美大學開發出納米結構柵極電介質使半導體晶體管更加穩定

導讀:近日，美國佐治亞理工學院的科研人員開發出一種納米結構的柵極電介質。它為有機半導體拓展應用于薄膜晶體管，掃清了最主要的障礙。它不僅可以保護有機半導體，還可以使得晶體管達到前所未有的穩定性。

關鍵字：有機電子、半導體、晶體管

背景

前幾天，筆者剛介紹過有關有機電子（Organic electronics）方面的創新技術。有機電子屬于一個新興的前沿科技領域。不同于傳統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。

有機電子器件的優勢包括：廉價、輕量、柔性等等。此外，有機電子器件的應用前景也非常好，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。

創新

近日，美國佐治亞理工學院（Georgia Tech）的科研人員開發出一種納米結構的柵極電介質。它為有機半導體拓展應用于薄膜晶體管，掃清了最主要的障礙。

這個結構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，作為柵極電介質使用，并同時保護有機半導體（之前，有機半導體一直容易受到環境影響而發生損傷。），并使得晶體管的工作達到前所未有的穩定性。

這項研究發表于1月12日的《Science Advances》雜志。研究標志著15年來COPE研發的最高成就，它的贊助者包括：美國海軍研究辦公室、美國空軍科學研究辦公室、美國國家核安全局。

技術

該晶體管由三個電極組成。只有當電壓施加于柵極時，源極和漏極才會有電流通過，從而創造出“開”的狀態。柵極通過一層薄電介質與有機半導體材料分離。佐治亞理工學院開發的架構獨特性在于，這種電介質使用了兩種元件：含氟聚合物和金屬氧化物層。

高級研究科學家、論文的合著者之一 Canek Fuentes-Hernandez 表示：“當我們首次開發這種結構時，這種金屬氧化物層是氧化鋁，它很容易受到濕度影響而發生損壞。我們與佐治亞理工學院的教授 SamuelGraham 展開合作，開發出一種復雜的納米疊層勢壘，它可以在低于110攝氏度的溫度下生產，當作為柵極電介質使用時，使得晶體管可以承受得住浸入鄰近沸點的水中。”

佐治亞理工學院的新架構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30次，制造出電介質。氧化層是通過原子層沉積（ALD）技術制造出來的。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：“當我們了解到這種結構可以產生出很好的勢壘特性的時候，我們驚訝于具有這種新架構的晶體管運行的穩定性。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，研究人員使用標準的ALD生長技術制造納米疊層。但是更新的工藝例如空間ALD（利用多個噴嘴頭釋放前驅體），將加速生產，讓器件可以按比例放大。Kippelen 表示：“現在ALD已達到了一定的成熟度，它已經變成了一種可擴展的工業工藝，而且我們認為它將使有機薄膜晶體管開發進入一個新階段。”

對于晶體管來說，一個顯著的應用就是控制iPhone X 和三星手機中使用的有機發光顯示器（OLED）的像素。這些像素現由傳統無機半導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

這種新結構賦予薄膜晶體管穩定性，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，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用。

佐治亞理工學院電氣和計算機工程學院（ECE）教授、佐治亞理工學院有機光子和電子（COPE）中心主任 BernardKippelen 表示：“現在我們已經證明，一種可以產出終生性能的幾何形狀，它建立起的有機電路，可以像傳統無機技術制造出的器件一樣穩定。這將成為薄膜晶體管的轉折點，從而應對有機印刷器件長期存在的穩定性問題。”

物聯網（IoT）器件也得益于新技術工藝，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。這種納米疊層技術也可以用于開發低成本的紙基設備，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量，更大的尺寸和更高的分辨率。隨著這些屏幕變大，傳統顯示器的剛性規格將成為一個限制因素。低溫處理的碳基技術將讓屏幕可以卷曲，使得它可以隨身攜帶并且不易損壞。”

未來

Kippelen 的團隊，也包括 Xiaojia Jia、Cheng-Yin Wang、Youngrak Park，使用有機半導體模型進行了演示。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，繼續測試納米疊層。

雖然碳基納米電子技術正在拓展器件功能，但是傳統材料例如硅也沒什么可怕的。Kippelen 表示：“當達到高速時，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用來說，未來具有更高電荷遷移率的最新的有機半導體和納米結構柵極電介質將提供一種非常強大的器件技術。”

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).