Улучшения транзисторов, ведущие к гибкой электронике

По мере того как более гибкие дешевые органические транзисторы выходят на сцену, чтобы заменить дорогие жесткие кремниевые полупроводники, изменяются технологии гибкой электроники. Однако до сих пор нет достаточных знаний о том, как изгибы в этих новых тонкопленочных электронных устройствах повлияют на их производительность, говорят ученые из Университета штата Массачусетс (Umass), г. Амхерст.

В журнале Nature Communications ученые Алехандро Бризено (Alejandro Briseño) и Альфред Кросби (Alfred Crosby) из UMass и докторант Маркос Рейес-Мартинес (Marcos Reyes-Martinez), сейчас научный сотрудник в Принстоне, представили результаты своего недавнего исследования о том, как микромасштабные складки влияют на производительность монокристаллических полупроводников на основе углерода.

Они впервые применили неоднородные деформации проводящего канала органического транзистора, чтобы исследовать наблюдаемые эффекты, говорит Рейес-Мартинес, который провел серию экспериментов в рамках своей докторской диссертации.

«Это относится к сегодняшней ИТ-индустрии, потому что на транзисторах строится логика всей потребительской электроники, которую мы используем. На экране вашего смартфона, например, пиксели, которые формируют изображение, включаются и выключаются с помощью сотен тысяч или даже миллионов миниатюрных транзисторов, - пояснил он. - Традиционно, транзисторы являются жесткими и изготавливаются из неорганического материала, такого как кремний. Мы работаем с кристаллическим полупроводником под названием рубрен (rubrene), который является органическим материалом на основе углерода и имеет характеристики производительности, например, подвижность носителей заряда, превосходящие таковые в аморфном кремнии. Органические полупроводники являются интересной альтернативой кремнию, потому что их свойства могут регулироваться с тем, чтобы сделать их легко обрабатываемыми, что позволяет покрывать ими различные поверхности, в том числе мягкие подложки, при относительно низких температурах. В результате, устройства, основанные на органических полупроводниках, по прогнозам, будут дешевле, так как, в отличие от кремния, они не требуют высоких температур, чистых комнат и дорогих этапов обработки».

Вплоть до недавнего времени, отмечает Рейес-Мартинес, большинство исследователей были сосредоточены на контроле вредных последствий механической деформации на электрические свойства транзистора. Но в своей серии систематических экспериментов команда Массачусетского университета обнаружила, что механические деформации снижают производительность только при определенных условиях, и на самом деле могут ее повысить или не иметь никакого эффекта в других случаях.

«Наша цель – не только показать эти эффекты, но объяснить и понять их. То, что мы сделали, это воспользовались упорядоченной структурой ультратонких органических монокристаллов рубрена, чтобы изготовить высокопроизводительные тонкопленочные транзисторы, - сказал он. - Подробная фундаментальная работа в этих масштабах длины с монокристаллом проведена впервые».

Хотя когда-то думали, что монокристаллы являются слишком хрупкими для гибких приложений, команда Университета Массачусетса г. Амхерст обнаружила, что кристаллы толщиной от 150 нм до 1 мкм были достаточно тонкими, чтобы позволять образовываться складкам и применяться к любой эластомерной подложке. Рейес-Мартинес также отмечает, что их эксперименты особенно важны, потому что они помогают ученым, работающим над гибкими электронными устройствами, определить ограничения производительности новых материалов при экстремальных механических деформациях».

Ученые разработали аналитическую модель, основанную на теории изгиба пластины, для количественной оценки различных локальных напряжений, возникающих на транзисторной структуре при образовании складок. Используя свою модель, они, по словам Рейеса-Мартинеса, в состоянии предсказать, как разные деформации модулируют подвижность зарядов, что никто никогда количественно не оценивал прежде.

Как отмечают авторы, это исследование представляют собой значительный шаг вперед в исследовании структурно-функциональных связей в органических полупроводниках, критических для развития следующего поколения гибких электронных устройств.

Схема «мнущегося» рубренового монокристаллического полевого транзистора. Складки получаются, когда деформация сжатия в плоскости прикладывается к эластомерной подложке. Электрический ток между золотыми (Au) электродами модулируется деформацией, образующей складки