美國佐治亞理工學院有機光子學和電子學中心（COPE）研究團隊開發(fā)出一種新型納米結(jié)構(gòu)有機薄膜晶體管，這項研究是COPE中心15年來的發(fā)展結(jié)晶，新成果于1月12日在“科學進展”（Science Advances）雜志上發(fā)表。
新的納米結(jié)構(gòu)柵極電介質(zhì)可能已經(jīng)解決了擴大有機半導(dǎo)體用于薄膜晶體管的最重要的障礙，該結(jié)構(gòu)由一種氟聚合物層和由兩種金屬氧化物材料制成的納米層壓薄片（nanolaminate）組成，用作柵極電介質(zhì)，并保護有機半導(dǎo)體，此前，有機半導(dǎo)體很容易受到周圍環(huán)境的破壞，而新結(jié)構(gòu)使晶體管具有前所未有的穩(wěn)定性。
圖為美國佐治亞理工學院高級研究科學家Canek Fuentes-Hernandez（左）和COPE中心主任Bernard Kippelen教授（右）檢查具有新型納米結(jié)構(gòu)柵極電介質(zhì)的有機薄膜晶體管的樣品，新型結(jié)構(gòu)為晶體管帶來了前所未有的穩(wěn)定性
該研究由美國海軍研究辦公室、空軍科學研究辦公室和國家核安全局共同資助。
新的結(jié)構(gòu)使薄膜晶體管的穩(wěn)定性與無機材料相媲美，使其能夠在周圍環(huán)境條件甚至在水下工作。在低溫條件下，有機薄膜晶體管可以使用諸如噴墨印刷的技術(shù)在各種柔性襯底上低成本地制造，潛在地開啟了利用簡單的、加成制造工藝的新應(yīng)用。
Bernard Kippelen教授表示，現(xiàn)在他們已經(jīng)證明了一種首次建立的能夠獲得壽命性能的幾何結(jié)構(gòu)，使得有機電路可以與傳統(tǒng)的無機技術(shù)生產(chǎn)的器件一樣穩(wěn)定。這可能是有機薄膜晶體管的引爆點，解決了長期以來人們對有機印刷器件穩(wěn)定性的擔憂。
晶體管包括三個電極，只有當電壓施加到柵極時，源極和漏極之間才通過電流形成“導(dǎo)通”狀態(tài)，柵極通過一層薄介電層與有機半導(dǎo)體材料分開。佐治亞理工學院開發(fā)的一個獨特的結(jié)構(gòu)是該介電層由兩部分組成，即含氟聚合物層和金屬氧化物層。
Canek Fuentes-Hernandez表示，當他們第一次開發(fā)該結(jié)構(gòu)時，金屬氧化物層用的是氧化鋁，但這種結(jié)構(gòu)容易受到濕度影響，與Samuel Graham教授合作后，他們開發(fā)了復(fù)雜的納米層壓薄片結(jié)構(gòu)，可以在低于110℃的溫度條件下生產(chǎn)，當該結(jié)構(gòu)用作柵極電介質(zhì)時，能夠使晶體管在浸入接近沸點的水中依然正常工作。
喬治亞理工學院開發(fā)的新的納米結(jié)構(gòu)采用了氧化鋁和氧化鉿的交替層，一種材料生長五層，然后另一種材料再生長五層，在含氟聚合物層上重復(fù)進行30次，制成電介質(zhì)，氧化層是用原子層沉積（ALD）方法制造。最終形成的納米層壓薄片結(jié)構(gòu)厚度大約為50納米，幾乎不受濕度的影響。
Canek Fuentes-Hernandez表示，雖然他們知道這種新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了良好的勢壘性能，但他們更被這種新結(jié)構(gòu)晶體管工作的穩(wěn)定性所震撼，這些晶體管工作數(shù)百小時后和在75℃的高溫下工作，其性能幾乎保持不變，這也是他們迄今為止制造的最穩(wěn)定的有機晶體管。
為了進行實驗室演示，研究人員使用了一種玻璃襯底，但也可以使用許多其他柔性材料作為襯底，包括聚合物甚至紙張。
在實驗室里，研究人員使用標準的ALD生長技術(shù)來生產(chǎn)納米層壓薄片結(jié)構(gòu)，但是更新的工藝稱為空間ALD（利用多頭噴嘴提供前體），可以加速生產(chǎn)并允許器件的尺寸擴大。Bernard Kippelen教授表示，ALD現(xiàn)在已經(jīng)達到成熟的程度，成為一個規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)方法，他們認為這將有助于有機薄膜晶體管發(fā)展邁向新的階段。
一個明顯的應(yīng)用領(lǐng)域是手機有機發(fā)光顯示器（OLED）控制像素的晶體管，如蘋果手機iPhone X和三星手機等設(shè)備，這些像素現(xiàn)在由采用傳統(tǒng)的無機半導(dǎo)體制造的晶體管進行控制，但是由于新的納米層壓薄片結(jié)構(gòu)提供了更高的穩(wěn)定性，所以它們或許可以用可印刷的有機薄膜晶體管來代替。
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）器件也可以受益于新技術(shù)的制造，允許使用噴墨打印機和其他低成本印刷和涂層工藝進行生產(chǎn)。納米層壓薄片結(jié)構(gòu)技術(shù)也可以允許開發(fā)廉價的紙質(zhì)襯底器件。
但是最引人注目的應(yīng)用可能是非常大型的柔性顯示器，可以在不使用時卷起來。Bernard Kippelen教授表示，未來顯示器將獲得更好的圖像質(zhì)量、更大的尺寸和更好的分辨率，隨著屏幕尺寸變大，傳統(tǒng)顯示器的剛性外形將成為一個限制，而低加工溫度碳基技術(shù)將使屏幕卷起來，便于攜帶，不易受損。
研究人員下一步想要測試他們的新型有機半導(dǎo)體工藝，以提供更高的電荷遷移率，還計劃在不同的彎曲條件下，更長的時間內(nèi)，以及在光電探測器等其他器件平臺上繼續(xù)測試新的納米層壓薄片結(jié)構(gòu)。
Bernard Kippelen教授表示，當涉及高速時，像硅或氮化鎵這樣的晶體材料肯定會有一個光明而又長久的未來。但是對于許多未來的印刷應(yīng)用，將最新的有機半導(dǎo)體技術(shù)與更高的電荷遷移率結(jié)合，納米結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)將提供非常強大的器件技術(shù)。
Xiaojia Jia, Canek Fuentes-Hernandez, Cheng-Yin Wang, Youngrak Park,Bernard Kippelen. Stable organic thin-film transistors. Science Advances, 2018 DOI: 10.1126/sciadv.aao1705
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