Retos En El Procesado De Materiales Para Fet Orgánicos

Retos en el procesado de materiales para FET orgánicos

RETOS EN EL PROCESADO DE MATERIALES PARA FET ORGÁNICOS Resumen Los transistores de efecto de campo orgánicos son actualmente el foco de importante investigación académica e interés industrial, puesto que ofrecen ventajas únicas frente a sus homólogos inorgánicos en términos de ahorro en costes de producción, compatibilidad con fabricación por impresión a temperaturas bajas, y rendimiento potencial. La primera generación de productos que incorporan transistores de efecto de campo (FETs) orgánicos ya ha entrado en el mercado. Esta revisión recoge una visión general de las estrategias para conseguir elevadas movilidades de efecto de campo en películas semiconductoras orgánicas procesables desde solución. Se proporciona una evaluación de los retos en el procesado de los materiales para varias aplicaciones en pantallas y circuitos con objeto de alcanzar los requisitos de rendimiento y fiabilidad necesarios. También se presenta una visión general del estado de conocimiento de los prototipos de aplicación en direccionamiento de matriz activa para pantallas electroforéticas flexibles, diodos orgánicos emisores de luz y tecnologías LCD, además de etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID). Se discute cómo las excepcionales propiedades funcionales de los semiconductores orgánicos, que permiten una integración comparativamente sencilla de las funciones de procesamiento de información, almacenamiento de información, emisión de luz y detección de luz, pueden permitir aplicaciones multifuncionales que no son fáciles de crear con otros sistemas materiales.

Introducción Las propiedades materiales de los polímeros conjugados y semiconductores orgánicos de pequeña molécula tienen características específicas que los hacen apropiados para aplicaciones en las que muchos materiales inorgánicos no son aptos. Los semiconductores orgánicos son inherentemente materiales de baja temperatura. Debido a la ausencia de enlaces covalentes intermoleculares, pueden procesarse a temperaturas normalmente inferiores a 100-150ºC bien desde fase vapor o desde solución, para dar lugar a películas delgadas de alta calidad que muestran bajas densidades de defectos electrónicos. Esto los hace adecuados para aplicaciones con un rango de temperatura limitado durante la fabricación, como aquellas que utilizan substratos plásticos flexibles, o aplicaciones que requieren la integración con otros materiales de baja temperatura como, por ejemplo, moléculas biológicas. Los semiconductores orgánicos procesables desde solución son compatibles con técnicas de producción basadas en impresión, que resultan muy interesantes a la hora de lograr una reducción del coste en aplicaciones electrónicas de superficie amplia, como pueden ser las pantallas planas. Durante muchos años, el rendimiento de los transistores de efecto de campo (FETs) orgánicos, medido como la movilidad de efecto de campo, parecía ser inherentemente más bajo que la de sus homólogos inorgánicos. Los transistores basados en silicio amorfo o policristalino tienen movilidades características del orden de 0.5-1 y 100 cm2/(V s), respectivamente. Sólo los FETs orgánicos fabricados por sublimación en vapor, como los basados en pentaceno, parecían ser capaces de alcanzar movilidades de en torno a 1 cm2/(V s), mientras que la mayoría de los FETs orgánicos basados en semiconductores orgánicos procesables en solución parecían verse limitados a movilidades bajas, menores de 0.1 cm2/(V s)1. Esta situación ha cambiado en los últimos años, y se han demostrado varios semiconductores orgánicos procesables desde solución que alcanzan o incluso superar el rendimiento del silicio amorfo. A día de hoy, los FETs orgánicos están siendo considerados seriamente para aplicaciones que requieren mejores prestaciones que las alcanzables con transistores de película delgada basados en silicio amorfo, como el direccionamiento de matriz activa (para controlar la corriente de funcionamiento de cada pixel de una pantalla OLED mediante una matriz de transistores).

