Nanostrukturiertes Gate-Dielektrikum erhöht die Stabilität von organischen Dünnschichttransistoren

Anonim

Ein nanostrukturiertes Gatedielektrikum könnte das wichtigste Hindernis für die Ausweitung der Verwendung von organischen Halbleitern für Dünnfilmtransistoren sein. Die Struktur, bestehend aus einer Fluorpolymerschicht und einem Nanolaminat aus zwei Metalloxidmaterialien, dient als Gatedielektrikum und schützt gleichzeitig den organischen Halbleiter - der zuvor anfällig für Schäden durch die Umgebung war - und ermöglicht einen beispiellosen Betrieb der Transistoren Stabilität.

Die neue Struktur verleiht Dünnfilmtransistoren eine Stabilität, die mit der von anorganischen Materialien vergleichbar ist, und ermöglicht so den Betrieb unter Umgebungsbedingungen - sogar unter Wasser. Organische Dünnschichttransistoren können kostengünstig bei niedrigen Temperaturen auf einer Vielzahl von flexiblen Substraten unter Verwendung von Techniken wie Tintenstrahldrucken hergestellt werden, was potentiell neue Anwendungen eröffnet, die einfache additive Herstellungsverfahren nutzen.

"Wir haben jetzt eine Geometrie bewiesen, die lebenslange Leistung liefert, die zum ersten Mal zeigt, dass organische Schaltkreise so stabil sein können wie Geräte, die mit herkömmlichen anorganischen Technologien hergestellt werden", sagte Bernard Kippelen, der Joseph M. Pettit Professor an der School of Electrical und Computer Engineering (ECE) und Direktor des Georgia Tech-Zentrums für organische Photonik und Elektronik (COPE). "Dies könnte der Wendepunkt für organische Dünnschichttransistoren sein und lang anhaltende Bedenken hinsichtlich der Stabilität von druckbaren organischen Aufzeichnungsmaterialien ansprechen."

Die Forschung wurde am 12. Januar in der Zeitschrift Science Advances gemeldet. Die Forschung ist der Höhepunkt von 15 Jahren Entwicklung innerhalb von COPE und wurde von Sponsoren unterstützt, darunter dem Office of Naval Research, dem Office of Scientific Research der Air Force und der National Nuclear Security Administration.

Transistoren umfassen drei Elektroden. Die Source- und Drain-Elektroden lassen den Strom durch, um den "An" -Zustand zu erzeugen, jedoch nur, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, die von dem organischen Halbleitermaterial durch eine dünne dielektrische Schicht getrennt ist. Ein einzigartiger Aspekt der bei der Georgia Tech entwickelten Architektur besteht darin, dass diese dielektrische Schicht zwei Komponenten verwendet, ein Fluorpolymer und eine Metalloxidschicht.

"Als wir diese Architektur zum ersten Mal entwickelten, war diese Metalloxidschicht Aluminiumoxid, das anfällig für Schäden durch Feuchtigkeit ist", sagte Canek Fuentes-Hernandez, leitender Wissenschaftler und Koautor der Studie. "In Zusammenarbeit mit Georgia Tech-Professor Samuel Graham entwickelten wir komplexe Nanolaminat-Barrieren, die bei Temperaturen unter 110 Grad Celsius hergestellt werden konnten und bei Verwendung als Gatedielektrikum Transistoren in Wasser in der Nähe ihres Siedepunkts halten konnten."

Die neue Georgia Tech-Architektur verwendet alternierende Schichten aus Aluminiumoxid und Hafniumoxid - fünf Schichten aus einem, dann fünf Schichten aus dem anderen, 30-mal wiederholt auf dem Fluorpolymer - um das Dielektrikum herzustellen. Die Oxidschichten werden mit Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt. Das Nanolaminat, das etwa 50 Nanometer dick ist, ist praktisch immun gegen die Auswirkungen von Feuchtigkeit.

"Während wir wussten, dass diese Architektur gute Barriereeigenschaften ergab, waren wir hin und weg davon, wie stabil Transistoren mit der neuen Architektur arbeiten", sagte Fuentes-Hernandez. "Die Leistung dieser Transistoren blieb praktisch unverändert, selbst wenn wir sie Hunderte von Stunden lang und bei erhöhten Temperaturen von 75 Grad Celsius betrieben. Dies war bei weitem der stabilste organisch basierte Transistor, den wir jemals hergestellt haben."

