Inkjet printed microelectronic devices and circuits

Abstract

En els darrers anys ha anat creixent l’interès per la fabricació de sistemes de baix cost, flexibles i sobre gran àrea com, per exemple, les etiquetes RFID per a identificació de productes, les pantalles flexibles o les etiquetes intel•ligents entre d’altres. La tecnologia d’impressió electrònica (Printed Electronics) s’ha posicionat com una de les tecnologies alternatives de fabricació més prometedores pel fet de no utilitzar tècniques fotolitogràfiques i de buit. Alhora, la millora en materials orgànics i inorgànics ha provocat un increment en les prestacions dels dispositius impresos. Tot i això, la fabricació de transistors orgànics, element clau per a construir circuits electrònics d’adquisició o processament, es veu afectada per la poca resolució i registre entre capes de les tecnologies d’impressió actuals com inkjet o gravat. Per compensar-ho, els transistors implementats utilitzant aquestes tecnologies tenen llargades de canal molt grans i grans solapaments entre porta i font/drenador. Aquestes grans dimensions limiten les prestacions dels transistors impresos, tot i les millores obtingudes en els materials. Aquesta tesi està enfocada en contrarestar els problemes provocats per la poca resolució en impressió utilitzant tècniques de compensació i noves geometries de dispositius mantenint el procés completament inkjet. Aquest treball s’enfoca en el desenvolupament de dispositius microelectrònics passius i actius implementats amb maquinària inkjet de baix cost. He enfocat el meu esforç en el disseny, la fabricació i la caracterització (elèctrica i morfològica) amb l’objectiu de fer possible la fabricació de circuits integrats orgànics. En el marc de la tesi, s’han fabricat varis milers de transistors, capacitats i resistències exclusivament amb tecnologia inkjet. Tots els dispositius s’han caracteritzat tant elèctrica com morfològicament. S’ha dut a terme un gran número d’experiments per assegurar una fabricació eficient, estudiar la variabilitat dels paràmetres i obtenir dades estadísticament significatives. La variació en els processos de fabricació de transistors porta a una important variabilitat en els paràmetres dels dispositius impresos fins ara poc estudiada. Escalabilitat, variabilitat i rendiment s’han analitzat utilitzant diferents estratègies. S’han obtingut circuits digitals amb un comportament adient, demostrant l’estat actual de la tecnologia inkjet per a integrar dispositius impresos en circuits. Aquest és un primer pas en el camí per fabricar circuits més complexes amb tecnologia d’impressió inkjet. La quantitat de mostres fabricades amb tecnologia inkjet es pot considerar com un assoliment important i contribueix a millorar el coneixement del comportament i els orígens de fallades dels dispositius orgànics i impresos.

In the last years there has been a growing interest in the realization of low-cost, flexible and large area electronic systems such as item-level RFID tags, flexible displays or smart labels, among others. Printed Electronics has emerged as one of the most promising alternative manufacturing technologies due to its lithography- and vacuum-free processing. Related to this, organic and inorganic solution processed materials advanced rapidly improving the performance of printed devices. However, the fabrication of organic transistors, key element to build circuits for acquisition and processing, suffers from the poor resolution and layer-to-layer registration of current printing techniques such as inkjet and gravure printing. To compensate that transistors implemented in those technologies have large channel lengths and large gate to source/drain overlaps. These large dimensions limit the performance of the printed transistors, despite the improvements in materials. This thesis focuses on circumventing the printing resolution challenges using compensation techniques and new layout geometries while keeping an all-inkjet purely printing process. The dissertation deals with the development of microelectronic passive and active devices implemented using low-cost inkjet printing machinery. I focussed my effort in the design, manufacturing & characterization (electrical and morphological) points of view in order to allow the fabrication of organic integrated circuits. Several thousands of resistors, capacitors and transistors were fabricated, all of them fully inkjet-printed. All devices were morphologically and electrically characterized. A high number of experiments were developed to ensure efficient manufacturing and report on parameter variation, thus obtaining statistically significant data. Process variations present in transistor fabrication lead to a certain variability on the resulting transistor parameters that need to be taken in account. Scalability, variability and yield were analysed by using different strategies. Fabricated inverters show a clear inversion behaviour demonstrating the state of the inkjet fabrication process to integrate printed devices in circuits. This is a first step in the way to fabricate all-inkjet complex circuits. The amount of samples manufactured by the fully inkjet printing approach can be considered an outstanding achievement and contributes to a better knowledge of the behaviour and failure origins of organic and printed devices.