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Muchas preguntas están aún por resolver. La fiabilidad de los FETs orgánicos bajo condiciones ambientales de almacenamiento y funcionamiento es aún preocupante, especialmente para aquellas aplicaciones que requieren una alta estabilidad, como las pantallas AMOLED. Además, para muchas funcionalidades, el rendimiento de los FETs fabricados exclusivamente por métodos de impresión resulta aún insuficiente. En esta revisión se recogen algunos de los avances recientes en el rendimiento de los FETs orgánicos fabricados con semiconductores orgánicos procesables en solución. Muchos factores importantes determinan las características de estos dispositivos. El semiconductor orgánico necesita buena estabilidad química cuando está expuesto a la atmósfera, también necesita ser estable cuando es sometido a un voltaje de polarización en las condiciones típicas de funcionamiento y debe, por tanto, ser compatible con un dieléctrico de puerta capaz de formar interfaces activas con una baja densidad de defectos. La interfaz entre el semiconductor orgánico y los electrodos de fuente y drenador debe permitir una inyección de carga eficiente y poseer valores de resistencia de contacto bajos. Además, el semiconductor y los materiales dieléctricos necesitan ser compatibles con la integración en las configuraciones de dispositivo más adecuadas para cada aplicación específica. No vamos a entrar en mayor grado de detalle sobre estos requisitos, toda vez que es posible su consulta en una referencia especializada2. En cambio, sí van a ser objeto de consideración de este artículo otros aspectos, como es, en la primera parte, el de la movilidad de efecto de campo en cuanto medida rudimentaria del rendimiento de los semiconductores orgánicos. En la segunda parte, se analizan algunas de perspectivas de aplicación de los FETs orgánicos, con especial énfasis en las aplicaciones a corto o medio plazo, que están próximas a una fase de producción o que podrían, a nuestro criterio, ser posibles en los próximos 5 años. No se entrará en el tema de los sensores, aunque se recomienda la revisión de Someya et al. sobre el tema3, ni aplicaciones más visionarias a largo plazo. Por razones de espacio, la revisión se limita a los avances más significativos de los últimos 3 años.

Rendimiento de los materiales La movilidad de efecto de campo de las cargas en la fina capa de acumulación de la interfaz con el dieléctrico de puerta depende taxativamente de lograr un empaquetamiento molecular denso entre las moléculas del semiconductor no sólo a escala local, sino a lo largo de caminos (pathways) del orden de micras del canal del transistor. El reto más importante para lograr movilidades altas del orden de 1 cm2/(V s) con semiconductores orgánicos poliméricos y moleculares, procesables desde solución, es hacer uso de esquemas de auto-organización en los cuales los grupos no-conjugados solubilizadores permitan la formación de tales caminos de transporte de carga eficientes. Los esfuerzos continúan centrándose en los derivados del poli(3-hexiltiofene) (P3HT), el cual, debido a su microestructura laminar π-apilada característica, fue una de los primeros polímeros en alcanzar movilidades superiores a 0.1 cm2/(V s)4,5. Para mejorar la poca estabilidad ambiental de este polímero se han explorado variaciones en el esqueleto (backbone) de la estructura química enfocadas a aumentar el potencial de ionización del polímero, manteniendo el empaquetamiento laminar favorable6. Un ejemplo especialmente interesante es el poli(2,5-bis(3tetradeciltiofen-2-il)tieno[3,2-b]tiofeno (PBTTT), que presenta movilidades de 0.7-1 cm2/(V s)7, proporcionando una clara demostración de que pueden conseguirse movilidades comparables a las del silicio amorfo con películas de semiconductores orgánicos procesables desde solución. Otro avance importante ha sido el descubrimiento de una serie de semiconductores con cadenas laterales sustituidas que forman películas delgadas uniformes y altamente cristalinas. Esto se logra utilizando técnicas de procesamiento de películas delgadas apropiadas para controlar la nucleación del cristal y la deposición desde solución. Anthony et al. han presentado acenos sustituidos basados en el sililetinilo, como el 6,13-bis(triisopropilsililetinil) (TIPS) pentaceno y el trietilsililetinil antraditiofeno (TES-ADT)8. Estos tienen una solubilidad suficiente como para ser procesados desde solución dando lugar a películas uniformes y altamente cristalinas con 2 

 

