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導(dǎo)讀:近日,美國佐治亞理工學(xué)院的科研人員開發(fā)出一種納米結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)。它為有機半導(dǎo)體拓展應(yīng)用于薄膜晶體管,掃清了最主要的障礙。它不僅可以保護(hù)有機半導(dǎo)體,還可以使得晶體管達(dá)到前所未有的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵字:有機電子、半導(dǎo)體、晶體管
背景
前幾天,筆者剛介紹過有關(guān)有機電子(Organic electronics)方面的創(chuàng)新技術(shù)。有機電子屬于一個新興的前沿科技領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)的硅基無機電子器件,它是由碳基的高分子和小分子材料制成。
有機電子器件的優(yōu)勢包括:廉價、輕量、柔性等等。此外,有機電子器件的應(yīng)用前景也非常好,例如:太陽能電池、存儲器、薄膜晶體管、電致變色薄膜、生物電子等等。
創(chuàng)新
近日,美國佐治亞理工學(xué)院(Georgia Tech)的科研人員開發(fā)出一種納米結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)。它為有機半導(dǎo)體拓展應(yīng)用于薄膜晶體管,掃清了最主要的障礙。
這個結(jié)構(gòu)由含氟聚合物層和兩種金屬氧化物材料制成的納米疊層組成,作為柵極電介質(zhì)使用,并同時保護(hù)有機半導(dǎo)體(之前,有機半導(dǎo)體一直容易受到環(huán)境影響而發(fā)生損傷。),并使得晶體管的工作達(dá)到前所未有的穩(wěn)定性。
這項研究發(fā)表于1月12日的《Science Advances》雜志。研究標(biāo)志著15年來COPE研發(fā)的最高成就,它的贊助者包括:美國海軍研究辦公室、美國空軍科學(xué)研究辦公室、美國國家核安全局。
技術(shù)
該晶體管由三個電極組成。只有當(dāng)電壓施加于柵極時,源極和漏極才會有電流通過,從而創(chuàng)造出“開”的狀態(tài)。柵極通過一層薄電介質(zhì)與有機半導(dǎo)體材料分離。佐治亞理工學(xué)院開發(fā)的架構(gòu)獨特性在于,這種電介質(zhì)使用了兩種元件:含氟聚合物和金屬氧化物層。
高級研究科學(xué)家、論文的合著者之一 Canek Fuentes-Hernandez 表示:“當(dāng)我們首次開發(fā)這種結(jié)構(gòu)時,這種金屬氧化物層是氧化鋁,它很容易受到濕度影響而發(fā)生損壞。我們與佐治亞理工學(xué)院的教授 SamuelGraham 展開合作,開發(fā)出一種復(fù)雜的納米疊層勢壘,它可以在低于110攝氏度的溫度下生產(chǎn),當(dāng)作為柵極電介質(zhì)使用時,使得晶體管可以承受得住浸入鄰近沸點的水中。”
佐治亞理工學(xué)院的新架構(gòu)使用氧化鋁和氧化鉿的交替層,五層是其中的一種,然后五層是另外一種,在含氟聚合物頂上重復(fù)30次,制造出電介質(zhì)。氧化層是通過原子層沉積(ALD)技術(shù)制造出來的。納米疊層,大約有50納米的厚度,幾乎不受濕度的影響。
Fuentes-Hernandez 表示:“當(dāng)我們了解到這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生出很好的勢壘特性的時候,我們驚訝于具有這種新架構(gòu)的晶體管運行的穩(wěn)定性。這些晶體管的性能幾乎保持不變,即使是在75攝氏度的高溫條件下運行幾百小時。這是我們迄今為止制造出的最穩(wěn)定的基于有機物的晶體管。”
對于實驗室演示來說,研究人員使用了一種玻璃基底,但是許多其他柔性材料,包括聚合物和紙張也可以使用。
