttore organico per migliorare le prestazioni dei OTFTs. Questi transistori, che sono fabbricati impiegando una specifica combinazione di trattamenti prima della deposizione del semiconduttore solubile, sono studiati per analizzare il rapporto che intercorre tra i trattamenti superficiali e i parametri elettrici dei dispositivi; in modo da calcolare una o più variabili in grado di adattare le condizioni dei trattamenti alle prestazioni del dispositivo. I dispositivi sono fabbricati usando come semiconduttore il [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC70BM) depositato con la tecnica del drop casting su uno strato di SiO2 su cui è stato precedentemente effettuata una combinazione del trattamento di pulizia con raggi ultravioletti e ozono (UV/O3) ed un monostrato auto-assemblato (SAM, self-assembled monolayer). L'esametildisilazano (HMDS) è il SAM utilizzato, questo è depositato a tre diverse temperature, 7 ° C, 25 ° C e 60 ° C. Il trattamento di pulizia UV/O3 permette di rimuovere i contaminanti organici sulla superficie dielettrica, grazie alla formazione di gruppi ossidrilici (-OH) generate dall'ambiente UV/O3. Mentre l'HMDS può ridurre le trappole indotte dai gruppi Si-OH sull'isolante di gate rendendo tale strato di tipo idrofobo. In questo lavoro, è stato osservato che le diverse temperature di deposizione del SAM sono in grado di produrre superfici con diverso carattere idrofobico che comportano differenti prestazioni elettriche dei dispositivi. Le tecniche di analisi utilizzate per osservare gli effetti dei trattamenti sono stati: la misura di angolo di contatto, immagini AFM del semiconduttore organico, caratterizzazione statica I vs. V e misure di spettroscopia di ammettenza. Uno sforzo particolare è stato fatto per valutare la presenza di stati elettronici di trappola nei transistor organici a film sottile di tipo n in configurazione bottom-gate bottom-contact (BG-BC), per i quali si propone un nuovo e accurato circuito elettrico equivalente, che è in grado di modellare le proprietà del semiconduttore e del canale conduttivo, attraverso il calcolo della densità degli stati trappola e la resistenza di canale. Dall'analisi effettuata, i transistor trattati a temperatura di 25 ° C hanno mostrano una elevata rugosità, una superficie dello strato semiconduttore molto disomogenea e un più alto grado idrofobicità della superficie SiO2 rispetto ai transistor trattati a 7 ° C e 60 ° C. Probabilmente, questo risultato è dovuto all'azione chimica dei gruppi silanici terminali che sono più efficaci durante i processi a temperatura più alta e più bassa in esame. Il miglioramento dell'energia superficiale che ne consegue, crea dunque una più efficace crescita del semiconduttore organico sullo strato isolante di gate. Dalle misure DC, si osserva che i campioni trattati a temperatura di 60°C per la deposizione di HMDS hanno mostrano le migliori prestazioni elettriche, ovvero la più alta mobilità elettronica, 13·10-3 cm2/Vs, e la minima tensione di soglia, 12.0 V. Inoltre, le densità degli stati trappola, calcolati dalle misure di ammettenze e dal circuito equivalente, mostrano il valore minimo delle trappole per i dispositivi trattati a 60°C rispetto ad altri dispositivi, circa 1.48 1016 cm-3 eV-1. In conclusione, in questo lavoro di tesi è stato studiato l'effetto del trattamento di deposizione HDMS sul comportamento del PC70BM per OTFTs in configurazione BG-BC. In particolare, la temperatura del processo HMDS influenza la qualità del film semiconduttore e le prestazioni dei dispositivi. L'idrofobicità della superficie dielettrica, indotto dal processo HDMS a 60°C, porta ad un incremento della qualità dei film PC70BM, con strati omogenei e una ridotta quantità di trappole, realizzando dei OTFTs con le migliori prestazioni. Questo risultato ha permesso di sviluppare per la prima volta un modello elettrico per OTFT di tipo n in architettura BG-BC attraverso un circuito equivalente a parametri concentrati che riproduce il comportamento in regime AC dei transistor a film sottile. [a cura dell'autore]