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晶体管衬底室温美科学家新发现:新型碳晶体管胜过非晶硅

在室温处理半导体的技术可能使诸如电子布告板这样的大规模应用以及像可任意使用的RFID标签这样的超低成本应用成为可能。但是,大多数室温晶体管具有几百cm2/Vs(平方厘米/电压.秒)的低电子移动率。

现在,乔治亚州科技大学的研究人员声称,通过利用碳-60(C-60)薄膜—也称为巴克球或富勒思—制作晶体管的沟道,找到了一种制作比非晶硅速度快100倍的室温晶体管的完美方法。

“我们并没有声称我们是第一家在室温下制作C60晶体管的实验室,”乔治亚科技大学的教授BernardKippelen说,“我们工作的创新在于:我们能够证明在室温处理下获得3-5cm2/Vs这么高的移动率的同时,能够获得良好的可再现性、良好的稳定性、低阀值电压以及大的开关电流比。”

全球的实验室均在追踪研究室温处理技术,以便利用廉价、高产的滚转压力及喷墨打印技术,制造大型显示器以及像RFID这样的低成本应用产品。那样就不需要清洁室这样昂贵高价的处理设备。许多方法在利用有机材料制作晶体管的同时,尝试利用新材料的形成来增加电子移动率的途径。

其它一些方法已经实现了高于乔治亚科技大学小组的电子移动率,但是,只是通过高温创建有机晶体管。Kovio公司已经为利用滚转制造技术,通过喷墨方法开发了用于制造薄膜晶体管的无机硅,尽管制作温度远远高于塑料衬底能够承受的温度。

虽然没有实现高温方法所能达到的电子移动率(Kovio公司声称电子移动性与多晶硅一样好),乔治亚科技大学实现的电子移动率已经优于非晶硅。它的一个潜在应用就是作为仅仅要求16ms刷新率的服务显示器。此外,它们可以被印制在廉价的塑料衬底上。

构建在几年的设计改进上,Kippelen声称他的小组已经确定了需要在低温下针对高电子移动率进行最优化的材料和参数。“我们的工作建立在对有机半导体进行纯化和处理的几年研究经验之上,”Kippelen说,“对栅极介质以及电极金属的选择也起到了重要作用。”

BernardKippelen教授(中)在晶体管项目上与乔治亚科技大学的研究科学家BenoitDomercq以及博士候选人Xiao-HongZhang携手合作。

为方便起见,演示器件是在硅衬底上制作的,但是,研究人员声称,他们的有机C60晶体管使用的所有元素均在室温下制成。用于晶体管的金属电极是利用跟有机发光二极管以及塑料太阳能电池制作所采用的透明工艺一样的工艺沉积而成。

“我们的电极是利用遮光板以及热蒸发工艺在有机半导体的顶层制成的,”Kippelen说,“通过保持金属源极和衬底之间的距离足够大(3英寸),让衬底在沉积过程之中不会过热。”

下一步,研究人员将探索证明制作n沟道和p沟道晶体管的方法,以便利用室温有机材料制成用于有源矩阵显示器的CMOS反相器、振荡器、逻辑门以及驱动器等类似的辅助电路。

“用塑料衬底取代硅衬底也是我们将来研究计划的一个组成部分,”Kippelen说。

采用C60制作晶体管沟道的一个缺点在于它们对氧气敏感,意味着这种器件必须在氮气环境中工作。研究人员计划通过重新形成富勒思分子并把器件封装中的空气排掉来解决这个问题。

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