Für die Labordemonstration verwendeten die Forscher ein Glassubstrat, aber viele andere flexible Materialien - einschließlich Polymere und sogar Papier - konnten ebenfalls verwendet werden.

Im Labor verwendeten die Forscher Standard-ALD-Wachstumstechniken, um das Nanolaminat herzustellen. Aber neuere Prozesse, die als räumliche ALD bezeichnet werden - die Verwendung mehrerer Köpfe mit Düsen, die die Vorläufer liefern - könnten die Produktion beschleunigen und ermöglichen, dass die Vorrichtungen in der Größe vergrößert werden. "ALD hat jetzt einen Reifegrad erreicht, bei dem es zu einem skalierbaren industriellen Prozess geworden ist, und wir denken, dass dies eine neue Phase in der Entwicklung von organischen Dünnschichttransistoren ermöglichen wird", sagte Kippelen.

Eine offensichtliche Anwendung ist für die Transistoren, die Pixel in organischen lichtemittierenden Anzeigen (OLEDs) steuern, die in solchen Geräten wie dem iPhone X und den Samsung-Telefonen verwendet werden. Diese Pixel werden jetzt durch Transistoren gesteuert, die mit herkömmlichen anorganischen Halbleitern hergestellt wurden, aber mit der zusätzlichen Stabilität, die durch das neue Nanolaminat bereitgestellt wird, könnten sie möglicherweise stattdessen mit druckbaren organischen Dünnfilmtransistoren hergestellt werden.

Internet of Things (IoT) -Geräte könnten ebenfalls von der durch die neue Technologie ermöglichten Herstellung profitieren, was die Produktion mit Tintenstrahldruckern und anderen kostengünstigen Druck- und Beschichtungsprozessen ermöglicht. Die Nanolaminat-Technik könnte auch die Entwicklung preiswerter papierbasierter Vorrichtungen, wie zum Beispiel intelligenter Tickets, ermöglichen, die auf kostengünstigen Verfahren hergestellte Antennen, Displays und Speicher auf Papier verwenden.

Die dramatischsten Anwendungen könnten jedoch sehr große flexible Displays sein, die aufgerollt werden können, wenn sie nicht verwendet werden.

"Wir werden bessere Bildqualität, größere Größe und bessere Auflösung bekommen", sagte Kippelen. "Da diese Bildschirme größer werden, stellt der starre Formfaktor herkömmlicher Displays eine Einschränkung dar. Die auf Kohlenstoff basierende Technologie mit niedriger Verarbeitungstemperatur ermöglicht das Aufrollen des Bildschirms, wodurch er leichter herumgetragen werden kann und weniger anfällig für Beschädigungen ist.

Für ihre Demonstration nutzte Kippelens Team - zu dem auch Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang und Youngrak Park gehören - ein organisches Halbleitermodell. Das Material hat bekannte Eigenschaften, aber mit Trägermobilitätswerten von 1, 6 cm2 / V ist nicht die schnellste verfügbare. Als nächsten Schritt möchten die Forscher ihren Prozess auf neueren organischen Halbleitern testen, die eine höhere Ladungsmobilität bieten. Sie planen auch, das Nanolaminat unter verschiedenen Biegebedingungen über längere Zeiträume und in anderen Geräteplattformen, wie Photodetektoren, weiter zu testen.

Obwohl die kohlenstoffbasierte Elektronik ihre Gerätefähigkeiten erweitert, haben traditionelle Materialien wie Silizium nichts zu befürchten.

"Wenn es um hohe Geschwindigkeiten geht, werden kristalline Materialien wie Silizium oder Galliumnitrid sicherlich eine helle und sehr lange Zukunft haben", sagte Kippelen. "Aber für viele zukünftige gedruckte Anwendungen wird eine Kombination aus dem neuesten organischen Halbleiter mit höherer Ladungsbeweglichkeit und dem nanostrukturierten Gate-Dielektrikum eine sehr leistungsfähige Gerätetechnologie bieten."

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