Nanostruktura zwiększa stabilność organicznych cienkowarstwowych tranzystorów

Anonim

Nanostrukturalny dielektryk bramkowy mógł być najważniejszą przeszkodą w rozszerzeniu zastosowania organicznych półprzewodników do cienkowarstwowych tranzystorów. Struktura złożona z warstwy fluoropolimeru, po której następuje nanolaminat wykonany z dwóch materiałów tlenków metali, służy jako dielektryk bramki i jednocześnie chroni organiczny półprzewodnik - który był wcześniej podatny na uszkodzenia ze środowiska otoczenia - i umożliwia działanie tranzystorów z niespotykanym dotąd poziomem stabilność.

Nowa struktura zapewnia stabilność cienkowarstwowych tranzystorów porównywalnych do tych wykonanych z materiałów nieorganicznych, umożliwiając ich pracę w warunkach otoczenia - nawet pod wodą. Organiczne tranzystory cienkowarstwowe można wytwarzać niedrogo w niskiej temperaturze na różnych elastycznych podłożach za pomocą technik takich jak druk atramentowy, potencjalnie otwierając nowe aplikacje, które wykorzystują proste, dodatkowe procesy wytwarzania.

"Udowodniliśmy, że geometria zapewnia wydajność na całe życie, która po raz pierwszy ustali, że obwody organiczne mogą być tak stabilne, jak urządzenia wyprodukowane przy użyciu konwencjonalnych technologii nieorganicznych" - powiedział Bernard Kippelen, profesor Joseph M. Pettit z Georgia Tech's School of Electrical i Computer Engineering (ECE) i dyrektor Centrum Gruntów Tech dla Organicznej Fotoniki i Elektroniki (COPE). "To może być punkt krytyczny dla organicznych tranzystorów cienkowarstwowych, rozwiązujący długotrwałe obawy dotyczące stabilności urządzeń do druku na bazie organicznej".

Badania zostaną opublikowane 12 stycznia w czasopiśmie Science Advances. Badania stanowią kulminację 15 lat rozwoju w ramach COPE i były wspierane przez sponsorów, w tym Biuro Badań Marynarki, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych oraz Krajową Administrację Bezpieczeństwa Nuklearnego.

Tranzystory zawierają trzy elektrody. Elektrody źródła i drenu przepuszczają prąd, aby wytworzyć stan "włączony", ale tylko wtedy, gdy do elektrody bramki zostanie doprowadzone napięcie oddzielone od organicznego materiału półprzewodnikowego cienką warstwą dielektryczną. Unikalnym aspektem architektury opracowanej w Georgia Tech jest to, że ta warstwa dielektryczna wykorzystuje dwa składniki, fluoropolimer i warstwę tlenku metalu.

"Kiedy po raz pierwszy opracowaliśmy tę architekturę, ta warstwa tlenku metalu była tlenkiem glinu, który jest podatny na uszkodzenia spowodowane wilgocią" - powiedział Canek Fuentes-Hernandez, starszy naukowiec i współautor artykułu. "Pracując we współpracy z profesorem Samuelem Grahamem z Georgii, opracowaliśmy złożone bariery nanolaminatowe, które można wytwarzać w temperaturach poniżej 110 stopni Celsjusza, i które, gdy są stosowane jako dielektryk bramkowy, umożliwiły tranzystorom zanurzenie w wodzie w pobliżu jej temperatury wrzenia."

Nowa architektura Georgia Tech wykorzystuje naprzemienne warstwy tlenku glinu i tlenku hafnu - pięć warstw jednej, a następnie pięć warstw drugiej, powtórzone 30 razy na wierzchu fluoropolimeru - aby uzyskać dielektryk. Warstwy tlenku są wytwarzane z osadzaniem warstwy atomowej (ALD). Nanolaminat, który kończy się grubością około 50 nanometrów, jest praktycznie odporny na działanie wilgoci.