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movilidades de 1 cm2/(V s) 9. En el caso del TES-ADT, la película inicialmente depositada es amorfa, pero un annealing en presencia de disolvente posterior induce una cristalización controlada de la película10. Se ha demostrado también que pentacenos incluso sin sustituir tienen suficiente solubilidad a altas temperaturas en disolventes de alto punto de ebullición como para poder ser depositados desde solución en forma de películas delgadas con movilidades de 1 cm2/(V s). En este caso, no obstante, debe tenerse especial cuidado en evitar la nucleación no-controlada de cristales durante el crecimiento11. Asimismo, se continúa realizando investigación con materiales que se depositan como moléculas precursoras solubilizadas que se transforman a su forma completamente conjugada por eliminación de ciertos grupos durante el recocido térmico. Para precursores del pentaceno, el grupo de Polymer Vision ha alcanzado movilidades de hasta 0.8 cm2/(V s)12. Para un precursor de tetrabenzoporfirinas metálicas, Aramaki et al.13 han logrado movilidades de hasta 1.3 cm2/(V s), y este mismo material ha sido empleado por Harada et al. para un prototipo de pantalla AMOLED de 3 pulgadas14. Otro enfoque que ha permitido alcanzar movilidades del orden de 1 cm2/(V s) ha sido la mejora de las propiedades de semiconductores solubles de pequeña molécula mediante mezclas15,16. Por último, varios grupos han investigado el crecimiento de desde solución de monocristales moleculares. Mas-Torrent et al. han informado de movilidades de hasta 1.4 cm2/(V s) en monocristales depositados desde solución de tetratiofulvaleno (TTF), aunque con poco control de la posición y orientación de los cristales respecto a los electrodos17. Recientemente, Beriseno et al. han adaptado una técnica de fase vapor para nuclear el crecimiento de cristales moleculares en posiciones bien definidas del sustrato18 al crecimiento desde solución19. Una gran cantidad de recursos están siendo dedicados a los transistores orgánicos tipo n, ya que son menos estables que los dispositivos tipo p. Actualmente, parece suficientemente probado que los semiconductores orgánicos son intrínsecamente capaces de transportar tanto huecos como electrones con movilidades similares, siempre que se elijan dieléctricos de puerta, contactos de fuente y drenador, y un encapsulado (frente a especies ambientales como el oxígeno o el agua) adecuados20. Durante las investigaciones, se han encontrado algunos semiconductores orgánicos que muestran conducción ambipolar, es decir, que son capaces de funcionar en modo de acumulación de huecos o en modo de acumulación de electrones dependiendo de las condiciones de voltaje aplicadas21. Sin embargo, para la mayor parte de los materiales, la estabilidad de los dispositivos tipo p al ser expuestos a la atmosfera es considerablemente mejor que la de los dispositivos tipo n correspondientes. Así, mientras los FETs orgánicos de tipo p sin encapsular son capaces de funcionar sin degradación significativa durante periodos de tiempo de hasta varios meses, muchos dispositivos tipo n, cuando funcionan expuestos al aire, se degradan rápidamente en cuestión de horas o pocos días (aunque se haya utilizado una metalización ambientalmente estable en el drenador y la fuente para la inyección de los electrones). Está degradación ha sido atribuida a la inestabilidad de los radicales aniónicos negativamente cargados del semiconductor en presencia de O2/H2O 22. En el curso de un estudio sobre estabilidad de FETs orgánicos tipo n en condiciones ambientales para una serie de derivados del níquel ditioleno y del fulereno, Anthopoulus et al. encontraron que para que aquella resultara garantizada la afinidad electrónica debía ser al menos de 4.0 eV23. Las movilidades en las películas procesadas desde solución eran del orden de 10-3 cm2/(V s). Jones et al. han investigado varios semiconductores de arilen diimida y han llegado a la conclusión de que, de forma análoga, se necesitan afinidades electrónicas de 4.3 eV o más para garantizar una estabilidad apropiada al aire24. También las moléculas de perilen diimida cianosustituido tienen suficiente solubilidad en disolventes de alta temperatura de ebullición como para poder ser depositadas desde solución a temperaturas elevadas, y han proporcionado, mediante este tipo de procesado, FETs de tipo n con movilidades de 10-2 cm2/(V s) para un derivado25. Así, aunque actualmente el rendimiento de los FETs tipo n procesables desde solución sea considerablemente inferior que para los dispositivos tipo p, estos avances permitirán en un futuro la realización práctica de circuitos complementarios orgánicos.

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Aplicaciones en pantallas flexibles de matriz activa electroforéticas Resulta un hecho establecido que día a día aumenta el número de personas que accede a sus cuotas de información en formato digital, aunque permanece la costumbre de leer en papel periódicos, revistas o libros. El papel tiene muchas características que lo hacen atractivo: se puede leer fácilmente bajo condiciones de luz diversas, es resistente, ligero, y se pueden hacer fácilmente anotaciones. No obstante, también tiene inconvenientes: la información en papel no es de fácil acceso cuando estamos en movimiento, los costes de distribución son altos, no pueden realizarse búsquedas sobre contenidos y el impacto ambiental derivado de la impresión de información en papel es importante. Los materiales electroforéticos constituyen un medio biestable, de alto contraste y reflectante para pantallas, que comparte muchas de las propiedades del papel. Tales materiales son una alternativa especialmente atractiva cuando se fabrican sobre substratos flexibles, robustos y ligeros, muy diferentes de los sustratos vítreos tradicionales, pesados y frágiles. La mayoría de las pantallas electroforéticas requieren direccionamiento por matriz activa a través de una matriz de transistores que controlan de forma independiente las señales de voltaje en cada uno de los píxeles de la pantalla. Los FETs orgánicos son extraordinariamente apropiados para esta aplicación. Son compatibles con procesos de fabricación de baja temperatura (<150ºC) en substratos baratos y flexibles como el polietilen tereftalato (PET) o el polietilen naftalato (PEN). Además, pueden fabricarse con técnicas de impresión de escritura directa que permiten una compensación precisa de posibles distorsiones de una capa a otra. Tales distorsiones ocurren inevitablemente cuando un substrato flexible de gran superficie se somete a una secuencia de pasos de fabricación que involucran cambios de temperatura y exposición a disolventes. Además, el rendimiento de dispositivo que puede conseguirse con el estado actual de conocimiento en el campo de los FETs orgánicos es suficiente para el direccionamiento de un medio electroforético. Los FETs tienen que ser capaces de cargar cada pixel y su capacidad asociada al voltaje correcto durante la fracción del tiempo de refresco de la pantalla disponible para refrescar cada fila de la misma. La mínima movilidad de efecto de campo requerida para ello depende de forma compleja del esquema de direccionamiento, de la arquitectura de dispositivo y de la disposición de los píxeles, pero normalmente una movilidad del orden de 10-2-10-1 cm2/(V s) es suficiente para pantallas en blanco y negro26. Durante el resto del tiempo de refresco, el FET se mantiene apagado, y las corrientes de fugas deben ser lo bastante bajas como para que las señales de voltaje aplicadas para direccionar otros píxeles en cada columna individual no cambien el estado de un píxel específico. Varias compañías han desarrollado prototipos sorprendentes de papel electrónico flexible, que claramente dan fe de hasta qué punto está preparada la tecnología de FETs orgánicos para las aplicaciones del mundo real. Polymer Vision ha presentado pantallas QVGA (320x240) de 5 pulgadas con espesores totales inferiores a 0.1 mm que pueden enrollarse con un radio de tan sólo 7.5 mm. La pantalla es blanca y negra, y es capaz de reproducir 16 niveles de gris12. La misma compañía ya ha lanzado al mercado el ReadiusTM, un libro digital de bolsillo en el que la pantalla flexible se enrolla en el bloque central (ver Figura 1). Plastic Logic ha presentado una pantalla flexible mayor, de tamaño A5, con una resolución de 150 ppi y que utiliza un medio EInk. La pantalla contiene más de 1.2 millones de FETs orgánicos y es capaz de mostrar 16 tonalidades de gris (ver Figura 1). Está prevista su inclusión en libros electrónicos para su comercialización a lo largo del 2009.

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Figura 1. Izquierda: libro digital con pantalla electroforética de 5 pulgadas ReadiusTM, de Polymer Vision (http://www.readius.com/); Derecha: pantalla electroforética de matriz activa de 5 pulgadas y 150 ppi de resolución, de Plastic Logic.

Pantallas OLED completamente orgánicas y pantallas de cristal líquido Las pantallas planas a todo color son parte de nuestra vida diaria en teléfonos móviles, ordenadores o televisores. Tales aplicaciones requieren imágenes brillantes que se muevan con suavidad y posean un ángulo de visión amplio, como las que proporciona la tecnología de cristal líquido (LCD) actualmente dominante en el mercado. La tecnología OLED a día de hoy sólo ha sido implantando en pantallas de tamaño relativamente reducido. La aplicación de los FETs orgánicos en pantallas OLED de matriz activa (AM) y LCD puede expandir en el futuro el uso de tales pantallas planas, permitiendo aplicaciones como pantallas de TV ligeras de grandes dimensiones sobre substratos flexibles (ver Figura 2), además de otros diseños novedosos.

Figura 2. Prototipo de pantalla OLED flexible fabricada mediante técnicas roll-to-roll con la tecnología SAIL (selfaligned imprint) de HP, en colaboración con el Flexible Display Center (FDC) de la Arizona State University, DuPont Teijin Films (responsable del substrato de polietilen naftaleno, PEN) y E Ink.

