Le recuit in situ améliore la mobilité des OFETs à TIPS-pentacène pulvérisés

Résumé

Nous avons fabriqué des transistors à effet de champ organiques (OFETs) à grille inférieure et contacts supérieurs par pulvérisation et étudié l'impact d'un recuit in situ pendant le dépôt. Comparé à un recuit postérieur conventionnel, un recuit in situ à 60 °C a augmenté la mobilité de champ de 0,056 à 0,191 cm²/V·s, soit une amélioration proche du quadruplement. La microscopie optique, la microscopie à force atomique (AFM) et la diffraction des rayons X (XRD) révèlent que cette amélioration provient d'une cristallisation supérieure et d'un empilement hautement ordonné du TIPS-pentacène.

Contexte

Les OFETs sont prometteurs pour l'électronique flexible, les afficheurs, les étiquettes RFID et les circuits logiques [1-7]. Diverses méthodes de dépôt — lame, jet d'encre, héliogravure, pulvérisation — ont été explorées pour créer des dispositifs haute performance [6-16]. La pulvérisation est particulièrement attractive grâce à sa faible consommation de solvant, son débit élevé et sa compatibilité avec divers substrats [17-19].

Des études récentes ont examiné la taille des gouttelettes [16], la composition du solvant [20] et le chauffage du substrat [21-26] pour améliorer la cristallinité du film. Cependant, le rôle du recuit in situ pendant la pulvérisation reste peu exploré. Le traitement en solution conventionnel nécessite souvent de longues étapes de cuisson qui interrompent la production. L'introduction d'un simple protocole de recuit in situ pourrait donc accélérer la fabrication tout en préservant ou améliorant les performances.

Dans ce travail, nous avons appliqué un recuit in situ à 60, 90 et 120 °C pendant le dépôt par pulvérisation de TIPS-pentacène sur diélectrique PMMA. Le traitement à 60 °C a donné la mobilité la plus élevée (0,191 cm²/V·s), attribuable à une cristallinité et un ordre moléculaire améliorés, confirmés par microscopie et XRD.

Méthodes

L'architecture du dispositif est illustrée en Fig. 1(a). Le PMMA (100 mg/mL dans l'anisole) a été déposé par centrifugation à 520 nm d'épaisseur et cuit à 150 °C pendant 1 h. Une couche de TIPS-pentacène de 30 nm (3 mg/mL dans le dichlorobenzène) a été pulvérisée à 20 µL/s depuis une hauteur de buse de 12 cm, tandis que le substrat était maintenu à la température désirée. Enfin, des électrodes source/drain en or de 50 nm ont été évaporées thermiquement à travers un masque (largeur/longueur de canal = 1 cm / 100 µm). L'épaisseur du TIPS-pentacène a été déterminée en soustrayant l'épaisseur du PMMA de la pile totale mesurée par profilomètre. Les caractéristiques électriques ont été enregistrées avec un Keithley 4200 sous air. La mobilité a été extraite du régime de saturation à l'aide de l'équation standard de la courbe de transfert. La morphologie a été examinée par microscopie optique (U-MSSP4, Olympus), AFM (MFP-3D-BIO, Asylum Research) et XRD (TD-3500, Dandong, 30 kV, 20 mA).

Résultats et discussion

Le dispositif A a été fabriqué avec un recuit postérieur à 120 °C (20 min). Les dispositifs B, C et D ont employé un recuit in situ à 60, 90 et 120 °C respectivement. Les caractéristiques de transfert et de sortie (Fig. 2) montrent un comportement typique de type p. Le tableau 1 résume les métriques de performance clés.

Avec un recuit in situ à 60 °C (dispositif B), la mobilité est passée à 0,191 cm²/V·s, et la tension de seuil s'est décalée positivement de -1,7 à -0,9 V. En revanche, les traitements à 90 °C et 120 °C ont dégradé les performances : μ est tombé à 0,04 et 0,0005 cm²/V·s, et V_TH s'est décalé à +2,0 V. Le swing sous-seuil a augmenté avec la température de recuit, indiquant des densités de pièges plus élevées à l'interface diélectrique/semiconducteur [27].

La microscopie optique (Fig. 3) a révélé de grands grains allongés pour le dispositif B, tandis que les dispositifs C et D présentaient des grains plus petits et circulaires. Les images AFM (Fig. 4) ont confirmé que le film à 60 °C possédait des grains bien ordonnés avec peu de joints, alors que les températures plus élevées produisaient des îlots densément empilés qui entravent le transport de charge. Le XRD (Fig. 5) a montré les pics de Bragg (00l) les plus intenses pour le dispositif B, confirmant une cristallinité supérieure. La réduction de l'intensité des pics à 90 °C et 120 °C corréle avec le déclin de performance observé.

Conclusions

Les OFETs à TIPS-pentacène pulvérisés avec un recuit in situ à 60 °C présentent une augmentation quadruple de la mobilité (0,191 cm²/V·s) par rapport au recuit postérieur conventionnel. Cette amélioration découle d'une cristallinité accrue et d'une croissance de grains ordonnés, comme en témoignent les analyses optique, AFM et XRD. Le recuit in situ offre donc une voie évolutive et peu coûteuse vers des OFETs haute performance adaptés à l'électronique flexible et autres applications émergentes.