IEEE-RITA Vol. 4, Núm. 1, Feb. 2009

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Tecnología de semiconductores orgánicos: fabricación de dispositivos electrónicos en aulas docentes J. Puigdollers, C. Voz, P. Ortega, I. Martín, A. Orpella, R. Alcubilla

Title—Organic semiconductor technology: fabrication of electronic devices in university classrooms. Abstract—In this paper, we describe the activity developed since 2005 at the Universitat Politecnica de Catalunya were students fabricate their own electronic devices based on organic semiconductors. The relative simplicity and low-cost of the systems used to fabricate this kind of devices, together with the harmless character of the processes and materials that are involved, make this experience appropriate for University classrooms. This activity is especially intended for students in their last period of formation or coursing a master degree. It has been designed as a guided laboratory work that also requires some initiative and previous self-documentation by the students. Therefore, this experience is well adapted in a natural manner to the European Credit Transfer System (ECTS) established in the European Higher Education Area (EHEA) framework. Index Terms—Electronics engineering education, Thin film devices, Organic compounds, Semiconductor device manufacture.

I. INTRODUCTION

L

OS trabajos de laboratorio en las asignaturas de dispositivos electrónicos consisten en general en la simulación o caracterización eléctrica de dispositivos comerciales. Difícilmente se aborda en dichas prácticas la fabricación real de dispositivos electrónicos activos. En el mejor de los casos, en asignaturas de tecnología puede abordarse la fabricación de elementos pasivos como resistencias o condensadores. Las razones son obvias, para la fabricación de dispositivos electrónicos con unas prestaciones eléctricas razonables se necesitan equipamientos que en la mayoría de los casos no se disponen ni a nivel de investigación en las universidades. En la actualidad, la mayoría de los dispositivos comerciales se fabrican utilizando semiconductores inorgánicos, tales

J. Puigdollers, C. Voz, P. Ortega, I. Martín, A. Orpella y R. Alcubilla son profesores del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Cataluña, c/ Jordi Girona 1-3, Campus Nord C4, 08034 Barcelona. (corresponding author J. Puigdollers tel: +34 93 401 10 02, fax: +34 93 401 67 56, e-mail: [email protected]) DOI (Digital Object Identifier) Pendiente

como el silicio, obteniéndose prestaciones electrónicas excelentes. No obstante, en los últimos años ha habido un gran interés en la obtención de dispositivos utilizando semiconductores orgánicos para su aplicación en sistemas electrónicos que requieran gran área y prestaciones electrónicas no muy exigentes[1]. Actualmente es posible fabricar dispositivos tan diversos como células solares fotovoltaicas[2], transistores en capa delgada[3] o diodos emisores de luz utilizando semiconductores orgánicos[4]. Esta última aplicación está tan desarrollada que ya existen dispositivos comerciales que incorporan pantallas OLED (organic light emitting diode). Existe una gran cantidad de semiconductores orgánicos y la investigación en su síntesis ha experimentado un gran progreso en los últimos años. En la actualidad es posible sintetizar semiconductores orgánicos a la carta, es decir, buscando unas propiedades predeterminadas de acuerdo con la función de los dispositivos que se quieren fabricar. En general, los semiconductores orgánicos pueden dividirse en dos grandes familias según su estructura química: polímeros (formados por largas cadenas de monómeros) y oligómeros (formados por una o unas pocas moléculas). La obtención de capas delgadas a partir de estos semiconductores es diferente según estemos trabajando con polímeros o con moléculas pequeñas. Para los polímeros el proceso habitual de depósito es la técnica conocida como spin-coating. El proceso consiste en obtener una disolución del polímero en un disolvente orgánico que se vierte en una pequeña cantidad sobre el substrato utilizado. Posteriormente se hace rotar el substrato a gran velocidad, típicamente por encima de 1000 revoluciones por minuto, distribuyéndose todo el líquido sobre su superficie. Al evaporarse el disolvente se obtienen capas delgadas bastante uniformes del polímero semiconductor con grosores de centenares de nanómetros. Por el contrario, los semiconductores orgánicos en pequeña molécula se depositan mediante evaporación térmica en cámaras de vacío. Ambas tecnologías permiten obtener dispositivos con notables propiedades eléctricas. Tanto el spin-coating como la evaporación en vacío son técnicas de depósito relativamente sencillas, pueden comprenderse de forma intuitiva, y apenas requieren formación previa para su utilización.

