`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Органические транзисторы – базовые принципы и устройство

Статья опубликована в №15 (632) от 15 апреля

0 
 

Трудно себе представить, что атомы и молекулы, отличающиеся по таким, казалось бы, непринципиальным признакам, как состав ядер и структура электронных оболочек, объединяясь различным образом, могут создать два мира, разделенных пропастью, – органический и неорганический, живую и неживую природу.

И все же наличие некоторых общих свойств в области электропроводности образуют платформу для их конвергенции в такой сфере, как электроника, традиционно применявшая только неорганические материалы.

Сегодня органические транзисторы являются объектом ряда международных исследовательских программ и потенциально могут иметь широкое коммерческое применение. По сравнению с традиционными кремниевыми устройствами они стоят дешевле, многие процессы их изготовления выполняются при комнатных температурах, а используемая технология становится все проще.

Начиная с первого постулирования существования органических проводников в 1911 г. и со времени их открытия в 1954 г. успехи в их исследовании достигли того уровня, когда органические устройства все чаще появляются в коммерческих продуктах. В связи с низкой производительностью органические транзисторы пока не могут полностью заменить кремниевые, однако есть множество приложений, таких как гибкие дисплеи, где их преимущества перевешивают недостатки.

Органические (полу)проводники

Большинство органических материалов являются электроизоляторами со значением электрической проводимости при комнатной температуре в диапазоне 10-9–10-14 С•см-1 (сименс на 1 см), или 109–1014 Ом•см. Это обусловлено двумя основными причинами. Первая – наивысшая занятая молекулярная орбиталь (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) большинства молекул полностью заполнена, а низшая незанятая молекулярная орбиталь (LUMO) отделена от HOMO значительной энергетической щелью. И вторая – твердые состояния обычно представляют собой молекулярные структуры, не обладающие системой ковалентных связей, охватывающих макроскопические состояния, таким образом, квантово-механические взаимодействия между наивысшими занятыми молекулярными орбиталями смежных молекул являются слабыми, и зоны валентности, образованные этими взаимодействиями, очень узки. Подобно этому зона проводимости, возникающая при взаимодействии между LUMO, тоже очень мала, так что энергетическая щель, по существу, такая же, как и у свободных молекул.

Чтобы получить бoльшую проводимость и, следовательно, свойства полупроводника, необходимо уменьшить запрещенную зону между HOMO – LUMO. Это может быть достигнуто, например, включением гетероатомов с парой валентных электронов с противоположными спинами (скажем, полиацетилена, полианилина или полиароматиков). Такая уменьшенная зона облегчит электронам скачки между зонами проводимости и валентной и приблизится к свойствам полупроводника.

Рассмотрим несколько подробнее механизм проводимости и фундаментальные пределы подвижности носителей заряда в органических полупроводниках.

Верхний предел микроскопической мобильности носителей в органических молекулярных кристаллах, определенный при температуре 300К, лежит в интервале от 1 до 10 см2•В-1•с-1. За этот предел могут быть ответственны слабые силы межмолекулярного взаимодействия (в большинстве случаев это силы Ван-дер-Ваальса с энергией разрыва, меньшей чем 10 ккал•моль-1), поскольку колебательная энергия молекул достигает величины, близкой к энергиям межмолекулярных связей при комнатной температуре или выше. В противоположность этому в неорганических полупроводниках, таких как кремний и германий, атомы удерживаются вместе очень сильными ковалентными связями, которые в случае кремния имеют энергию разрыва до 76 ккал•моль-1. В этих полупроводниках носители заряда движутся как высокоделокализованные плоские волны в широкой зоне и имеют очень высокую подвижность (μ >> 1 см²•В-1•с-1). Подвижность ограничивается благодаря рассеянию носителей на колебаниях решетки и, таким образом, снижается при повышении температуры. Зонный транспорт не реализуется в неупорядоченных органических полупроводниках, в которых транспорт носителей осуществляется посредством скачков между локализованными состояниями, и носители рассеиваются на каждом скачке. Скачки облегчаются взаимодействием с фононами, и подвижность возрастает с температурой, оставаясь все же очень низкой (μ << 1 см²•В-1•с-1).

Граница между зонным транспортом и скачками определяется материалами, обладающими подвижностью между 0,1 и 1 см²•В-1•с-1. Высокоупорядоченные органические полупроводники, такие как представители acene-серии, включающей антрацен и пентацен, имеют подвижность при комнатной температуре в этом промежуточном диапазоне, а в некоторых случаях отмечается независимость подвижности от температуры, в том числе и в поликристаллических тонких пленках пентацена. Это наблюдение послужило аргументом в пользу того, что простой активированный температурой механизм скачкового транспорта может быть исключен для высококачественных тонких пленок пентацена.

