L'image montre des transistors à couche mince organique avec un diélectrique de grille nanostructuré soumis à des tests continus sur une station de sonde. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Un diélectrique de grille nanostructuré a peut-être permis de surmonter l'obstacle le plus important à l'expansion de l'utilisation de semi-conducteurs organiques pour les transistors à couche mince. La structure, composé d'une couche de polymère fluoré suivie d'un nanolaminé constitué de deux matériaux d'oxyde métallique, sert de diélectrique de grille et protège simultanément le semi-conducteur organique - qui était auparavant vulnérable aux dommages causés par l'environnement ambiant - et permet aux transistors de fonctionner avec une stabilité sans précédent.
La nouvelle structure confère aux transistors à couche mince une stabilité comparable à ceux fabriqués avec des matériaux inorganiques, leur permettant de fonctionner dans des conditions ambiantes - même sous l'eau. Les transistors organiques à couche mince peuvent être fabriqués à faible coût à basse température sur une variété de substrats flexibles en utilisant des techniques telles que l'impression à jet d'encre, potentiellement ouvrir de nouvelles applications qui tirent parti de simples, procédés de fabrication additive.
« Nous avons maintenant prouvé une géométrie qui offre des performances à vie qui établissent pour la première fois que les circuits organiques peuvent être aussi stables que les dispositifs produits avec des technologies inorganiques conventionnelles, " a déclaré Bernard Kippelen, le professeur Joseph M. Pettit à la School of Electrical and Computer Engineering (ECE) de Georgia Tech et directeur du Center for Organic Photonics and Electronics (COPE) de Georgia Tech. "Cela pourrait être le point de basculement pour les transistors organiques à couche mince, répondre aux préoccupations de longue date concernant la stabilité des périphériques imprimables à base organique."
La recherche sera publiée le 12 janvier dans la revue Avancées scientifiques . La recherche est l'aboutissement de 15 années de développement au sein de COPE et a été soutenue par des sponsors, notamment l'Office of Naval Research, le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, et l'Administration nationale de la sécurité nucléaire.
Les transistors comportent trois électrodes. Les électrodes de source et de drain font passer du courant pour créer l'état « on », mais seulement lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode de grille, qui est séparé du matériau semi-conducteur organique par une fine couche diélectrique. Un aspect unique de l'architecture développée à Georgia Tech est que cette couche diélectrique utilise deux composants, un polymère fluoré et une couche d'oxyde métallique.
Le chercheur principal de Georgia Tech Canek Fuentes-Hernandez (à gauche) et le professeur Bernard Kippelen examinent un échantillon de transistors organiques à couche mince créés avec un nouveau diélectrique de grille nanostructuré qui confère aux dispositifs une stabilité sans précédent. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
"Lorsque nous avons développé cette architecture pour la première fois, cette couche d'oxyde métallique était de l'oxyde d'aluminium, qui est susceptible d'être endommagé par l'humidité, " a déclaré Canek Fuentes-Hernandez, chercheur scientifique principal et coauteur de l'article. "En collaboration avec le professeur de Georgia Tech Samuel Graham, nous avons développé des barrières nanolaminées complexes qui pourraient être produites à des températures inférieures à 110 degrés Celsius et qui, lorsqu'elles sont utilisées comme diélectrique de grille, a permis aux transistors de supporter d'être immergés dans l'eau près de son point d'ébullition."
La nouvelle architecture de Georgia Tech utilise des couches alternées d'oxyde d'aluminium et d'oxyde d'hafnium - cinq couches d'une, puis cinq couches de l'autre, répété 30 fois au sommet du fluoropolymère - pour faire le diélectrique. Les couches d'oxyde sont produites par dépôt de couche atomique (ALD). Le nanostratifié, qui finit par avoir une épaisseur d'environ 50 nanomètres, est pratiquement insensible aux effets de l'humidité.