Los requisitos en términos de rendimiento para un transistor de película delgada (TFT) que sea capaz de controlar pantallas de cristal líquido u OLEDs, son más exigentes que los necesarios para pantallas electroforéticas. Para mostrar imágenes de vídeo con un movimiento suave, tanto LCDs como OLEDs deben refrescarse al menos cada 16 ms, lo que supera el tiempo de respuesta del ojo humano. Para direccionar una pantalla de alta resolución, se necesita que los FET orgánicos presenten movilidades que superen los 0.1 cm2/(V s) y los 1 cm2/(V s), respectivamente. Los OLEDs, al ser controlados por corriente, requieren un circuito para cada píxel formado por más de dos transistores. Uno de estos FETs proporciona la corriente de control al OLED y está siempre encendido. Su nivel de estabilidad de corriente debe ser superior que el necesario para las pantallas LCD y pantallas electroforéticas, controladas por capacidad. Este requisito se traduce en una estabilidad frente a estrés de polarización mayor que la puede alcanzarse a día de hoy con transistores de película delgada basados en silicio amorfo27. 5 

 

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Los requisitos para la integración de procesos son también más exigentes para pantallas de LCD y OLED que para pantallas electroforéticas. Las pantallas LCD y OLED no pueden ser laminadas sobre el plano posterior de FET orgánicos como en las pantallas electroforéticas, sino que requieren una serie de pasos de procesamiento. Los LCDs para estas aplicaciones utilizan una capa TN-LC (twisted-nematic liquid crystaline) entre dos capas de alineamiento. Estas capas, junto con los polarizadores, las capas de filtros de color y otras películas ópticas necesitan estar apiladas con el plano posterior de FET orgánicos con un alineamiento mecánico u óptico muy preciso. Los OLED pueden presentar intensidades luminosas mejoradas al utilizar arquitecturas de dispositivo de emisión superior en las que no sólo el diodo orgánico emisor de luz se deposita sobre el plano posterior de FET, sino también el ánodo y el cátodo. Por las razones anteriores, los FET orgánicos han sido aplicados antes para controlar pantallas electroforéticas; no obstante, varios grupos han presentado recientemente TN-LCDs y OLEDs controlados por FETs orgánicos (la referencia 27 constituye una revisión de las actividades sobre el tema hasta el 2006). La Figura 3a muestra una fotografía y un diagrama de la sección transversal de una pantalla a color de 2.5 pulgadas, con tecnología AMOLED de emisión superior, controlada por una matriz activa de FETs de pentaceno fabricada sobre un substrato de poli(eter sulfona) por Sony28,29. La Figura 3b recoge una pantalla a color TC-LCD de 5 pulgadas controlada por FETs orgánicos fabricada sobre substrato vítreo por Hitachi30. La resolución y el tamaño de los píxeles de ambas pantallas son 80 ppi y 318 µm2, respectivamente. El número total de píxeles es 160x120x3 (QQVGA) y 240x320x3 (QVGA), respectivamente. La tasa de refresco para imágenes en movimiento de estas pantallas es de 60 Hz. Los transistores orgánicos de película delgada usados en los planos posteriores presentaban movilidades de efecto de campo de más de 0.1 cm2/(V s) con ratios de corriente en encendido/apagado por encima de 105. Como se muestra en las secciones transversales de las estructuras en la Figura 3, ambos planos utilizaron varios materiales aislantes procesables desde solución para distintas funciones, como por ejemplo dieléctrico de puerta, capa de pasivado, separadores e intercapas. El desarrollo de materiales y procesos para tales aislantes es crucial para fabricar con éxito este tipo de pantallas. Estas capas dieléctricas de pasivado o intercapa permiten el apilamiento del plano frontal y el plano posterior minimizando la degradación del rendimiento de los FET orgánicos asociada a aspectos de procesamiento. Los ejemplos anteriores muestran claramente el potencial de los materiales semiconductores orgánicos para aplicaciones en OLED y LCD, pero se necesitan varios avances tecnológicos antes de que estas pantallas puedan ser una realidad comercial. Entre estos, se incluyen mejoras en el rendimiento y estabilidad de los FET, pero también en la disponibilidad de tecnologías de encapsulado flexible que proporcionen la protección adecuada a los OLEDs frente a la humedad y la exposición al aire cuando se emplean substratos flexibles.

