Математическое моделирование трехслойного диэлектрика OTFT на основе пентаценового полупроводника для улучшения электрических характеристик

Органические тонкопленочные полевые транзисторы (Organic thin film transistors, OTFTs) широко используются по нескольким причинам. Процессы их проектирования менее сложны, чем при традиционной кремниевой технологии, которая требует особые методы фотолитографического формирования рисунка и процессов высокотемпературного и высоковакуумного осаждений. Наиболее трудоемкие процедуры, используемые в традиционной кремниевой технологии, могут быть заменены низкотемпературным осаждением и обработкой на твердый раствор. OTFT на основе однослойной диэлектрической среды имеют большой ток утечки между истоком и стоком из-за несовместимости сопротивлений диэлектрической среды. В работе представлена модель трехслойной диэлектрической среды на основе органического полупроводника пентацена. В трехслойном OTFT использованы три диэлектрические среды: SiO2, POM-H (полиоксиметилен-гомополимер) и PEI-EP (полиэтиленимин-эпоксидная смола) для снижения тока утечки и увеличения подвижности между истоком и стоком. Выполнена оценка и сравнение значений параметров: тока стока IDS, порогового напряжения Vt и подвижности μ для разработанного трехслойного диэлектрического OTFT с одно- и двухслойными моделями. Полученные значения параметров для разработанной модели OTFT при напряжении затвора VG = –10 В составили: IDS = –4,44 мА; μ = 0,0215 см2/(В·с) (для напряжения стока VDS = –2,5 В) и Vt =0,2445 В. Полученные значения параметров оказались больше, чем в одно- и двухслойных диэлектрических моделях OTFT. Таким образом, математическое моделирование разработанной трехслойной структуры продемонстрировало улучшение электрических характеристик по сравнению с другими типами OTFT.

1. Ana F., Najeeb-ud-Din. An analytical modeling approach to the electrical behavior of the bottom-contact organic thin-film transistors in presence of the trap states // Journal of Computational Electronics. 2019. V. 18. N 2. P. 543–552. https://doi.org/10.1007/s10825-019-01314-6

2. Marinov O., Deen M.J., Jiménez-Tejada J.A., Chen C.H. Variablerange hopping charge transport in organic thin-film transistors // Physics Reports. 2020. V. 844. P. 1–105. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2019.12.002

3. Ishaku A.A., Gleskova H. Potential of low-voltage organic transistors with high on-state drain current for temperature sensor development // Organic Electronics. 2021. V. 93. P. 106152. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2021.106152

4. Jiménez Tejada J.A., Lopez-Varo P., Chaure N.B., Chambrier I., Cammidge A.N., Cook M.J., Jafari-Fini A., Ray A.K. Organic thin film transistors using a liquid crystalline palladium phthalocyanine as active layer // Journal of Applied Physics. 2018. V. 123. N 11. P. 115501. https://doi.org/10.1063/1.5017472

5. Krammer M., Borchert J.W., Petritz A., Karner-Petritz E., Schider G., Stadlober B., Klauk H., Zojer K. Critical evaluation of organic thinfilm transistor models // Crystals. 2019. V. 9. N 2. P. 85. https://doi.org/10.3390/cryst9020085

6. Shiwaku R., Tamura M., Matsui H., Takeda Y., Murase T., Tokito S. Charge carrier distribution in low-voltage dual-gate organic thin-film transistors // Applied Sciences. 2018. V. 8. N 8. P. 1341. https://doi.org/10.3390/app8081341

7. Teja K.B., Gupta N. Substrate selection framework for organic thinfilm transistor based on flexibility and reliability issues // IEEE Journal on Flexible Electronics. 2022. V. 1. N 2. P. 141–149. https://doi.org/10.1109/jflex.2022.3178674

8. Dadhich S., Dwivedi A.D., Mathur G. Numerical simulation and analytical modelling of C8-BTBT-C8 organic transistor and analysis of semiconductor thickness // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2022. V. 862. P. 669–680. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0252-9_60

9. Jo S.W., Cho S., Kim C.H. Key factors affecting contact resistance in coplanar organic thin-film transistors // Journal of Physics D: Applied Physics. 2022. V. 55. N 40. P. 405101. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac8124

10. Pruefer J., Leise J., Borchert J.W., Klauk H., Darbandy G., Nikolaou A., Iñíguez B., Gneiting T., Kloes A. Modeling the shortchannel effects in coplanar organic thin-film transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2022. V. 69. N 3. P. 1099–1106. https://doi.org/10.1109/ted.2022.3145779

11. Cortes-Ordonez H., Jacob S., Mohamed F., Ghibaudo G., Iniguez B. Analysis and compact modeling of gate capacitance in organic thinfilm transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2019. V. 66. N 5. P. 2370–2374. https://doi.org/10.1109/ted.2019.2906827

12. Borthakur T., Sarma R. Top-contact pentacene-based organic thin film transistor (OTFT) with N,N′-Bis (3-methyl phenyl)-N,N′-diphenyl benzidine (TPD)/Au bilayer source-drain electrode // Journal of Electronic Materials. 2018. V. 47. N 1. P. 627–632. https://doi.org/10.1007/s11664-017-5820-2

13. Li N., Deng W., Wu W., Luo Z., Huang J. A mobility model considering temperature and contact resistance in organic thin-film transistors // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2020. V. 8. P. 189–194. https://doi.org/10.1109/jeds.2020.2974031

14. Cortes-Ordonez H., Haddad C., Mescot X., Romanjek K., Ghibaudo G., Estrada M., Cerdeira A., Iniguez B. Parameter Extraction and Compact Modeling of OTFTs From 150 K to 350 K // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. V. 67. N 12. P. 5685– 5692. https://doi.org/10.1109/ted.2020.3032082

15. Leise J., Pruefer J., Darbandy G., Seifaei M., Manoli Y., Klauk H., Zschieschang U., Iniguez B., Kloes A. Charge-based compact modeling of capacitances in staggered multi-finger OTFTs // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2020. V. 8. P. 396–406. https://doi.org/10.1109/jeds.2020.2978400