美大学开发出纳米结构栅极电介质使半导体晶体管更加稳定

导读:近日，美国佐治亚理工学院的科研人员开发出一种纳米结构的栅极电介质。它为有机半导体拓展应用于薄膜晶体管，扫清了最主要的障碍。它不仅可以保护有机半导体，还可以使得晶体管达到前所未有的稳定性。

关键字：有机电子、半导体、晶体管

背景

前几天，笔者刚介绍过有关有机电子（Organic electronics）方面的创新技术。有机电子属于一个新兴的前沿科技领域。不同于传统的硅基无机电子器件，它是由碳基的高分子和小分子材料制成。

有机电子器件的优势包括：廉价、轻量、柔性等等。此外，有机电子器件的应用前景也非常好，例如：太阳能电池、存储器、薄膜晶体管、电致变色薄膜、生物电子等等。

创新

近日，美国佐治亚理工学院（Georgia Tech）的科研人员开发出一种纳米结构的栅极电介质。它为有机半导体拓展应用于薄膜晶体管，扫清了最主要的障碍。

这个结构由含氟聚合物层和两种金属氧化物材料制成的纳米叠层组成，作为栅极电介质使用，并同时保护有机半导体（之前，有机半导体一直容易受到环境影响而发生损伤。），并使得晶体管的工作达到前所未有的稳定性。

这项研究发表于1月12日的《Science Advances》杂志。研究标志着15年来COPE研发的最高成就，它的赞助者包括：美国海军研究办公室、美国空军科学研究办公室、美国国家核安全局。

技术

该晶体管由三个电极组成。只有当电压施加于栅极时，源极和漏极才会有电流通过，从而创造出“开”的状态。栅极通过一层薄电介质与有机半导体材料分离。佐治亚理工学院开发的架构独特性在于，这种电介质使用了两种元件：含氟聚合物和金属氧化物层。

高级研究科学家、论文的合著者之一 Canek Fuentes-Hernandez 表示：“当我们首次开发这种结构时，这种金属氧化物层是氧化铝，它很容易受到湿度影响而发生损坏。我们与佐治亚理工学院的教授 SamuelGraham 展开合作，开发出一种复杂的纳米叠层势垒，它可以在低于110摄氏度的温度下生产，当作为栅极电介质使用时，使得晶体管可以承受得住浸入邻近沸点的水中。”

佐治亚理工学院的新架构使用氧化铝和氧化铪的交替层，五层是其中的一种，然后五层是另外一种，在含氟聚合物顶上重复30次，制造出电介质。氧化层是通过原子层沉积（ALD）技术制造出来的。纳米叠层，大约有50纳米的厚度，几乎不受湿度的影响。

Fuentes-Hernandez 表示：“当我们了解到这种结构可以产生出很好的势垒特性的时候，我们惊讶于具有这种新架构的晶体管运行的稳定性。这些晶体管的性能几乎保持不变，即使是在75摄氏度的高温条件下运行几百小时。这是我们迄今为止制造出的最稳定的基于有机物的晶体管。”

对于实验室演示来说，研究人员使用了一种玻璃基底，但是许多其他柔性材料，包括聚合物和纸张也可以使用。

在实验室中，研究人员使用标准的ALD生长技术制造纳米叠层。但是更新的工艺例如空间ALD（利用多个喷嘴头释放前驱体），将加速生产，让器件可以按比例放大。Kippelen 表示：“现在ALD已达到了一定的成熟度，它已经变成了一种可扩展的工业工艺，而且我们认为它将使有机薄膜晶体管开发进入一个新阶段。”

对于晶体管来说，一个显著的应用就是控制iPhone X 和三星手机中使用的有机发光显示器（OLED）的像素。这些像素现由传统无机半导体制造的晶体管控制，但是由于新型纳米叠层提供的附加稳定性，它们也可能通过可印刷的有机薄膜晶体管制造。

价值

这种新结构赋予薄膜晶体管稳定性，并使之可以与那些无机材料组成的薄膜晶体管相媲美，并使它们可以工作在各种环境下，甚至是水下。低温条件下，在各种柔性基底上都可以采用例如喷墨打印之类的技术，廉价地制造有机薄膜晶体管。这也有望开辟利用简单的增材制造工艺的新应用。

佐治亚理工学院电气和计算机工程学院（ECE）教授、佐治亚理工学院有机光子和电子（COPE）中心主任 BernardKippelen 表示：“现在我们已经证明，一种可以产出终生性能的几何形状，它建立起的有机电路，可以像传统无机技术制造出的器件一样稳定。这将成为薄膜晶体管的转折点，从而应对有机印刷器件长期存在的稳定性问题。”

物联网（IoT）器件也得益于新技术工艺，它们可以通过喷墨打印机和其他低成本的印刷和涂覆工艺生产。这种纳米叠层技术也可以用于开发低成本的纸基设备，例如智能票券。这些智能票券使用的天线、显示器和存储器，都可以通过低成本工艺，在纸张上制造出来。

但是，最引人注目的应用将是非常大型的柔性显示器，它在使用时可以卷起来。Kippelen 表示：“我们将得到更佳的图片质量，更大的尺寸和更高的分辨率。随着这些屏幕变大，传统显示器的刚性规格将成为一个限制因素。低温处理的碳基技术将让屏幕可以卷曲，使得它可以随身携带并且不易损坏。”

未来

Kippelen 的团队，也包括 Xiaojia Jia、Cheng-Yin Wang、Youngrak Park，使用有机半导体模型进行了演示。这种材料具有众所周知的特性，但是载流子迁移率值1.6 cm2/Vs 并不是最快的。下一步，他们研究人员想要在具有更高的电荷迁移率的更新型的有机半导体上，测试他们的工艺。他们也计划在不同的弯曲条件下，通过更长的时间，以及其他的器件平台例如光电检测器，继续测试纳米叠层。

虽然碳基纳米电子技术正在拓展器件功能，但是传统材料例如硅也没什么可怕的。Kippelen 表示：“当达到高速时，晶体材料例如硅或者氮化镓将肯定具有一个光明和长久的未来。但是对于许多印刷应用来说，未来具有更高电荷迁移率的最新的有机半导体和纳米结构栅极电介质将提供一种非常强大的器件技术。”

参考资料

【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).