在實驗室中,研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)的ALD生長技術(shù)制造納米疊層。但是更新的工藝?yán)缈臻gALD(利用多個噴嘴頭釋放前驅(qū)體),將加速生產(chǎn),讓器件可以按比例放大。Kippelen 表示:“現(xiàn)在ALD已達(dá)到了一定的成熟度,它已經(jīng)變成了一種可擴展的工業(yè)工藝,而且我們認(rèn)為它將使有機薄膜晶體管開發(fā)進(jìn)入一個新階段?!?/span>
對于晶體管來說,一個顯著的應(yīng)用就是控制iPhone X 和三星手機中使用的有機發(fā)光顯示器(OLED)的像素。這些像素現(xiàn)由傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體制造的晶體管控制,但是由于新型納米疊層提供的附加穩(wěn)定性,它們也可能通過可印刷的有機薄膜晶體管制造。
價值
這種新結(jié)構(gòu)賦予薄膜晶體管穩(wěn)定性,并使之可以與那些無機材料組成的薄膜晶體管相媲美,并使它們可以工作在各種環(huán)境下,甚至是水下。低溫條件下,在各種柔性基底上都可以采用例如噴墨打印之類的技術(shù),廉價地制造有機薄膜晶體管。這也有望開辟利用簡單的增材制造工藝的新應(yīng)用。
佐治亞理工學(xué)院電氣和計算機工程學(xué)院(ECE)教授、佐治亞理工學(xué)院有機光子和電子(COPE)中心主任 BernardKippelen 表示:“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明,一種可以產(chǎn)出終生性能的幾何形狀,它建立起的有機電路,可以像傳統(tǒng)無機技術(shù)制造出的器件一樣穩(wěn)定。這將成為薄膜晶體管的轉(zhuǎn)折點,從而應(yīng)對有機印刷器件長期存在的穩(wěn)定性問題?!?/span>
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)器件也得益于新技術(shù)工藝,它們可以通過噴墨打印機和其他低成本的印刷和涂覆工藝生產(chǎn)。這種納米疊層技術(shù)也可以用于開發(fā)低成本的紙基設(shè)備,例如智能票券。這些智能票券使用的天線、顯示器和存儲器,都可以通過低成本工藝,在紙張上制造出來。
但是,最引人注目的應(yīng)用將是非常大型的柔性顯示器,它在使用時可以卷起來。Kippelen 表示:“我們將得到更佳的圖片質(zhì)量,更大的尺寸和更高的分辨率。隨著這些屏幕變大,傳統(tǒng)顯示器的剛性規(guī)格將成為一個限制因素。低溫處理的碳基技術(shù)將讓屏幕可以卷曲,使得它可以隨身攜帶并且不易損壞?!?/span>
未來
Kippelen 的團(tuán)隊,也包括 Xiaojia Jia、Cheng-Yin Wang、Youngrak Park,使用有機半導(dǎo)體模型進(jìn)行了演示。這種材料具有眾所周知的特性,但是載流子遷移率值1.6 cm2/Vs 并不是最快的。下一步,他們研究人員想要在具有更高的電荷遷移率的更新型的有機半導(dǎo)體上,測試他們的工藝。他們也計劃在不同的彎曲條件下,通過更長的時間,以及其他的器件平臺例如光電檢測器,繼續(xù)測試納米疊層。
雖然碳基納米電子技術(shù)正在拓展器件功能,但是傳統(tǒng)材料例如硅也沒什么可怕的。Kippelen 表示:“當(dāng)達(dá)到高速時,晶體材料例如硅或者氮化鎵將肯定具有一個光明和長久的未來。但是對于許多印刷應(yīng)用來說,未來具有更高電荷遷移率的最新的有機半導(dǎo)體和納米結(jié)構(gòu)柵極電介質(zhì)將提供一種非常強大的器件技術(shù)。”
參考資料
【1】http://www.news.gatech.edu/2018/01/12/nanostructured-gate-dielectric-boosts-stability-organic-thin-film-transistors
【2】Xiaojia Jia, Canek Fuentes-Hernandez, Cheng-Yin Wang, Youngrak Park, Bernard Kippelen, Stable organic thin-film transistors; (Science Advances, 2018).