При низких температурах (менее 250К) зонный транспорт становится основным механизмом переноса носителей в монокристаллах пентацена. Здесь зафиксирована весьма высокая подвижность – от 400 см² В-1•с-1 до более чем 1000 см²•В-1•с-1. При этих температурах энергия колебаний намного меньше, чем энергия межмолекулярных связей, и фононное рассеяние очень слабое. С приближением к комнатным температурам фононное рассеяние возрастает, вклад зонного механизма транспорта уменьшается, а механизма скачков – увеличивается. Комбинация этих двух механизмов объясняет тот факт, что подвижность падает с повышением температуры от нескольких градусов Кельвина до приблизительно 250К, а после этого начинает медленно расти.

На этом мы закончим краткое рассмотрение свойств электропроводности органических полупроводников и перейдем к устройству тонкопленочных транзисторов (TFT) на их основе.

Принципы работы органических полевых транзисторов

Органические транзисторы – базовые принципы и устройство
Рис. 1. Диаграмма для энергетических уровней Ферми металлических электродов исток-сток и уровней HOMO – LUMO полупроводника

Большинство органических полупроводников имеет p-тип проводимости, другими словами, основным носителем заряда являются дырки.

Для демонстрации принципов работы органических полевых транзисторов упростим диаграмму для энергетических уровней Ферми металлических электродов исток-сток и уровней HOMO – LUMO полупроводника (рис. 1). Если к затвору не приложено напряжение (рис. 1, а), в органическом полупроводнике, который, по существу, не легирован, какие-либо носители зарядов будут отсутствовать. Прямая инжекция из электродов исток-сток является единственным способом создания тока в органическом полупроводнике, который будет относительно мал благодаря высокому сопротивлению органического полупроводника и большому расстоянию между указанными электродами.

Если приложить отрицательное напряжение (рис. 1, б), на границе органического полупроводника, прилегающей к диэлектрику затвора, индуцируются положительные заряды (формируется проводящий канал p-типа). Если уровень Ферми металлических электродов исток-сток близок к уровню HOMO органического полупроводника, тогда положительные заряды могут быть извлечены электродами с помощью приложенного к ним напряжения Vds (на рис. не показано). Такой органический полупроводник, способный проводить только носители положительных зарядов, называется полупроводником p-типа.

Органические транзисторы – базовые принципы и устройство
Рис. 2. Варианты различных конфигураций транзисторов

При приложении к затвору положительного напряжения (рис. 1, в) на границе диэлектрика индуцируются отрицательные заряды (канал n-типа). Если уровень Ферми металлических электродов исток-сток далек от уровня LUMO, так что инжекция/экстракция электронов маловероятна, то может возникнуть небольшой ток Ids между электродами благодаря высоким контактным барьерам. Если уровень Ферми металлических электродов исток-сток близок к уровню LUMO органического полупроводника, тогда отрицательные заряды могут быть инжектированы и экстрагированы электродами с помощью приложенного к ним напряжения Vds (на рис. не показано). Соответственно, такой органический полупроводник, способный проводить только носители отрицательных зарядов, называется полупроводником n-типа.

Контакты исток-сток транзистора могут быть выполнены по одной из двух схем: верхнее или нижнее расположение. То же самое справедливо и для затвора. Варианты различных конфигураций приведены на рис. 2.

Органические транзисторы – базовые принципы и устройство
Рис. 3. Одна из базовых схем изготовления органических транзисторов

Для того чтобы сделать органические полупроводники конкурентоспособными по отношению к неорганическим, должна быть, в частности, разработана быстрая, эффективная и точная технология их производства. Одна из базовых схем изготовления органических транзисторов представлена на рис. 3. На субстрат (Si) помещается электрод затвора (высоколегированный кремний). На выращенный слой изолятора (SiO2) толщиной 20 нм фотолитографическим способом осаждаются электроды исток-сток. Затем на структуре с помощью отливки размещается слой органического полупроводника. Наконец, чтобы предотвратить фотоокисление полупроводника, наносится фоторезистивный слой.

Органические транзисторы – базовые принципы и устройство
Рис. 4. Схема производственного процесса

Очевидно, что подобную технику нельзя назвать эффективной, поскольку она предусматривает множество различных производственных этапов. Решение появилось в конце 90-х, когда были разработаны несколько технологий, позволяющих изготовлять органические транзисторы печатным способом. Одна из них – печать с помощью трафаретных масок. В принципе, необходимо несколько таких масок (по одной для каждого слоя материала), через которые растворенный в соответствующем растворителе органический полупроводник осаждается на субстрат или предыдущие слои. Тонкая органическая пленка получается посредством испарения растворителя. Таким образом, для создания каждого слоя требуется только один шаг. Схема такого производственного процесса показана на рис. 4.

В заключение заметим, что прогресс в данной области за последнее десятилетие дает основания полагать, что в очень скором времени на рынок выйдут новые продукты, базированные на органических полупроводниках.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT