Nanoyapılı kapı dielektrik, organik ince film transistörlerin stabilitesini artırır

Anonim

Nanoyapılı bir kapı dielektrik, ince film transistörler için organik yarı iletkenlerin kullanımını genişletmek için en önemli engeli ele almış olabilir. İki metal oksit malzemeden yapılan bir nanolaminatın ardından bir floropolimer tabakasından oluşan yapı, kapı dielektrik olarak işlev görür ve aynı zamanda daha önce çevre ortamından gelen hasarlara karşı savunmasız olan organik yarı iletkenleri korur ve transistörlerin daha önce görülmemiş bir şekilde çalışmasını sağlar. istikrar.

Yeni yapı, inorganik malzemelerle yapılanlara benzer, ince film transistörlerinin stabilitesini sağlayarak, ortam koşullarında bile çalışabilmelerini sağlar - hatta su altında bile. Organik ince film transistörler, basit, katkı maddesi imalat işlemlerinden yararlanan yeni uygulamaları potansiyel olarak açmak suretiyle, mürekkep püskürtmeli baskı gibi teknikler kullanılarak çeşitli esnek alt tabakalar üzerinde düşük sıcaklıkta ucuza yapılabilir.

Gürcistan Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliğinden Joseph M. Pettit profesörü Bernard Kippelen, “Artık, organik devrelerin, geleneksel inorganik teknolojilerle üretilen cihazlar kadar sabit olabileceğini ilk kez belirleyen bir ömür boyu performans gösteren bir geometri olduğunu kanıtladık” dedi. Bilgisayar Mühendisliği (ECE) ve Georgia Tech'in Organik Fotonik ve Elektronik Merkezi (COPE) direktörü. “Bu, organik ince film transistörlerin organik esaslı yazdırılabilir cihazların kararlılığı ile ilgili uzun zamandır endişe duyma eğilimi olabilir.”

Araştırma, Science Advances dergisinde 12 Ocak'ta bildirildi. Araştırma, COPE içinde 15 yıllık gelişimin doruk noktasıdır ve Deniz Araştırmaları Bürosu, Hava Kuvvetleri Araştırmaları Dairesi ve Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi gibi sponsorlar tarafından desteklenmiştir.

Transistörler üç elektrot içerir. Kaynak ve boşaltma elektrotları, "açık" durumu yaratmak için akımı geçer, fakat sadece, ince bir dielektrik tabaka ile organik yarı iletken malzemeden ayrılan geçit elektroduna bir voltaj uygulandığında. Georgia Tech'te geliştirilen mimarinin benzersiz bir yönü, bu dielektrik tabakanın iki bileşen, bir floropolimer ve bir metal oksit tabakası kullanmasıdır.

"Bu mimariyi ilk geliştirdiğimizde, bu metal oksit tabakası, nemden zarar görmeye yatkın olan alüminyum oksitti, " diyor üst düzey bir araştırma bilimcisi ve gazetenin yazarı Canek Fuentes-Hernandez. "Gürcistan Teknik Profesörü Samuel Graham ile birlikte çalışarak, 110 santigrat derecenin altındaki sıcaklıklarda üretilebilen ve dielektrik olarak kullanıldığında, transistörlerin kaynama noktasına yakın bir yerde suya daldırılmalarını sağlayan karmaşık nanolaminat engelleri geliştirdik."

Yeni Georgia Tech mimarisi, dielektrik yapmak için alternatif katmanlar olan bir alüminyum oksit ve hafniyum oksit - beş katman bir, daha sonra beş katman diğerini, tekrar tekrar floropolimerden 30 kez tekrarlar. Oksit tabakaları, atomik katman biriktirme (ALD) ile üretilir. Yaklaşık 50 nanometre kalınlığında olan nanolaminat, neredeyse nemin etkilerine karşı bağışıktır.

Fuentes-Hernandez, “Bu mimarinin iyi bariyer özellikleri sağladığını biliyorken, ne kadar kararlı bir şekilde transistörlerin yeni mimariyle çalıştıklarını gördük” diyor. "Bu transistörlerin performansı, yüzlerce saat ve 75 santigrat derecedeki yüksek sıcaklıklarda çalıştırıldığında bile neredeyse değişmedi. Bu, şimdiye kadar ürettiğimiz en kararlı organik tabanlı transistördü."

