In-situ-Annealing steigert Mobilität von sprühbeschichteten TIPS-Pentacen-OFETs

Zusammenfassung

Wir haben Bottom-Gate, Top-Contact organische Feldeffekttransistoren (OFETs) mittels Sprühbeschichtung hergestellt und den Einfluss von In-situ-Annealing während der Abscheidung untersucht. Im Vergleich zum konventionellen Post-Annealing erhöhte ein 60 °C In-situ-Annealing die Feldeffektmobilität von 0,056 auf 0,191 cm²/Vs – eine fast vierfache Verbesserung. Optische Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Röntgenbeugung (XRD) zeigten, dass die Mobilitätssteigerung auf überlegene Kristallisation und hochgeordnete TIPS-Pentacen-Packung zurückzuführen ist.

Hintergrund

OFETs sind vielversprechend für flexible Elektronik, Displays, RFID-Tags und Logikschaltungen [1–7]. Verschiedene Abscheidungsverfahren – Klingenbeschichtung, Tintenstrahldruck, Tiefdruck und Sprühbeschichtung – wurden erforscht, um Hochleistungsbauelemente zu schaffen [6–16]. Die Sprühbeschichtung ist besonders attraktiv aufgrund ihres geringen Lösungsmittelbedarfs, hohen Durchsatzes und der Kompatibilität mit diversen Substraten [17–19].

Neuere Studien untersuchten Tröpfchengröße [16], Lösungsmittelzusammensetzung [20] und Substratherwärmung [21–26], um die Filmkristallinität zu verbessern. Die Rolle des In-situ-Annealings während der Sprühbeschichtung blieb jedoch weitgehend unerforscht. Konventionelle Lösungsprozesse erfordern oft langwierige Backschritte, die die Produktion unterbrechen. Ein einfaches In-situ-Annealing-Protokoll könnte daher die Fertigung beschleunigen, während die Bauelementleistung erhalten oder sogar verbessert wird.

In dieser Arbeit wandten wir In-situ-Annealing bei 60, 90 und 120 °C während der Sprühabscheidung von TIPS-Pentacen auf PMMA-Dielektrika an. Die 60 °C-Behandlung ergab die höchste Mobilität (0,191 cm²/Vs), was auf verbesserte Kristallinität und molekulare Ordnung zurückzuführen ist, wie durch Mikroskopie und XRD bestätigt.

Methoden

Die Bauelementarchitektur ist in Abb. 1(a) schematisch dargestellt. PMMA (100 mg/mL in Anisol) wurde auf 520 nm Dicke geschleudert und 1 h bei 150 °C gebacken. Eine 30 nm dicke TIPS-Pentacen-Schicht (3 mg/mL in Dichlorbenzol) wurde bei 20 µL/s aus 12 cm Düsenhöhe sprühbeschichtet, während das Substrat auf die gewünschte Temperatur gehalten wurde. Abschließend wurden 50 nm Au-Source/Drain-Elektroden thermisch durch eine Schattenmaske aufgedampft (Kanalbreite/Länge = 1 cm / 100 µm). Die TIPS-Pentacen-Dicke wurde durch Subtraktion der PMMA-Dicke vom gesamten Stapel, gemessen mit einem Stufenprofilometer, bestimmt. Elektrische Charakteristiken wurden mit einem Keithley 4200 in Luft aufgezeichnet. Die Mobilität wurde im Sättigungsregime mit der Standard-Transferkurvengleichung extrahiert. Die Morphologie wurde mittels optischer Mikroskopie (U-MSSP4, Olympus), AFM (MFP-3D-BIO, Asylum Research) und XRD (TD-3500, Dandong, 30 kV, 20 mA) untersucht.

Ergebnisse und Diskussion

Bauelement A wurde mit einem 120 °C Post-Annealing (20 min) hergestellt. Bauelemente B, C und D nutzten In-situ-Annealing bei 60, 90 und 120 °C. Transfer- und Ausgangscharakteristiken (Abb. 2) zeigen typisches p-Typ-Verhalten. Tabelle 1 fasst die wichtigsten Leistungsmerkmale zusammen.

Mit 60 °C In-situ-Annealing (Bauelement B) stieg die Mobilität auf 0,191 cm²/Vs, und die Schwellenspannung verschob sich positiv von –1,7 auf –0,9 V. Im Gegensatz dazu verschlechterten 90 °C und 120 °C die Leistung: μ fiel auf 0,04 bzw. 0,0005 cm²/Vs, und V_TH verschob sich auf +2,0 V. Der Subthreshold-Swing stieg mit der Annealing-Temperatur an, was auf höhere Fangladungsdichten an der Dielektrikum/Halbleiter-Grenzfläche hindeutet [27].

Optische Mikroskopie (Abb. 3) zeigte für Bauelement B große, langgestreckte Körner, während Bauelemente C und D kleinere, kreisförmige Körner aufwiesen. AFM-Bilder (Abb. 4) bestätigten, dass der 60 °C-Film gut geordnete Körner mit wenigen Korngrenzen besitzt, während höhere Temperaturen dicht gepackte, kleine Inseln erzeugten, die den Ladungstransport behindern. XRD (Abb. 5) zeigte die stärksten (00l)-Bragg-Reflexe für Bauelement B, was die überlegene Kristallinität bestätigt. Die reduzierte Reflexintensität bei 90 °C und 120 °C korreliert mit dem beobachteten Leistungsabfall.

Schlussfolgerungen

Sprühbeschichtete TIPS-Pentacen-OFETs, die mit einem 60 °C In-situ-Annealing hergestellt wurden, zeigen eine vierfache Mobilitätssteigerung (0,191 cm²/Vs) im Vergleich zum konventionellen Post-Annealing. Diese Verbesserung resultiert aus verbesserter Kristallinität und geordnetem Kornwachstum, wie durch optische, AFM- und XRD-Analysen belegt. In-situ-Annealing bietet somit einen skalierbaren, kostengünstigen Weg zu Hochleistungs-OFETs für flexible Elektronik und andere aufstrebende Anwendungen.