Aplicaciones en circuitos Otra de las principales áreas de aplicación de los FETs orgánicos es en circuitos lógicos que proporcionan capacidades de procesado o almacenamiento de información. Algunas de estas aplicaciones, como las etiquetas de identificación de radiofrecuencia (RFID) y otros tipos de etiquetas electrónicas, se rigen sobre todo por criterios de coste, es decir, la tecnología convencional de silicio podría ser perfectamente apta para estas aplicaciones, si el coste de fabricación de las etiquetas y el integrarlas en el producto fuera lo bastante bajo como para cumplir los requisitos de etiquetado de productos (<1¢ por etiqueta). Actualmente están disponibles etiquetas RFID basadas en silicio con precios entre 5 y 10¢. Sin embargo, hay también aplicaciones donde la tecnología de FET orgánicos permitiría, debido a algunas de sus características únicas, la incorporación de funcionalidades electrónicas a objetos que actualmente no tienen ningún componente electrónico activo. La flexibilidad o la robustez de los FETs orgánicos permitirían aplicarlos, por ejemplo, a juguetes donde se desee un cierto grado de interactividad, o integrar componentes electrónicos durante el proceso normal de fabricación de los productos, como en material de publicidad impreso.

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Figura 3. Muestras de pantallas de cristal líquido y LCD controladas por FET orgánicos. (a) Fotografía y corte transversal de la estructura de una pantalla AMOLED a color de 2.5 pulgadas con emisión superior, controlada por FET orgánicos fabricados sobre un substrato orgánico de PES. Nota: OSC corresponde a semiconductor orgánico, OTS es octiltriclorosilano, PVP es poli(vinil fenol) y TFT es transistor orgánico de película delgada. (b) Fotografía y sección transversal de la estructura de una pantalla TN-LCD a color de 5 pulgadas controlada por FETs orgánicos, sobre sustrato vítreo.

En las etiquetas RFID, la alimentación de continua para la circuitería de la etiqueta se genera con un diodo rectificador que necesita funcionar a la frecuencia de la portadora RF. Varios grupos de trabajo han presentado diodos orgánicos capaces de funcionar a la frecuencia de portadora RF estándar de 13.56 MHz31. El circuito lógico que procesa la información y lee/escribe en memoria normalmente funciona a la fracción de la frecuencia de la portadora RF, como 13.56 MHz/512, lo que conlleva tasas de 26 kbit/s en una etiqueta tradicional basada en silicio. Ciertas aplicaciones requieren que el reloj de la circuitería se sincronice con la portadora RF, lo que significa que, al menos, parte de la lógica ha de funcionar a la frecuencia de portadora RF. Entre los fabricantes de etiquetas RFID basadas en FETs orgánicos que funcionan a 13.56 MHz, podemos destacar las contribuciones de Philips32, con una etiqueta de 64 bits formada por 1940 transistores que transmiten el código de 64 bits a una tasa de 150 bit/s. También es destacable la consecución de PolyIC, consistente en una etiqueta de 64 bits con una distancia de lectura de 3 cm y un tiempo de lectura similar de 0.5 segundos33. Estos prototipos, no obstante, han sido fabricados utilizando técnicas de fotolitografía. La utilización de procesos de impresión de bajo coste en lugar de técnicas fotolitográficas convencionales hace mucho más complicado conseguir pequeños tamaños en los diseños y en las dimensiones de solapamiento. La velocidad de conmutación de un circuito integrado formado por transistores a un determinado voltaje de funcionamiento depende no sólo de parámetros del material (como la movilidad de efecto de campo), sino también de las dimensiones geométricas del circuito. Dimensiones importantes incluyen la longitud de canal de los FETs, el solapamiento geométrico entre la puerta y los electrodos de fuente y drenador, y el solapamiento de las interconexiones que determina la capacidad parásita y que necesita cargarse en los diferentes nodos del circuito. Con técnicas de impresión capaces de procesar grandes volúmenes de producción, como la impresión por chorro de tinta, la impresión offset, la flexografía o el huecograbado, las longitudes de canal y anchuras de las líneas de conducción mínimas que se pueden alcanzar para 7 

 

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FETs orgánicos fabricados totalmente por impresión se ven limitadas a 20-100 µm34. Estos tamaños conllevan aspectos desfavorables en los circuitos osciladores de anillo orgánicos completamente fabricados por impresión: capacidades de fuente/drenador–puerta del orden de decenas de picofaradios por mm, velocidades insuficientes y voltajes de operación altos (de 20100 V)35. Sin embargo, ya se han presentado RFID de un bit fabricadas con técnicas de impresión roll-to-roll que funcionan a la frecuencia de 13.56 MHz (Figura 4)32,33, que son aptas para bastantes aplicaciones de gama baja, como etiquetas antirrobo, en las que las tasas de transferencia, alcances y nivel de integración son menos exigentes, ya que el estado de conocimiento -si la fabricación emplea exclusivamente técnicas de impresión- no permite aún etiquetas RFID compatibles con los estándares de comunicación.