"Chociaż wiedzieliśmy, że ta architektura zapewnia dobre właściwości barierowe, byliśmy zaskoczeni tym, jak stabilnie pracują tranzystory z nową architekturą", powiedział Fuentes-Hernandez. "Wydajność tych tranzystorów pozostała praktycznie niezmieniona, nawet gdy działaliśmy przez setki godzin i w podwyższonej temperaturze 75 stopni Celsjusza, był to zdecydowanie najbardziej stabilny tranzystor oparty na bazie organicznej, jaki kiedykolwiek wyprodukowaliśmy."

W celu przeprowadzenia demonstracji laboratoryjnej naukowcy wykorzystali szklane podłoże, ale można również użyć wielu innych elastycznych materiałów - w tym polimerów, a nawet papieru.

W laboratorium naukowcy wykorzystali standardowe techniki wzrostu ALD do produkcji nanolaminatu. Jednak nowsze procesy, określane jako przestrzenne ALD - wykorzystujące wiele głowic z dyszami dostarczającymi prekursory - mogą przyspieszyć produkcję i umożliwić skalowanie urządzeń. "ALD osiągnął już poziom dojrzałości, w którym stał się skalowalnym procesem przemysłowym i uważamy, że pozwoli to na nową fazę rozwoju organicznych cienkowarstwowych tranzystorów" - powiedział Kippelen.

Oczywistym zastosowaniem są tranzystory sterujące pikselami w organicznych wyświetlaczach emitujących światło (OLED) używanych w takich urządzeniach jak telefony iPhone X i Samsung. Piksele te są teraz kontrolowane przez tranzystory wykonane tradycyjnymi nieorganicznymi półprzewodnikami, ale z dodatkową stabilnością zapewnioną przez nowy nanolaminat, mogą one być zamiast tego wykonane z drukowanymi organicznymi cienkowarstwowymi tranzystorami.

Urządzenia Internet of Things (IoT) mogą również skorzystać z możliwości produkcyjnych dzięki nowej technologii, umożliwiając produkcję za pomocą drukarek atramentowych i innych niedrogich procesów drukowania i powlekania. Technika nanolaminianu mogłaby również pozwolić na opracowanie niedrogich urządzeń opartych na papierze, takich jak inteligentne bilety, które wykorzystywałyby anteny, wyświetlacze i pamięć wytwarzaną na papierze poprzez tanie procesy.

Ale najbardziej dramatyczne aplikacje mogą dotyczyć bardzo dużych elastycznych wyświetlaczy, które można zwinąć, gdy nie są używane.

"Otrzymamy lepszą jakość obrazu, większy rozmiar i lepszą rozdzielczość" - powiedział Kippelen. "Ponieważ ekrany te stają się większe, ograniczeniem będzie sztywny kształt konwencjonalnych wyświetlaczy, a niska temperatura przetwarzania dzięki technologii węglowej pozwoli na zwijanie ekranu, co ułatwia jego przenoszenie i mniejszą podatność na uszkodzenia.

Dla ich demonstracji zespół Kippelena - w skład którego wchodzą również Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang i Youngrak Park - użył modelu organicznego półprzewodnika. Materiał ma dobrze znane właściwości, ale z mobilnością nośnika wartości 1, 6 cm2 / Vs nie jest najszybszy dostępny. W kolejnym kroku naukowcy chcieliby przetestować swój proces na nowszych półprzewodnikach organicznych, które zapewniają wyższą mobilność ładunku. Planują również kontynuować testowanie nanolaminatu w różnych warunkach zginania, w dłuższych okresach czasu oraz w innych platformach urządzeń, takich jak fotodetektory.

Choć elektronika na bazie węgla rozszerza możliwości swoich urządzeń, tradycyjne materiały, takie jak krzem, nie mają się czego obawiać.

"Jeśli chodzi o duże prędkości, krystaliczne materiały, takie jak krzem lub azotek galu, z pewnością będą miały jasną i bardzo długą przyszłość", powiedział Kippelen. "Jednak w przypadku wielu przyszłych zastosowań drukowanych połączenie najnowszego półprzewodnika organicznego z większą mobilnością ładunku i dielektrykiem o strukturze nanostrukturalnej zapewni bardzo wydajną technologię urządzenia."

menu
menu