美大學(xué)開發(fā)出納米結(jié)構(gòu)柵極電介質(zhì)使半導(dǎo)體晶體管更加穩(wěn)定

導(dǎo)讀:近日，美國(guó)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)電子（Organic electronics）方面的創(chuàng)新技術(shù)。有機(jī)電子屬于一個(gè)新興的前沿科技領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)的硅基無機(jī)電子器件，它是由碳基的高分子和小分子材料制成。

有機(jī)電子器件的優(yōu)勢(shì)包括：廉價(jià)、輕量、柔性等等。此外，有機(jī)電子器件的應(yīng)用前景也非常好，例如：太陽能電池、存儲(chǔ)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(guó)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(jī)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(gè)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(shí)保護(hù)有機(jī)半導(dǎo)體（之前，有機(jī)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(xiàng)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(guó)海軍研究辦公室、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室、美國(guó)國(guó)家核安全局。

技術(shù)

該晶體管由三個(gè)電極組成。只有當(dāng)電壓施加于柵極時(shí)，源極和漏極才會(huì)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(jī)半導(dǎo)體材料分離。佐治亞理工學(xué)院開發(fā)的架構(gòu)獨(dú)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(jí)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(shí)，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(shì)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(shí)，使得晶體管可以承受得住浸入鄰近沸點(diǎn)的水中?！?/span>

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(shì)壘特性的時(shí)候，我們驚訝于具有這種新架構(gòu)的晶體管運(yùn)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(yùn)行幾百小時(shí)。這是我們迄今為止制造出的最穩(wěn)定的基于有機(jī)物的晶體管?！?/span>

對(duì)于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)的ALD生長(zhǎng)技術(shù)制造納米疊層。但是更新的工藝?yán)缈臻gALD（利用多個(gè)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(kuò)展的工業(yè)工藝，而且我們認(rèn)為它將使有機(jī)薄膜晶體管開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段?！?/span>

對(duì)于晶體管來說，一個(gè)顯著的應(yīng)用就是控制iPhone X 和三星手機(jī)中使用的有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）的像素。這些像素現(xiàn)由傳統(tǒng)無機(jī)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(jī)薄膜晶體管制造。

價(jià)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(jī)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(jià)地制造有機(jī)薄膜晶體管。這也有望開辟利用簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)工程學(xué)院（ECE）教授、佐治亞理工學(xué)院有機(jī)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(jī)電路，可以像傳統(tǒng)無機(jī)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(diǎn)，從而應(yīng)對(duì)有機(jī)印刷器件長(zhǎng)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(jī)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(chǔ)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(shí)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(gè)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。”

未來

Kippelen 的團(tuán)隊(duì)，也包括 Xiaojia Jia、Cheng-Yin Wang、Youngrak Park，使用有機(jī)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(jī)半導(dǎo)體上，測(cè)試他們的工藝。他們也計(jì)劃在不同的彎曲條件下，通過更長(zhǎng)的時(shí)間，以及其他的器件平臺(tái)例如光電檢測(cè)器，繼續(xù)測(cè)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(shí)，晶體材料例如硅或者氮化鎵將肯定具有一個(gè)光明和長(zhǎng)久的未來。但是對(duì)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(jī)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(qiáng)大的器件技術(shù)?！?/span>

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).