納米結構柵極絕緣層促進了有機薄膜晶體管的穩定性
納米結構的柵極絕緣層可能已經解決了將有機半導體的應用擴展到薄膜晶體管的最大障礙。包含氟聚合物層和由兩種金屬氧化物材料製成的納米薄層構成的結構可以作為柵極絕緣層，該結構同時保護有機半導體（有機半導體易受周圍環境損害），並使晶體管能夠具有以前所未有的穩定性。
新的結構使得薄膜晶體管的穩定性可與無機材料製成的薄膜晶體管相媲美，使其能夠在室溫環境條件下工作 - 甚至在水下。有機薄膜晶體管可以使用諸如噴墨印刷之類的技術在低溫下在各種柔性基板上低成本地製造，有機薄膜晶體管開啟了利用簡單的、附加的製造工藝的新應用。
喬治亞理工大學電氣與計算機工程學院（ECE）的Joseph M. Pettit教授、有機光子學和電子學中心（COPE）主任Bernard Kippelen說：「我們現在已經證明了幾何結構的壽命性能，首次證明有機電路可以像使用傳統無機技術生產的器件一樣穩定。「這可能是有機薄膜晶體管的引爆點，它解決長期以來對有機印刷器件穩定性的擔憂。」
示意圖顯示了一個新的有機晶體管架構的橫截面，該有機晶體管產生前所未有的穩定性。 該設備由喬治亞理工學院的一個科學家小組開發。圖片來源： Xiaojia Jia/喬治亞理工學院
「Science Advances」雜誌（「Stable organic thin-film transistors」）報道了這項研究。這項研究是COPE領域15年來發展的頂點，該研究得到了海軍研究辦公室、空軍科學研究辦公室和國家核安全局等發起人的支持。
晶體管包括三個電極。只有當電壓施加到柵電極時，源電極和漏電極之間才通過電流以形成「導通」狀態，所述柵電極通過薄膜絕緣層與有機半導體材料分開。喬治亞理工大學開發的一個獨特的結構是，該介電層包括兩個組件，一個含氟聚合物和一個金屬氧化物層。
高級研究科學家、文章的共同作者Canek Fuentes-Hernandez說：「當我們第一次開發這種結構時，這種金屬氧化物層選用的是氧化鋁，氧化鋁易受到濕度的損害。「與喬治亞理工大學教授Samuel Graham合作，我們開發了複雜的納米層狀屏障，其可以在攝氏110度以下的溫度下生產，當用作柵介質時，能夠使晶體管在水中接近水的沸點的溫度附近正常工作。
新的喬治亞理工大學設計的結構使用氧化鋁和氧化鉿的交替層 – 共有五層，然後另外五層，在含氟聚合物上重複30次 - 製成所述絕緣層。氧化層是用原子層沉積（ALD）製造的。所述納米薄層最終厚度大約為50納米，實際上不受濕度的影響。
Fuentes-Hernandez說：「雖然我們知道這種架構產生了良好的屏障性能，但我們被這種新架構穩定的晶體管運行所震驚。「這些晶體管的性能幾乎保持不變，即使我們操作數百小時，並在75攝氏度的高溫下。這是迄今為止我們製造的最穩定的有機晶體管。」
為了進行實驗室演示，研究人員們使用了玻璃基板，但也可以使用許多其他柔性材料，包括聚合物甚至紙張。
在實驗室里，研究人員們使用標準的ALD生長技術來產生納米薄層。但是還有一種最新的工藝被稱為空間ALD（利用多個噴頭，所述多個噴頭帶有提供前驅物的噴嘴），空間ALD可以加速生產並允許裝置的尺寸擴大。「ALD現在已經達到成熟的程度，成為一個可擴展的工業過程，我們認為這將有助於有機薄膜晶體管發展的新階段，」Kippelen說。
在例如iPhone X和三星手機等設備中使用的控制有機發光顯示器（OLED）中的像素的晶體管是一個顯而易見的應用場景。這些像素現在由用傳統的無機半導體製造的晶體管控制，但是由於新的納米薄層提供了額外的穩定性，所以它們或許可以用可印刷的有機薄膜晶體管來代替。
物聯網（IoT）設備也可以受益於新的製造工藝，新的製造工藝允許用噴墨印表機和其他低成本印刷和塗布工藝生產。 納米薄層技術也可以允許開發廉價的紙基設備，如智能票，這將使用天線，顯示器和採用低成本製作流程製造的紙基內存器。
但是最戲劇性的應用可能是非常大的柔性顯示器，這種顯示器可以在不使用時捲起來。
「我們將獲得更好的圖像質量，更大的尺寸和更好的解析度，」Kippelen說。「隨著這些屏幕變大，傳統顯示器的剛性外形將成為一個限制。低加工溫度碳基技術將使屏幕捲起來，便於攜帶，不易受損。
對於他們的演示，Kippelen的團隊（包括Xiaojia Jia，Cheng-Yin Wang和Youngrak Park）使用了一種有機半導體模型。該材料具有眾所周知的性能，但載流子遷移率值為1.6cm2 / Vs並不是最快的。作為下一步，研究人員們想要在具有更高的電荷遷移率的新型有機半導體上測試他們的工藝。他們還計劃繼續在不同的彎曲條件下，在更長的時間段以及其他設備平台（如光電探測器）上測試所述納米薄層。
儘管碳基電子產品正在擴大其設備功能，但像硅這樣的傳統材料並不需要擔心被替代。
Kippelen說：「當涉及到高速率時，像硅或氮化鎵這樣的結晶材料肯定會有一個光明而又漫長的未來。「但是對於許多未來的印刷應用，最新的有機半導體與更高電荷遷移率的組合以及納米結構的柵極絕緣層將提供非常強大的器件技術。」
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