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En este artículo vamos a describir una serie de experiencias piloto que se han realizado en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) para la titulación de segundo ciclo de Ingeniería Electrónica en la asignatura Dispositivos Electrónicos y Fotónicos 2. El contenido de esta asignatura incluye la descripción del funcionamiento y tecnología de los transistores de efecto de campo, los dispositivos de heterounión, así como LEDs y células solares. Por tanto, la fabricación de dispositivos basados en semiconductores orgánicos se integra perfectamente en el temario de la asignatura y permite que los alumnos conozcan las tendencias

Fig. 2. Los semiconductores orgánicos se pueden adquirir comercialmente de forma relativamente sencilla (izquierda). En general, son totalmente inocuos por lo que pueden manipularse sin precauciones especiales. A la derecha se muestran capas delgadas de diferentes semiconductores orgánicos obtenidas bien por evaporación en vacío o por spin-coating de disoluciones.

Así puede prescindirse de microscopios o micromanipuladores que encarecerían la experiencia sin aportar ningún concepto nuevo. II. ESQUEMA DE LA PRÁCTICA

Fig. 1. En la parte superior se muestra la estructura de los transistores de efecto de campo en capa delgada que se han fabricado utilizando pentaceno como capa semiconductora. También se muestra la imagen de uno de los dispositivos. En la parte inferior se muestra la estructura de un fotodiodo de pentaceno, otro tipo de dispositivo que también se ha fabricado. Al lado mostramos la estructura de la molécula de pentaceno formada por cinco anillos de benceno.

más novedosas electrónicos.

en

la

investigación

en

A continuación describiremos como se han desarrollado las prácticas de laboratorio realizadas en las que se han fabricado y caracterizado dispositivos electrónicos basados en semiconductores orgánicos. Con la realización de este tipo de prácticas se persiguen varios objetivos. Por una parte, los alumnos participan activamente en la fabricación de un dispositivo semiconductor, ya sea un transistor o un fotodiodo. Posteriormente miden algunas de las características eléctricas más relevantes: para el transistor la característica de salida y para el fotodiodo la curva corriente-tensión, por ejemplo. Las prestaciones obtenidas en los dispositivos fabricados se comparan con las de dispositivos similares reportados en la literatura científica. Así, podemos distinguir las siguientes etapas o apartados en esta actividad:

dispositivos

En los trabajos de laboratorio realizados hasta ahora ya se han fabricado tanto fotodiodos como transistores de efecto de campo en capa delgada utilizando pentaceno (C22H14) como semiconductor orgánico (Fig. 1). El pentaceno es una pequeña molécula consistente en cinco anillos de benceno enlazados formando una cadena aromática. Es uno de los semiconductores orgánicos más estudiados por sus buenas prestaciones eléctricas, por eso lo hemos escogido para la fabricación de nuestros dispositivos. No obstante, en el futuro para dar una mayor riqueza y diversidad a los experimentos se prevé incorporar en estas experiencias pigmentos como la ftalocianina de cobre (CuPc)[5] o el fulereno (C60)[6]. Cualquiera de los semiconductores orgánicos que se consideran para este tipo de experiencias puede obtenerse comercialmente de una forma relativamente sencilla (Fig. 2). Por otra parte, los dispositivos que fabrican los alumnos se diseñan de forma que tengan áreas de contacto suficientemente grandes (del orden de unos milímetros) para poder ser caracterizados y manipulados con cierta comodidad.