 

Figura 4. (a) Forma de onda con código de 64 bits transmitida por una etiqueta orgánica RFID, con una tasa de 150 bit/s32. (b) Fotografía de una etiqueta RFID orgánica fabricada por métodos de impresión sobre un substrato plástico flexible, desarrollada por PolyIC (arriba); detalles del proceso de fabricación (abajo).

Un enfoque para superar estas importantes limitaciones es el desarrollo de nuevas técnicas de impresión capaces de alcanzar resoluciones mejores y más controladas. En principio, técnicas para la definición de longitudes de canal en la escala submicrónica por impresión están disponibles34; sin embargo, dichas técnicas deberán ser integradas en procesos de impresión capaces de reducir las dimensiones de todas las capas críticas y tamaños de los rasgos, como los espesores de dieléctricos de puerta y las dimensiones de solapamiento, que determinan la frecuencia de conmutación, fT, de los transistores. Para seguir siendo compatibles con la fabricación desde solución para superficies amplias, se precisa autoalineamiento. Noh et al. han presentado recientemente un proceso de impresión por chorro de tinta autoalineado para fabricar FETs orgánicos con longitudes de canal submicrónicas36. En él se emplea una arquitectura de puerta autoalineada, que reduce las capacidades parásitas fuente/drenador – puerta a valores de menos de 0.3 pF/mm. El proceso para definir longitudes 8 

 

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de canal y estructuras de puerta autoalineadas se muestra en la Figura 5. El dispositivo utiliza capas de dieléctrico muy delgadas (50 nm) para asegurar un buen escalado del dispositivo. Con este proceso se han conseguido FETs orgánicos basados en polímeros con voltajes de funcionamiento menores de 5V y movilidades de 0.1 cm2/(V s), y una frecuencia de conmutación superior a 1 MHz. Estos dispositivos suponen un importante avance frente a los FETs impresos comentados anteriormente, y pueden constituir una tecnología de fabricación basada en impresión apta para circuitos de etiquetas más exigentes. Otro reto clave que tendrá que afrontarse tiene que ver con el nivel de integración necesario para hacer etiquetas RFID compatibles con los estándares de comunicaciones. Para integrar varios miles de transistores con un rendimiento de fabricación suficientemente alto, la etapa básica de inversor lógico debe tener un elevado margen de ruido para asegurar que el funcionamiento del circuito es inmune a variaciones en las características de los elementos individuales del circuito lógico que resultan inevitables cuando se utilizan procesos de fabricación basados en técnicas de impresión32. Esto, junto el requisito de funcionamiento a voltajes bajos, es una de las principales razones que animan al desarrollo de circuitos orgánicos complementarios25,37. Un inversor complementario normalmente tiene una ganancia considerablemente mayor y características de transferencia de voltaje más abruptas que un inversor implementado sólo con lógica tipo p, y esto facilitaría el lograr los altos márgenes de ruido requeridos para integrar un número elevado de transistores impresos con un rendimiento alto.

Figura 5. Proceso de impresión autoalineado (SAP) para reducir las dimensiones de los FETs orgánicos fabricados por impresión. (a) Diagrama esquemático del proceso SAP para definir una longitud de canal submicrométrica. El proceso se basa en permitir que gotas de solución conductoras fluyan desde la superficie de un primer electrodo predefinido a un segundo electrodo. SAM corresponde a monocapa autolineada. (b) Proceso para definir la puerta autoalineada (SAG) encima del dispositivo basado en: (i) exposición a la luz de una fotorresina negativa depositada encima de la capa delgada de dieléctrico de puerta (GD) a través de la parte posterior del substrato empleando los electrodos de fuente y drenador como máscaras de sombra, (ii) desarrollo posterior de la estructura de trinchera, y (iii) impresión del electrodo de puerta en la estructura de trinchera. SC corresponde a semiconductor. (c) Medida de la frecuencia de conmutación de los FETs, donde fT puede extraerse de la intersección entre las curvas de corriente de fuente y drenador, para transistores de F8T2 (negro) y de PBTTT con longitudes de canal submicrónicas (rojo) y con una puerta autoalineada (SAG) además (azul). (Tomado de Ref. 36).