Laboratuar gösterimi için, araştırmacılar bir cam alt tabaka kullandılar, ancak polimerler ve hatta kağıt dahil olmak üzere birçok başka esnek materyal de kullanılabilir.

Laboratuarda, araştırmacılar nanolaminat üretmek için standart ALD büyüme teknikleri kullandılar. Ancak uzaysal ALD olarak adlandırılan daha yeni süreçler - öncüleri sunan nozulları olan çoklu kafaları kullanarak - üretimi hızlandırabilir ve cihazların boyutlarının küçültülmesini sağlayabilir. Kippelen, "ALD, ölçeklenebilir bir endüstriyel süreç haline geldiği bir olgunluk seviyesine ulaştı ve bunun, organik ince film transistörlerinin geliştirilmesinde yeni bir aşamaya olanak sağlayacağını düşünüyoruz." Dedi.

Açık bir uygulama, iPhone X ve Samsung telefonları gibi cihazlarda kullanılan organik ışık yayan ekranlarda (OLED) pikselleri kontrol eden transistörler içindir. Bu pikseller, geleneksel inorganik yarı iletkenler ile üretilen transistörler tarafından kontrol edilmektedir, ancak yeni nanolaminat tarafından sağlanan ilave stabilite ile, bunlar, basılabilir organik ince film transistörler ile yapılabilir.

Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazları, yeni teknolojinin sağladığı üretimden de yararlanabiliyor, mürekkep püskürtmeli yazıcılar ve diğer düşük maliyetli baskı ve kaplama işlemleriyle üretime olanak sağlıyor. Nanolaminat tekniği, düşük maliyetli süreçler aracılığıyla kâğıt üzerinde üretilen antenler, ekranlar ve bellek kullanan akıllı biletler gibi ucuz kağıt tabanlı cihazların geliştirilmesine de olanak tanıyabilir.

Ancak, en dramatik uygulamalar, kullanılmadığında yuvarlanabilen çok büyük esnek ekranlarda olabilir.

Kippelen, "Daha iyi görüntü kalitesi, daha büyük boyut ve daha iyi çözünürlük elde edeceğiz." Dedi. "Bu ekranlar büyüdükçe, geleneksel ekranların rijit form faktörü bir sınırlama olacaktır. Düşük işlem sıcaklığı karbon bazlı teknoloji, ekranın yuvarlanmasını mümkün kılarak, taşınmasını ve hasara daha az duyarlı olmasını sağlar.

Gösterileri için, Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang ve Youngrak Park'ı da içeren Kippelen'in ekibi, bir model organik yarı iletken kullanmıştır. Malzemenin iyi bilinen özellikleri vardır, ancak 1.6 cm2 / V'lerin taşıyıcı mobilite değerleri en hızlı olanı değildir. Bir sonraki adım olarak, araştırmacılar daha yüksek şarj hareketliliği sağlayan yeni organik yarı iletkenler üzerindeki süreçlerini test etmek istiyorlar. Ayrıca, nanolaminatın farklı bükme koşullarında, uzun zaman aralıklarında ve fotodetektörler gibi diğer cihaz platformlarında test edilmeye devam etmeyi planlıyorlar.

Karbon bazlı elektronik cihazlar, cihaz yeteneklerini artırıyor olsa da, silikon gibi geleneksel materyallerin korkacak hiçbir şeyi yok.

Kippelen, "Yüksek hızlar söz konusu olduğunda, silikon veya galyum nitrür gibi kristal materyallerin kesinlikle parlak ve çok uzun bir geleceğe sahip olacağını" söyledi. "Ancak gelecekteki basılı uygulamalar için, daha yüksek şarj mobilitesi ve nanoyapılı kapı dielektrikli son organik yarıiletkenlerin kombinasyonu çok güçlü bir cihaz teknolojisi sağlayacaktır."

menu
menu