• • • •

Descripción del proceso de fabricación Fabricación de los dispositivos Caracterización eléctrica Análisis y discusión de los resultados

A continuación se describen en detalle los diferentes apartados de la práctica. A. Descripción del proceso de fabricación Es conveniente dedicar una primera sesión a describir el proceso de fabricación. En una presentación se muestra a los alumnos la estructura de los dispositivos y se identifican las distintas capas de materiales que deberán depositarse, tal y como se mostraron en la figura 1. Se introduce la sencilla tecnología que van a utilizar y se compara con los recursos que necesitarían si quisiesen fabricar dispositivos basados en los clásicos semiconductores inorgánicos como el silicio. Posteriormente se visita el laboratorio y se presentan los diferentes equipos que van a utilizar a lo largo de la práctica. En particular se describe el funcionamiento de la evaporadora

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y del spinner (Fig. 3). No es necesario extenderse demasiado porque en las sesiones de fabricación tendrán tiempo de familiarizarse con el uso de estos equipos. Si bien existe una amplia documentación bibliográfica sobre las tecnologías de depósito de materiales en capa delgada[7], no es necesario profundizar en los fundamentos básicos de técnicas como el spin-coating o la evaporación en vacío. Este no es el objetivo principal de esta actividad y los procesos pueden entenderse

Fig. 3. A la izquierda se muestra el interior de la evaporadora que se utilizará para depositar tanto las capas de semiconductor orgánico de pequeña molécula como los contactos metálicos de los dispositivos. En primer plano se observa el crisol de evaporación fabricado manualmente y las barras roscadas que actúan como pasante de corriente. A la derecha se observa el spinner comercial que utilizarán los alumnos para depositar el dieléctrico PMMA de los transistores en capa delgada. En futuras experiencias el spinner también se utilizará para depositar polímeros semiconductores.

de forma bastante intuitiva a partir de la explicación del profesor. B. Fabricación de los dispositivos En cuatrimestres alternos se han fabricado fotodiodos y transitores en capa delgada utilizando siempre pentaceno como semiconductor orgánico para la capa activa de los dispositivos. En el futuro se planea diversificar los trabajos de manera que, en un mismo cuatrimestre, grupos de alumnos fabriquen distintos tipos de dispositivos. Para dar todavía mayor riqueza a la experiencia, se prevé además ir incorporando paulatinamente nuevos semiconductores orgánicos. Éstos materiales pueden obtenerse comercialmente en forma de polvo apto para la técnica de evaporación de compañías como Sigma–Aldrich (www.sigmaaldrich.com). Los metales utilizados para los electrodos, aluminio u oro de gran pureza, también pueden obtenerse comercialmente de la compañía Goodfellow (www.goodfellow.com). Obviamente, estas compañías se indican a modo de ejemplo y existen otras que también pueden servir estos materiales. A continuación pasamos a describir brevemente las tareas que realizan los alumnos en las sesiones de fabricación de los dispositivos. b.1) Fotodiodos de pentaceno La estructura de los fotodiodos de pentaceno se muestra en la parte inferior de la figura 1. Para la actividad en el laboratorio, el alumno partirá de un sustrato de vidrio ya recubierto previamente con un electrodo transparente. En

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nuestro caso, utilizamos portaobjetos de microscopio con una capa de ITO (óxido de estaño dopado con indio) depositada por la técnica de pulverización catódica en nuestras propias instalaciones de investigación. El ITO es un óxido conductor de gran transparencia (transmisión óptica del 90% en el visible) a la vez que elevada conductividad eléctrica (resistividad menor de 1 mΩ·cm). Por motivos de tiempo y complejidad este proceso queda fuera de la experiencia con los alumnos, aunque sí se les explica el proceso de preparación y se les enseña el equipo utilizado. Alternativamente, también sería posible obtener directamente substratos de este tipo comerciales, por ejemplo de la compañía Sigma-Aldrich. El trabajo inicial de los alumnos consistirá en practicar con el equipo de evaporación y realizar algunos depósitos de prueba tanto de capas de pentaceno como de aluminio (Fig. 4). Los crisoles de evaporación se fabrican manualmente moldeando piezas de chapa de molibdeno de 50 μm de espesor que pueden obtenerse en ferreterías especializadas. Las muestras de pentaceno depositadas sobre vidrio desnudo se utilizan para medir la transmisión óptica y determinar, por ejemplo, el gap del semiconductor. En las capas de aluminio el profesor enseña a los alumnos a medir el espesor de las capas metálicas por la técnica de perfilometría. Estas actividades acostumbran a ocupar toda una sesión completa de laboratorio. En la siguiente sesión los alumnos ya podrán fabricar con total confianza el dispositivo completo. El primer paso consistirá en evaporar una capa de pentaceno de forma controlada y a un bajo ritmo de depósito (