Nanostructured שער דיאלקטרי מגביר יציבות של טרנזיסטורים סרט דק אורגני

Anonim

Nanostructured שער דיאלקטרי אולי התייחס המכשול המשמעותי ביותר להרחיב את השימוש של מוליכים למחצה אורגני עבור סרט דק טרנזיסטורים. המבנה, המורכב משכבת ​​fluoropolymer ואחריו nanolaminate עשוי משני חומרים תחמוצת מתכת, משמש שער דיאלקטרי ובו זמנית מגן על מוליכים למחצה אורגני - אשר בעבר היו חשופים לנזק הסביבה הסביבה - ומאפשר הטרנזיסטורים לפעול עם תקדים יַצִיבוּת.

המבנה החדש נותן יציבות טרנזיסטורים סרט דק דומה לאלה שנעשו עם חומרים אנאורגניים, המאפשר להם לפעול בתנאי הסביבה - אפילו מתחת למים. אורגני סרט דק טרנזיסטורים ניתן לבצע בזול בטמפרטורות נמוכות על מגוון רחב של מצעים גמישים באמצעות טכניקות כגון הדפסת דיו, פוטנציאל פתיחת יישומים חדשים לנצל את תהליכי ייצור פשוטים, תוסף.

"יש לנו עכשיו הוכח גיאומטריה כי התשואות ביצועים לכל החיים כי בפעם הראשונה לקבוע כי מעגלים אורגניים יכולים להיות יציבים כמו מכשירים המיוצר עם טכנולוגיות אורגניים קונבנציונאלי", אמר ברנרד Kippelen, פרופסור ג 'וזף פטיט בבית הספר של ג' ורג 'יה טק של חשמל ו הנדסת מחשבים (ECE) ומנהל המרכז לג'ורג'יה טק עבור אורגני Photonics ואלקטרוניקה (COPE). "זה יכול להיות נקודת המפנה עבור טרנזיסטורים סרט דק אורגני, פונה חששות ארוכת שנים על היציבות של התקנים מבוססי אורגני להדפסה."

המחקר פורסם ב -12 בינואר בכתב העת Science Advances. המחקר הוא שיאו של 15 שנים של פיתוח בתוך COPE ונתמך על ידי נותני החסות כולל משרד המחקר של הצי, חיל האוויר של המחקר המדעי, ואת לאומי לביטחון גרעיני המינהל.

טרנזיסטורים מהווים שלוש אלקטרודות. המקור ואת אלקטרודות ניקוז לעבור הנוכחי כדי ליצור את "על" המדינה, אבל רק כאשר מתח מוחל על האלקטרודה השער, אשר מופרדים מן החומר המוליך למחצה אורגני על ידי שכבת דיאלקטרי דק. היבט ייחודי של הארכיטקטורה שפותחה בג'ורג'יה טק היא כי שכבת דיאלקטרי זה משתמש בשני מרכיבים, fluoropolymer ו-תחמוצת מתכת שכבת.

"כאשר פיתחנו לראשונה את הארכיטקטורה הזו, שכבת תחמוצת מתכת זו היתה תחמוצת אלומיניום, אשר חשופה לפגיעה בלחות", אמר קאנק פואנטס-הרננדז, מדען בכיר ומחקר משותף של העיתון. "בשיתוף פעולה עם פרופסור ג 'ורג' יה טק סמואל גרהם, פיתחנו מחסומים nanolaminate מורכבים אשר יכול להיות מיוצר בטמפרטורות מתחת 110 מעלות צלזיוס, וכי כאשר משמש דיאלקטרי שער, אפשר טרנזיסטורים כדי להיות שקועים במים ליד נקודת הרתיחה שלה."

הארכיטקטורה החדשה טק גאורגיה משתמשת שכבות לסירוגין של תחמוצת אלומיניום תחמוצת הפניום - חמש שכבות של אחד, ולאחר מכן חמש שכבות של השני, חזר 30 פעמים על פני fluoropolymer - כדי להפוך את דיאלקטרי. שכבות תחמוצת מיוצרים עם בתצהיר שכבת אטומית (ALD). Nanolaminate, אשר בסופו של דבר להיות בערך 50 ננומטר עבה, הוא כמעט חסין בפני ההשפעות של לחות.

