Un dieléctrico de puerta nanoestructurado puede haber abordado el obstáculo más significativo para expandir el uso de semiconductores orgánicos para transistores de película delgada. La estructura, compuesta de una capa de fluoropolímero seguida de un nanolaminado hecho de dos materiales de óxido de metal, sirve como dieléctrico de puerta yprotege simultáneamente el semiconductor orgánico, que anteriormente había sido vulnerable al daño del ambiente, y permite que los transistores funcionen con una estabilidad sin precedentes.
La nueva estructura brinda a los transistores de película delgada una estabilidad comparable a la de los materiales inorgánicos, lo que les permite operar en condiciones ambientales, incluso bajo el agua. Los transistores orgánicos de película delgada pueden fabricarse de manera económica a baja temperatura en una variedad de sustratos flexibles utilizandotécnicas como la impresión por inyección de tinta, que potencialmente abren nuevas aplicaciones que aprovechan los procesos simples de fabricación aditiva.
"Hemos demostrado una geometría que produce un rendimiento de por vida que por primera vez establece que los circuitos orgánicos pueden ser tan estables como los dispositivos producidos con tecnologías inorgánicas convencionales", dijo Bernard Kippelen, profesor de Joseph M. Pettit en la Escuela de Tecnología de Georgia Tech.Ingeniería eléctrica e informática ECE y director del Centro de electrónica y fotónica orgánica COPE de Georgia Tech. "Este podría ser el punto de inflexión para los transistores orgánicos de película delgada, que aborda las preocupaciones de larga data sobre la estabilidad de los dispositivos imprimibles de base orgánica"
La investigación se informará el 12 de enero en la revista Avances científicos . La investigación es la culminación de 15 años de desarrollo dentro de COPE y fue apoyada por patrocinadores, incluida la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear.
Los transistores comprenden tres electrodos. La fuente y los electrodos de drenaje pasan corriente para crear el estado "encendido", pero solo cuando se aplica un voltaje al electrodo de compuerta, que está separado del material semiconductor orgánico por una delgada capa dieléctrica.El aspecto de la arquitectura desarrollada en Georgia Tech es que esta capa dieléctrica utiliza dos componentes, un fluoropolímero y una capa de óxido de metal.
"Cuando desarrollamos esta arquitectura por primera vez, esta capa de óxido de metal era óxido de aluminio, que es susceptible al daño por la humedad", dijo Canek Fuentes-Hernández, científico investigador principal y coautor del artículo. "Trabajando en colaboración con Georgia TechProfesor Samuel Graham, desarrollamos complejas barreras de nanolaminado que se podían producir a temperaturas inferiores a 110 grados centígrados y que, cuando se usaba como dieléctrico de puerta, permitía que los transistores se sumergieran en agua cerca de su punto de ebullición ".
La nueva arquitectura de Georgia Tech utiliza capas alternas de óxido de aluminio y óxido de hafnio, cinco capas de una, luego cinco capas de la otra, repetidas 30 veces sobre el fluoropolímero, para hacer el dieléctrico. Las capas de óxido se producen con átomos atómicosdeposición de capa ALD. El nanolaminado, que termina teniendo un espesor de aproximadamente 50 nanómetros, es prácticamente inmune a los efectos de la humedad.
"Si bien sabíamos que esta arquitectura producía buenas propiedades de barrera, nos sorprendió la forma estable en que los transistores operaban con la nueva arquitectura", dijo Fuentes-Hernández. "El rendimiento de estos transistores se mantuvo prácticamente sin cambios incluso cuando los operamos durante cientos dehoras y a temperaturas elevadas de 75 grados centígrados. Este fue, con mucho, el transistor de base orgánica más estable que jamás hayamos fabricado ".
Para la demostración de laboratorio, los investigadores usaron un sustrato de vidrio, pero también se podrían usar muchos otros materiales flexibles, incluidos polímeros e incluso papel.
En el laboratorio, los investigadores utilizaron técnicas estándar de crecimiento de ALD para producir el nanolaminado. Pero los procesos más nuevos conocidos como ALD espacial, que utilizan múltiples cabezales con boquillas que entregan los precursores, podrían acelerar la producción y permitir que los dispositivos se amplíen"ALD ahora ha alcanzado un nivel de madurez en el que se ha convertido en un proceso industrial escalable, y creemos que esto permitirá una nueva fase en el desarrollo de transistores orgánicos de película delgada", dijo Kippelen.
Una aplicación obvia es para los transistores que controlan los píxeles en pantallas orgánicas emisoras de luz OLED utilizados en dispositivos como el iPhone X y los teléfonos Samsung. Estos píxeles ahora están controlados por transistores fabricados con semiconductores inorgánicos convencionales, pero con el adicionalestabilidad proporcionada por el nuevo nanolaminado, tal vez podrían fabricarse con transistores orgánicos de película delgada imprimibles.
Los dispositivos de Internet de las cosas IoT también podrían beneficiarse de la fabricación habilitada por la nueva tecnología, lo que permite la producción con impresoras de inyección de tinta y otros procesos de impresión y recubrimiento de bajo costo. La técnica de nanolaminado también podría permitir el desarrollo de dispositivos económicos basados en papel, comocomo tickets inteligentes, que usarían antenas, pantallas y memoria fabricadas en papel a través de procesos de bajo costo.
Pero las aplicaciones más espectaculares podrían estar en pantallas flexibles muy grandes que podrían enrollarse cuando no estén en uso.
"Obtendremos una mejor calidad de imagen, mayor tamaño y mejor resolución", dijo Kippelen. "A medida que estas pantallas se hagan más grandes, el factor de forma rígido de las pantallas convencionales será una limitación. La tecnología de baja temperatura de procesamiento basada en carbono permitirá la pantallaenrollarse, lo que facilita su transporte y es menos susceptible a daños.
Para su demostración, el equipo de Kippelen, que también incluye a Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang y Youngrak Park, utilizó un modelo de semiconductor orgánico. El material tiene propiedades bien conocidas, pero con valores de movilidad del portador de 1.6 cm2 / Vs isn't el más rápido disponible. Como siguiente paso, a los investigadores les gustaría probar su proceso en semiconductores orgánicos más nuevos que proporcionan una mayor movilidad de carga. También planean continuar probando el nanolaminado bajo diferentes condiciones de flexión, durante períodos de tiempo más largos y en otrosplataformas de dispositivos como fotodetectores.
Aunque la electrónica basada en carbono está ampliando las capacidades de sus dispositivos, los materiales tradicionales como el silicio no tienen nada que temer.
"Cuando se trata de altas velocidades, los materiales cristalinos como el silicio o el nitruro de galio ciertamente tendrán un futuro brillante y muy largo", dijo Kippelen. "Pero para muchas aplicaciones impresas futuras, una combinación del último semiconductor orgánico con mayor movilidad de cargay el dieléctrico de la puerta nanoestructurada proporcionará una tecnología de dispositivo muy potente "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :