En nanostrukturerad gatedielektrikum kan ha åtgärdat det mest betydande hindret för att utöka användningen av organiska halvledare för tunnfilmstransistorer. Strukturen, består av ett fluorpolymerskikt följt av ett nanolaminat tillverkat av två metalloxidmaterial, fungerar som grinddielektrikum och skyddar samtidigt den organiska halvledaren – som tidigare varit sårbar för skador från den omgivande miljön – och gör det möjligt för transistorerna att fungera med oöverträffad stabilitet.

Den nya strukturen ger tunnfilmstransistorer stabilitet jämförbar med de som är gjorda av oorganiska material, så att de kan arbeta under omgivande förhållanden – även under vatten. Organiska tunnfilmstransistorer kan tillverkas billigt vid låg temperatur på en mängd olika flexibla substrat med hjälp av tekniker som bläckstråleutskrift, potentiellt öppna nya applikationer som drar fördel av enkla, additiva tillverkningsprocesser.

"Vi har nu bevisat en geometri som ger livstidsprestanda som för första gången fastställer att organiska kretsar kan vara lika stabila som enheter tillverkade med konventionell oorganisk teknologi, sa Bernard Kippelen, Joseph M. Pettit professor vid Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering (ECE) och chef för Georgia Techs Center for Organic Photonics and Electronics (COPE). "Detta kan vara vändpunkten för organiska tunnfilmstransistorer, ta itu med långvariga farhågor om stabiliteten hos organiskt baserade utskrivbara enheter."

Forskningen rapporterades 12 januari i tidskriften Vetenskapens framsteg . Forskningen är kulmen på 15 års utveckling inom COPE och stöddes av sponsorer inklusive Office of Naval Research, flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning, och National Nuclear Security Administration.

Transistorer består av tre elektroder. Käll- och dräneringselektroderna skickar ström för att skapa "på"-tillståndet, men bara när en spänning appliceras på grindelektroden, som separeras från det organiska halvledarmaterialet av ett tunt dielektriskt skikt. En unik aspekt av arkitekturen som utvecklats vid Georgia Tech är att detta dielektriska skikt använder två komponenter, en fluorpolymer och ett metalloxidskikt.

"När vi först utvecklade den här arkitekturen, detta metalloxidskikt var aluminiumoxid, som är mottaglig för skador från fukt, " sa Canek Fuentes-Hernandez, en senior forskare och medförfattare till artikeln. "Att arbeta i samarbete med Georgia Tech Professor Samuel Graham, vi utvecklade komplexa nanolaminatbarriärer som kunde produceras vid temperaturer under 110 grader Celsius och som när de används som grinddielektrikum, gjorde det möjligt för transistorer att hålla sig nedsänkta i vatten nära dess kokpunkt."

Den nya Georgia Tech-arkitekturen använder omväxlande lager av aluminiumoxid och hafniumoxid – fem lager av ett, sedan fem lager av det andra, upprepas 30 gånger ovanpå fluorpolymeren - för att göra dielektrikumet. Oxidskikten framställs med atomär skiktavsättning (ALD). Nanolaminatet, som till slut blir cirka 50 nanometer tjock, är praktiskt taget immun mot effekterna av fukt.

"Medan vi visste att den här arkitekturen gav bra barriäregenskaper, vi blev imponerade av hur stabilt transistorer fungerade med den nya arkitekturen, ", sa Fuentes-Hernandez. "Prestandan hos dessa transistorer förblev praktiskt taget oförändrad även när vi körde dem i hundratals timmar och vid förhöjda temperaturer på 75 grader Celsius. Detta var den överlägset mest stabila organiskt baserade transistorn vi någonsin hade tillverkat."

För laboratoriedemonstrationen, forskarna använde ett glassubstrat, men många andra flexibla material – inklusive polymerer och till och med papper – skulle också kunna användas.

I labbet, forskarna använde vanliga ALD-tillväxttekniker för att producera nanolaminatet. Men nyare processer som kallas rumslig ALD – som använder flera huvuden med munstycken som levererar prekursorerna – kan påskynda produktionen och tillåta enheterna att skalas upp i storlek. "ALD har nu nått en mognadsnivå där det har blivit en skalbar industriell process, och vi tror att detta kommer att möjliggöra en ny fas i utvecklingen av organiska tunnfilmstransistorer, sa Kippelen.

En uppenbar tillämpning är för transistorerna som styr pixlar i organiska ljusemitterande skärmar (OLED) som används i enheter som iPhone X och Samsung-telefoner. Dessa pixlar styrs nu av transistorer tillverkade med konventionella oorganiska halvledare, men med den extra stabiliteten som det nya nanolaminatet ger, de skulle kanske kunna tillverkas med utskrivbara organiska tunnfilmstransistorer istället.

Internet of things (IoT)-enheter kan också dra nytta av tillverkning som möjliggörs av den nya tekniken, möjliggör produktion med bläckstråleskrivare och andra billiga tryck- och beläggningsprocesser. Nanolaminattekniken kan också möjliggöra utveckling av billiga pappersbaserade enheter, som smarta biljetter, som skulle använda antenner, displayer och minne tillverkade på papper genom lågkostnadsprocesser.

Men de mest dramatiska applikationerna kan vara i mycket stora flexibla skärmar som kan rullas ihop när de inte används.

"Vi kommer att få bättre bildkvalitet, större storlek och bättre upplösning, Kippelen sa. När dessa skärmar blir större, den stela formfaktorn hos konventionella bildskärmar kommer att vara en begränsning. Kolbaserad teknik med låg bearbetningstemperatur gör att skärmen kan rullas upp, vilket gör det lätt att bära runt och mindre känsligt för skador.

För deras demonstration, Kippelens team – som även inkluderar Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang och Youngrak Park – använde en modell för organisk halvledare. Materialet har välkända egenskaper, men med bärarmobilitetsvärden på 1,6 cm2/Vs är inte den snabbaste tillgängliga. Som nästa steg, de forskare skulle vilja testa sin process på nyare organiska halvledare som ger högre laddningsrörlighet. De planerar också att fortsätta testa nanolaminatet under olika böjningsförhållanden, över längre tidsperioder, och i andra enhetsplattformar såsom fotodetektorer.

Även om den kolbaserade elektroniken utökar sin enhetskapacitet, traditionella material som kisel har inget att frukta.

"När det gäller höga hastigheter, kristallina material som kisel eller galliumnitrid kommer säkerligen att ha en ljus och mycket lång framtid, sade Kippelen. Men för många framtida tryckta ansökningar, en kombination av den senaste organiska halvledaren med högre laddningsmobilitet och nanostrukturerad gate-dielektrik kommer att ge en mycket kraftfull enhetsteknologi."