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Aplicaciones multifuncionales Un punto fuerte de los dispositivos orgánicos es la facilidad con la que diferentes funcionalidades de dispositivo pueden integrarse en una plataforma de materiales común. Los OLED han evolucionado hasta convertirse en una de las fuentes de luz más eficientes; los fotodetectores y células fotovoltaicas orgánicas son capaces de alcanzar eficiencias cuánticas considerables; y los sensores biológicos, mecánicos y químicos, así como los dispositivos de memoria, basados en materiales orgánicos, están siendo desarrollados para una amplia variedad de aplicaciones. Todas estas funcionalidades pueden, en principio, llevarse a cabo utilizando materiales similares que pueden ser procesados utilizando un conjunto de tecnologías de fabricación comunes. Por tanto, al integración de dispositivos multifuncionales en un substrato común es más sencilla para los componentes orgánicos que, por ejemplo, para dispositivos basados en silicio. Un ejemplo de dispositivo multifuncional puede ser un sensor ambiental inteligente, que monitorice una variable determinada o que proporcione una información concreta al usuario bajo demanda. Tal dispositivo podría tener una fuente de alimentación basada en células solares orgánicas, un procesamiento de información utilizando circuitos de FETs orgánicos, una memoria para el almacenamiento de la información, una pantalla táctil o teclado OLED (como el desarrollado por Unitedkeys) para permitir al usuario introducir información, y una pantalla OLED para permitirle acceder visualmente a la información almacenada en el dispositivo. Tales aplicaciones resultan visionarias a día de hoy, pero están surgiendo ejemplos sencillos de dispositivos orgánicos multifuncionales. La Figura 6 muestra un transistor orgánico de efecto de campo ambipolar capaz de emitir luz. Dicho dispositivo es capaz, bajo condiciones de polarización apropiadas, de formar capas de acumulación de huecos y de electrones simultáneamente en el canal38. En la frontera entre las zonas de acumulación de ambos tipos de portadores, se produce recombinación y se observa emisión de luz. Es posible desplazar la zona de recombinación a lo largo de toda la longitud de canal variando las condiciones de polarización. Tales dispositivos son una muestra de las propiedades de transporte de carga ambipolares que pueden lograrse con semiconductores orgánicos cuando se utilizan dieléctricos de puerta y configuración de dispositivo apropiadas. No obstante, también ilustran la relativa facilidad con la pueden implementarse funciones de procesado de información y funciones ópticas en una plataforma de materiales orgánicos común. Las aplicaciones que hacen uso de esta multifuncionalidad irán ganando importancia a medida que las tecnologías de LEDs, fotodiodos y transistores orgánicos se vayan asentando en el mercado.

Figura 5. Transistor orgánico de efecto de campo ambipolar emisor de luz. (a) Diagrama esquemático del funcionamiento, que muestra la formación simultánea de capas de acumulación de electrones y de huecos en diferentes zonas del canal, produciéndose emisión en la frontera entre ambas regiones. (b) Imagen de microscopía óptica de la emisión de luz38.

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Conclusiones Los materiales y la tecnología de fabricación de FETs orgánicos han alcanzado un nivel de desarrollo en el que demuestran que los requisitos de las aplicaciones del mundo real son alcanzables. De hecho, la primera generación de FETs orgánicos ya está introduciéndose en el mercado para pantallas flexibles. Esta tecnología también tiene el potencial de hacerse omnipresente para un rango más amplio de aplicaciones, aunque aún deben resolverse una serie de retos tecnológicos para lograr los requisitos de rendimiento de las aplicaciones más exigentes. También siguen pendientes aspectos relacionados con una mayor comprensión de la estructura electrónica y de las propiedades de transporte de carga de los materiales semiconductores orgánicos y en concreto, de los límites de movilidad y niveles de rendimiento que pueden alcanzarse con materiales procesables desde solución. Es probable, sin embargo, conseguir importantes avances en el rendimiento tanto por medio de nuevos materiales como por mejoras en el control del auto-ensamblaje y la cristalización desde solución.

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Referencias                                                              1

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