Aplicação de transistores orgânicos na fabricação de inversores lógicos digitais

• Main Author: Cardoso, Lilian Soares
• Other Authors: Faria, Roberto Mendonça
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2016
• Subjects: Blade-coating; Spray-coating; Inversores lógicos digitais orgânicos; OFETs; Organic inverters; P(NDI2OD-T2); P(VDF-TrFE-CFE); P3HT; PTAA: diF TES ADT
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-21032017-153241/

Esta tese tem por objetivo o desenvolvimento de metodologias eficientes e de baixo custo para ajustar as propriedades elétricas de OFETs de canal p e de canal n, a fim de possibilitar a fabricação do circuito complementar orgânico, semelhante a uma estrutura CMOS. O desempenho do circuito complementar fabricado foi otimizado, e também foi confeccionado por impressão um OFETs de canal operando em baixas tensões. Para a fabricação do CMOS orgânico foi proposto um método baseado na seleção adequada do solvente da camada dielétrica para ajustar o desempenho elétrico dos OFETs de canal p e de canal n. Os solventes, MEK, nBA e DMSO foram selecionados para a dissolução do PMMA por apresentarem diferenças nos valores de momento de dipolo, de ponto de ebulição e de graus de ortogonalidade em relação as camadas semicondutoras de P3HT e de P(NDI2OD-T2) dos OFETs. A análise dos resultados dos OFETs de canal p e de canal n demonstrou que a metodologia proposta é adequada tanto para o ajuste das propriedades elétricas destes dispositivos quanto para a otimização do desempenho dos mesmos. Os melhores desempenhos elétricos para os OFETs de canal p e de canal n foram obtidos quando utilizados o DMSO e o MEK como solventes do PMMA, respectivamente, devido à perfeita ortogonalidade destes solventes em relação às camadas semicondutoras. Os OFETs de canal p que utilizaram o DMSO e os OFETs de canal n que utilizaram o nBA foram os que apresentaram desempenhos elétricos semelhantes, sendo portanto aplicados na fabricação do CMOS. Valores de ganho entre 6,8 e 7,8 e de margem de ruído entre 28,3 V e 34,5 V foram obtidos para inversores complementares fabricados nesta etapa do trabalho. OFETs de canal p utilizando uma blenda de PTAA: diF TES ADT como camada semicondutora, o PEDOT:PSS como eletrodos dreno/fonte e o P(VDF-TrFE-CFE) como camada dielétrica também foram fabricados neste trabalho. A técnica de blade-coating foi utilizada para a deposição dos eletrodos dreno/fonte e da camada semicondutora, ao passo que a técnica de spray-coating foi utilizada para a deposição da camada dielétrica. Da análise dos resultados foi possível inferir que a utilização de um dielétrico com elevada constante dielétrica (K), como o P(VDF-TrFE-CFE), possibilita o funcionamento dos transistores a baixas tensões (≤ 8 V), porém com valores de mobilidade reduzidos devido à elevada desordem dipolar na interface provocada por este dielétrico. Para minimizar esses efeitos, uma fina camada de um polímero fluorado foi depositada entre a camada semicondutora e a dielétrica pela técnica de blade-coating, constituindo assim uma bicamada dielétrica nos OFETs. Dos resultados das medidas elétricas dos OFETs constituídos pela bicamada dielétrica foi observada permanência do funcionamento destes dispositivos a tensões inferiores a 8 V com desempenho elétricos superiores a resultados já publicados na literatura. Por fim, inversores lógicos unipolares com transistores de carga foram fabricados com os OFETs que utilizaram a bicamada dielétrica, sendo obtidos valores de ganho entre 1,2 e 1,6 e de margem de ruído entre 56% e 68,5% de ½ VDD. === This thesis aimed to develop an efficient and low cost method to adjust the electrical properties of p- and n-channel OFETs to allow us to build an organic CMOS and the optimization of printed p-channel OFETs to work at low voltages. We proposed a method to fabricate the organic CMOS, based on the careful selection of dielectric solvent, which was adjusted to obtain the best performance of p- and n-channel OFETs. The dielectric solvents as MEK, nBA and DMSO were selected to dissolve the PMMA dielectric polymer due their different physical properties as dipole moment and boiling point and because they showed slightly different degrees of orthogonality to the P3HT and P(NDI2OD-T2) semiconductor layers of the OFETs. The results showed that the careful selection of the dielectric solvent not only allows to tune the electrical characteristics of the p- and n-channel OFETs, but also to improve the performance of these devices. The best performances were achieved when DMSO and MEK were used as dielectric solvents of the p and n-channel OFETs, respectively, as result of the perfectly orthogonality of these solvents to the semiconductor layers. P-channel OFETs using DMSO and n-channel OFETs using nBA showed similar electrical characteristics and thus, they were used to construct the organic CMOS. The organic complementary inverters showed high gain and noise margin values in the range of 6,8 to 7,8 and 28,3 V to 34,5 V, respectively. Printed p-channel OFETs were also fabricated, in which the blend PTAA:diF TES ADT was used as semiconductor channel, PEDOT:PSS as the drain/source electrodes and P(VDF-TrFE-CFE) as the dielectric layer. The blade-coating technique was used to deposit the source/drain electrodes and the semiconductor layer, while the spray-coating technique was used to deposit the dielectric layer. It was observed that using high-k dielectric as P(VDF-TrFE-CFE) enable to reduce the operating voltage of the OFETs (≤8 V), however, this high-k dielectric also reduced the field effect mobility due the dipolar disorder at the semiconductor/dielectric interface. To minimize the dipolar issue at the interface, we inserted a thin fluoropolymer dielectric layer by blade-coating between the semiconductor and the high-k dielectric layers, thus constituting a dielectric bilayer on the OFETs. From the electrical measurements of the OFETs with the dielectric bilayer, it was observed that the devices were still working at 8 V and they also showed better performance in comparison to results already published. Finally, organic unipolar inverters with load transistors were fabricated using the p-channel OFETs with the dielectric bilayer and they showed reasonable performance, with gain and noise margin in the range of 1,2 to 1,6 and 56% e 68,5% of ½ VDD, respectively.