« Alors que nous savions que cette architecture produisait de bonnes propriétés de barrière, nous avons été époustouflés par la stabilité du fonctionnement des transistors avec la nouvelle architecture, " a déclaré Fuentes-Hernandez. " Les performances de ces transistors sont restées pratiquement inchangées, même lorsque nous les avons fait fonctionner pendant des centaines d'heures et à des températures élevées de 75 degrés Celsius. C'était de loin le transistor organique le plus stable que nous ayons jamais fabriqué."
Pour la démonstration en laboratoire, les chercheurs ont utilisé un substrat de verre, mais de nombreux autres matériaux flexibles - y compris les polymères et même le papier - pourraient également être utilisés.
Dans le laboratoire, les chercheurs ont utilisé des techniques de croissance ALD standard pour produire le nanolaminé. Mais de nouveaux processus appelés ALD spatial - utilisant plusieurs têtes avec des buses délivrant les précurseurs - pourraient accélérer la production et permettre aux dispositifs d'être agrandis en taille. « ALD a maintenant atteint un niveau de maturité où il est devenu un processus industriel évolutif, et nous pensons que cela permettra une nouvelle phase dans le développement des transistors organiques à couche mince, " a déclaré Kippelen.
Une application évidente concerne les transistors qui contrôlent les pixels dans les écrans électroluminescents organiques (OLED) utilisés dans des appareils tels que les téléphones iPhone X et Samsung. Ces pixels sont désormais contrôlés par des transistors fabriqués avec des semi-conducteurs inorganiques classiques, mais avec la stabilité supplémentaire fournie par le nouveau nanolaminé, ils pourraient peut-être être fabriqués avec des transistors organiques à couche mince imprimables à la place.
Les appareils de l'Internet des objets (IoT) pourraient également bénéficier de la fabrication rendue possible par la nouvelle technologie, permettant la production avec des imprimantes à jet d'encre et d'autres procédés d'impression et de revêtement à faible coût. La technique du nanolaminé pourrait également permettre le développement de dispositifs à base de papier peu coûteux, comme les billets intelligents, qui utiliserait des antennes, affichages et mémoires fabriqués sur papier grâce à des processus à faible coût.
Mais les applications les plus spectaculaires pourraient se trouver dans de très grands écrans flexibles qui pourraient être enroulés lorsqu'ils ne sont pas utilisés.
Le chercheur principal de Georgia Tech Canek Fuentes-Hernandez (à gauche) et le professeur Bernard Kippelen sont présentés dans un laboratoire de Georgia Tech où les nouveaux transistors organiques à couche mince ont été développés. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
"Nous obtiendrons une meilleure qualité d'image, plus grande taille et meilleure résolution, " dit Kippelen. " Comme ces écrans deviennent plus grands, le facteur de forme rigide des écrans conventionnels sera une limitation. La technologie à base de carbone à basse température de traitement permettra à l'écran d'être enroulé, le rendant facile à transporter et moins susceptible d'être endommagé.
Pour leur démonstration, L'équipe de Kippelen - qui comprend également Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang et Youngrak Park - ont utilisé un modèle de semi-conducteur organique. Le matériau a des propriétés bien connues, mais avec des valeurs de mobilité de support de 1,6 cm2/Vs, ce n'est pas le plus rapide disponible. Comme prochaine étape, Les chercheurs aimeraient tester leur procédé sur de nouveaux semi-conducteurs organiques qui offrent une mobilité de charge plus élevée. Ils prévoient également de continuer à tester le nanolaminé dans différentes conditions de flexion, sur des périodes plus longues, et dans d'autres plates-formes d'appareils telles que les photodétecteurs.
Bien que l'électronique à base de carbone étende les capacités de ses appareils, les matériaux traditionnels comme le silicium n'ont rien à craindre.
"Quand il s'agit de vitesses élevées, les matériaux cristallins comme le silicium ou le nitrure de gallium auront certainement un avenir radieux et très long, " a déclaré Kippelen. " Mais pour de nombreuses futures applications imprimées, une combinaison du dernier semi-conducteur organique avec une mobilité de charge plus élevée et du diélectrique de grille nanostructuré fournira une technologie de dispositif très puissante."
