Short-channel organic thin-film transistors : fabrication, characterization, modeling and circuit demonstration

Abstract

Plastic electronics based on organic thin-film transistors (OTFTs) pave the way for cheap, flexible and large-area products. Over the past few years, OTFTs have undergone remarkable progress in terms of reliability, Performance and scale of integration. This work takes advantage of high-Resolution Silicon stencil masks to build air-stable complementary OTFTs using a low-temperature fabrication process. Many factors contribute to the allure of this technology; the masks exhibit excellent stiffness and stability, thus allowing to pattern the OTFTs with submicrometer channel lengths and superb device uniformity. Furthermore, the OTFTs employ an ultra-thin gate dielectric that provides a sufficiently high capacitance of the order of 1 uF/cm^2 to enable the transistors to operate at voltages as low as 3 V.

The critical challenges in this development are the subtle mechanisms that govern the properties of the aggressively-scaled OTFTs. These mechanisms, dictated by device physics, have to be described and implemented into circuit design tools to ensure adequate simulation accuracy. This is particularly beneficial to gain deeper insight into materials-related limitations. The primary objective of this work is to bridge the gap between device modeling and mixed-signal circuits by establishing an OTFT compact model, together with realizing the world-fastest organic digital-to-analog converter (DAC).

A unified model that captures the essence in the static/dynamic behavior of the OTFTs is derived. Approaches to incorporate the implicit bias-dependent parasitic effects in the model are elucidated and accordingly a reliable fit to experimental data of OTFTs with different dimensions is obtained. It is demonstrated that the charge storage behavior in the intrinsic OTFTs agrees very well with Meyer's capacitance model. Moreover, the first comprehensive study of the frequency response of OTFTs using S-Parameter characterization is presented. In view of the low supply voltage and air stability, a record cutoff frequency of 3.7 MHz for a channel length of 0.6 um and a gate overlap of 5 um is accomplished. Finally, a 6-bit current-steering DAC, comprising as many as 129 OTFTs, is designed. The converter achieves a thousand-fold faster update rate (100 kS/s) than prior state of the art.

Schaltungen basierend auf organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) ebnen den Weg für preiswerte, flexible und großflächige Anwendungen. In den vergangenen Jahren haben OTFTs einen beachtlichen Schritt in Richtung Zuverlässigkeit, Performance und Integration in komplexen Systemen vollzogen. Die vorliegende Arbeit nutzt hochauflösende Silizium Stencil-Masken zur Herstellung kurzkanaliger und luftstabiler komplementärer Niedervolt-OTFTs. Viele Faktoren tragen zur Einzigartigkeit dieser Technologie bei, begründet durch die hervorragende Steifheit und Stabilität der Stencil-Masken. Dies ermöglicht Strukturen von OTFTs, welche eine hohe Gleichförmigkeit aufweisen und Kanallängen im unteren Mikrometer-Bereich besitzen.

Die große Herausforderung sind die Mechanismen, die die Eigenschaften stark skalierter OTFTs beherrschen und die in Design-Tools implementiert werden müssen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt darauf, die Lücke zwischen der Bauteilmodellierung und der Mixed-Signal-Schaltung zu schließen. Ein statisch/dynamisches OTFT-Modell wurde eingeführt und der weltweit schnellste organische Digital-Analog-Wandler (DAC) hergestellt.

Lösungen, die impliziten bias-abhängigen parasitären Effekte im Modell mit einzubeziehen, werden aufgezeigt, und eine entsprechende zuverlässige Übereinstimmung mit experimentell gewonnenen Daten von OTFTs unterschiedlicher Dimension wird nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass das Ladungsspeicherungsverhalten in intrinsischen OTFTs sehr gut mit Meyers Kapazitätsmodell übereinstimmt. Darüberhinaus wird die erste umfassende Untersuchung des Frequenzverhaltens von OTFTs mittels S-Parameter Charakterisierung vorgestellt. Eine in Blick auf die niedrige Versorgungsspannung und die Luftstabilität rekordverdächtige Grenzfrequenz von 3,7 MHz bei einer Kanallänge von 0,6 um und einer Gate-Überlappung von 5 um ist demonstriert. Schliesslich wird ein stromgesteuerter 6-Bit-DAC, bestehend aus 129 OTFTs, entworfen. Der DAC erreicht eine tausendfache Sample-Rate (100 kS/s) gegenüber dem bisherigen Stand der Technik.