"למרות שידענו כי הארכיטקטורה הזאת הניבה מאפייני מחסום טובים, התנפצנו עד כמה טרנזיסטורים יציבים פעלו עם הארכיטקטורה החדשה", אמר פואנטס-הרננדז. "הביצועים של טרנזיסטורים אלה נותרו כמעט ללא שינוי גם כאשר הפעלנו אותם במשך מאות שעות ובטמפרטורות גבוהות של 75 מעלות צלזיוס, וזה היה הטרנזיסטור היציב ביותר המבוסס על אורגני שפיתחנו אי פעם".

לצורך הדגמת המעבדה, החוקרים השתמשו במצע זכוכית, אך ניתן להשתמש גם בחומרים גמישים רבים אחרים - כולל פולימרים ואפילו נייר.

במעבדה, החוקרים השתמשו בטכניקות צמיחה סטנדרטיות ALD כדי לייצר את הננולמינאט. אבל תהליכים חדשים יותר המכונה ALD מרחבי - ניצול ראשי מרובים עם חרירי המספק את מבשרי - יכול להאיץ את הייצור ולאפשר את המכשירים להיות בקנה מידה בגודל. "ALD הגיע כעת לרמה של בגרות שבו הוא הפך תהליך תעשייתי להרחבה, ואנו חושבים שזה יאפשר שלב חדש בהתפתחות של טרנזיסטורים סרט דק אורגני", אמר Kippelen.

יישום ברור הוא טרנזיסטורים השולטים פיקסלים באור אורגני פולטות מציג (OLEDs) המשמשים התקנים כגון iPhone X ו Samsung טלפונים. פיקסלים אלה נשלט כעת על ידי טרנזיסטורים מפוברק עם מוליכים למחצה אורגניים קונבנציונאלי, אבל עם יציבות נוספת המסופקת על ידי nanolaminate החדש, הם יכולים אולי להיעשות עם טרנזיסטורים סרט דק אורגני להדפסה במקום.

האינטרנט של דברים (IoT) התקנים יכול גם להפיק תועלת מאופשר מופעלת על ידי הטכנולוגיה החדשה, המאפשר ייצור עם מדפסות הזרקת דיו אחרים בעלות נמוכה ההדפסה ותהליכי ציפוי. הטכניקה ננולמינאט יכול גם לאפשר פיתוח של מכשירים מבוססי נייר זול, כגון כרטיסים חכמים, כי ישתמשו אנטנות, מציג וזיכרון מפוברק על נייר באמצעות תהליכים בעלות נמוכה.

אבל היישומים הדרמטיים ביותר יכול להיות מציג גמיש מאוד גדול שיכול להיות מגולגל כאשר לא בשימוש.

"אנחנו נהיה איכות תמונה טובה יותר, גודל גדול יותר ופתרון טוב יותר", אמר קיפלן. "כאשר המסכים האלה הופכים גדולים יותר, גורם הצורה הנוקשה של תצוגות קונבנציונליות יהיה מגבלה.טמפרטורה נמוכה עיבוד בטכנולוגיה פחמן מבוסס יאפשר המסך להיות מגולגל, מה שהופך אותו קל לשאת מסביב ופחות רגישים לנזק.

להפגנתם, צוות של Kippelen - אשר כולל גם Xiaojia Jia, צ'נג יין וואנג ו Youngrak פארק - השתמש במודל מוליכים למחצה אורגני. החומר בעל תכונות ידועות, אבל עם ערכי ניידות הספק של 1.6 cm2 / Vs אינו המהיר ביותר הזמין. כצעד הבא, החוקרים היו רוצים לבדוק את התהליך שלהם על מוליכים למחצה אורגני חדש המספקים ניידות תשלום גבוה יותר. הם גם מתכננים להמשיך לבדוק את nanolaminate בתנאים כיפוף שונים, על פני תקופות זמן ארוכות יותר, ובפלטפורמות התקן אחרות כגון photodetectors.

למרות האלקטרוניקה מבוססי פחמן מרחיבים את יכולות המכשיר שלהם, חומרים מסורתיים כמו סיליקון אין מה לחשוש.

"כשמדובר במהירויות גבוהות, חומרים גבישיים כמו סיליקון או גליום ניטריד בהחלט יש עתיד בהיר וארוך מאוד, " אמר Kippelen. "אבל עבור יישומים עתידיים רבים מודפסים, שילוב של מוליכים למחצה אורגני האחרונה עם ניידות תשלום גבוה יותר ואת דיאלקטרי שער nanostructured יספק טכנולוגיית המכשיר חזק מאוד."

menu
menu