Le diélectrique de grille nanostructuré augmente la stabilité des transistors organiques à couche mince

Anonim

Un diélectrique de grille nanostructuré peut avoir été le principal obstacle à l’élargissement de l’utilisation des semi-conducteurs organiques pour les transistors à couche mince. La structure, composée d'une couche de fluoropolymère suivie d'un nanolaminat constitué de deux matériaux d'oxyde métallique, sert de diélectrique de grille et protège simultanément le semi-conducteur organique - auparavant vulnérable aux dommages causés par l'environnement ambiant - et permet aux transistors de fonctionner sans précédent. la stabilité.

La nouvelle structure donne aux transistors à couche mince une stabilité comparable à celle des matériaux inorganiques, leur permettant de fonctionner dans des conditions ambiantes, même sous l'eau. Des transistors organiques à couches minces peuvent être fabriqués à peu de frais à basse température sur une variété de substrats flexibles en utilisant des techniques telles que l'impression à jet d'encre, ouvrant potentiellement de nouvelles applications tirant parti de procédés de fabrication simples et additifs.

"Nous avons maintenant prouvé une géométrie qui donne des performances à vie qui établissent pour la première fois que les circuits organiques peuvent être aussi stables que les appareils fabriqués avec des technologies inorganiques conventionnelles", déclare Bernard Kippelen, professeur Joseph M. Pettit Ingénierie informatique (ECE) et directeur du Centre de photonique et d'électronique organique de la Georgia Tech (COPE). "Cela pourrait être le point de basculement des transistors organiques à couche mince, répondant aux préoccupations de longue date concernant la stabilité des dispositifs imprimables à base organique."

La recherche a été rapportée le 12 janvier dans la revue Science Advances. La recherche est l’aboutissement de 15 années de développement au sein du COPE et a été soutenue par des sponsors tels que l’Office of Naval Research, l’Office de recherche scientifique de la Force aérienne et la National Nuclear Security Administration.

Les transistors comprennent trois électrodes. Les électrodes de source et de drain passent du courant pour créer l'état "activé", mais uniquement lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode de grille, qui est séparée du matériau semi-conducteur organique par une mince couche diélectrique. Un aspect unique de l'architecture développée à Georgia Tech est que cette couche diélectrique utilise deux composants, un polymère fluoré et une couche d'oxyde métallique.

"Lorsque nous avons développé cette architecture pour la première fois, cette couche d'oxyde métallique était constituée d'oxyde d'aluminium, susceptible d'être endommagé par l'humidité", a déclaré Canek Fuentes-Hernandez, chercheur principal et coauteur du document. "En collaboration avec le professeur Samuel Graham de Georgia Tech, nous avons développé des barrières nanolaminées complexes pouvant être produites à des températures inférieures à 110 degrés Celsius et utilisées comme diélectriques de grille pour permettre aux transistors de rester immergés

La nouvelle architecture de Georgia Tech utilise des couches alternées d’oxyde d’aluminium et d’oxyde de hafnium - cinq couches d’un, puis cinq couches de l’autre, répétées 30 fois au sommet du fluoropolymère - pour former le diélectrique. Les couches d'oxyde sont produites avec dépôt de couche atomique (ALD). Le nanolaminat, qui a une épaisseur d'environ 50 nanomètres, est pratiquement insensible aux effets de l'humidité.

"Même si nous savions que cette architecture offrait de bonnes propriétés de barrière, nous avons été stupéfaits par le fonctionnement stable des transistors avec la nouvelle architecture", a déclaré Fuentes-Hernandez. "Les performances de ces transistors sont restées pratiquement inchangées, même lorsque nous les avons utilisés pendant des centaines d’heures et à des températures élevées de 75 degrés Celsius. Il s’agissait de loin du transistor à base organique le plus stable que nous ayons jamais fabriqué."

Pour la démonstration en laboratoire, les chercheurs ont utilisé un substrat en verre, mais de nombreux autres matériaux flexibles - y compris des polymères et même du papier - pourraient également être utilisés.

En laboratoire, les chercheurs ont utilisé des techniques de croissance standard d'ALD pour produire le nanolaminat. Mais les processus plus récents appelés ALD spatiaux - utilisant des têtes multiples avec des buses fournissant les précurseurs - pourraient accélérer la production et permettre aux dispositifs d'être augmentés en taille. "ALD a maintenant atteint un niveau de maturité auquel il est devenu un processus industriel évolutif, et nous pensons que cela permettra une nouvelle phase dans le développement de transistors organiques à couche mince", a déclaré Kippelen.

Une application évidente concerne les transistors qui contrôlent les pixels des écrans OLED utilisés dans des appareils tels que les téléphones iPhone X et Samsung. Ces pixels sont maintenant contrôlés par des transistors fabriqués avec des semi-conducteurs inorganiques conventionnels, mais avec la stabilité supplémentaire fournie par le nouveau nanolaminat, ils pourraient peut-être être réalisés avec des transistors organiques à couches minces imprimables.

Les dispositifs de l'Internet des objets (IoT) pourraient également bénéficier de la fabrication grâce à la nouvelle technologie, permettant la production avec des imprimantes à jet d'encre et d'autres processus d'impression et de revêtement à faible coût. La technique des nanolaminés pourrait également permettre la mise au point d’appareils à base de papier peu coûteux, tels que des tickets intelligents, utilisant des antennes, des écrans et des mémoires fabriqués sur papier grâce à des processus peu coûteux.

Mais les applications les plus spectaculaires pourraient se présenter sous la forme d’affichages flexibles très volumineux pouvant être enroulés lorsqu’ils ne sont pas utilisés.

"Nous obtiendrons une meilleure qualité d'image, une plus grande taille et une meilleure résolution", a déclaré Kippelen. «À mesure que ces écrans s’agrandissent, le facteur de forme rigide des écrans conventionnels sera limité. La technologie à base de carbone à faible température de traitement permettra de rouler l’écran, le rendant facile à transporter et moins susceptible d’être endommagé.

Pour leur démonstration, l'équipe de Kippelen - qui comprend également Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang et Youngrak Park - a utilisé un semi-conducteur organique modèle. Le matériau a des propriétés bien connues, mais avec des valeurs de mobilité de porteur de 1, 6 cm2 / Vs, ce n’est pas le plus rapide. Dans une prochaine étape, les chercheurs souhaiteraient tester leur processus sur de nouveaux semi-conducteurs organiques offrant une mobilité de charge plus élevée. Ils prévoient également de continuer à tester le nanolaminat dans différentes conditions de flexion, sur des périodes plus longues et dans d'autres plates-formes telles que les photodétecteurs.

Bien que l'électronique à base de carbone élargisse ses capacités, les matériaux traditionnels comme le silicium n'ont rien à craindre.

"En ce qui concerne les vitesses élevées, les matériaux cristallins comme le silicium ou le nitrure de gallium auront certainement un avenir brillant et très long", a déclaré Kippelen. "Mais pour de nombreuses applications imprimées futures, une combinaison du dernier semi-conducteur organique avec une mobilité de charge plus élevée et du diélectrique de grille nanostructuré fournira une technologie de dispositif très puissante."

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