На лиофобную подложку транзистора натянули органическую пленку

Японские ученые освоили технологию производства тонкопленочного транзистора из органического полупроводника методом растягивания раствора по подложке. Распределяет раствор по субстрату прямоугольное движущееся лезвие, конструкция подложки из комбинации лиофобных и лиофильных материалов не позволяет раствору растекаться, а самоорганизация молекул обеспечивает однородность структуры пленки. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Тонкопленочные транзисторы на основе неорганических полупроводников широко используются в современных гаджетах как элемент управления светодиодным дисплеем, но на смену неорганическим полупроводникам постепенно приходят органические. Органические структуры обладают рядом преимуществ, например, из них можно легко вырастить пленку большой площади. Технологически процесс изготовления органических полупроводников проще, отсюда и потенциально более низкая себестоимость при масштабном производстве.

Ключевая характеристика транзистора — подпороговый размах. Он определяет скорость переключения транзистора и энергопотребление, а также способность транзистора работать при меньших напряжениях. Чем подпороговый размах меньше — тем резвее работает транзистор. Предыдущие исследования показали, что и здесь органические полупроводники превосходят неорганические и создают резкое переключение при низких рабочих напряжениях. Главное требование, которое предъявляют при производстве к органическим слоям — однородность структуры. Поскольку в приборе таких слоев несколько, то важно минимизировать вероятность возникновения дефектов на границе раздела этих слоев, чтобы дисплей будущего смартфона не деградировал за пару лет. Этих проблем можно избежать, грамотно подобрав материалы, конструкцию и способ изготовления.

Гё Китахара (Gyo Kitahara) с коллегами из Токийского университета и Национального института передовых наук и технологий применили технологию управляемого мениска — поверхностного слоя жидкости на границе раздела двух сред. Раствор полупроводника подается между подложкой и лезвием, расположенным под большим углом к подложке и буквально размазывается за счет линейного движения лезвия или подложки. Однородная структура формируется за счет направленного движения и сил поверхностного натяжения жидкости. 

Сама технология нанесения не новая, но ученые взяли за основу для будущего транзистора подложку из лиофобного полимера Cytop — слабо взаимодействующего с жидкостями на молекулярном уровне. Cytop — перспективный диэлектрический органический полимер. Лиофобность обеспечивает отчетливую границу раздела двух материалов, что положительно сказывается на переключающих свойствах транзистора и его долговечности. Нанести на такую подложку раствор органического полупроводника непросто — молекулам не за что зацепиться, пленка не будет держаться. Исследователи внесли в конструкцию транзистора U-образную лиофильную металлическую пластину, очертив таким образом границу для органического покрытия. Пленка органического полупроводника крепится к лиофильной границе, а затем, как мыльная пленка, растягивается над лиофобным субстратом до другой стороны металлической рамки.

Методика позволяет органическому раствору успешно держаться на металлической рамке, образуя в ее пределах чрезвычайно тонкое (5,2 нанометра) монокристаллическое покрытие. Ученые добились среднего показателя 67 милливольт на декаду среди 56 напечатанных транзисторов, с самым низким показателем 63 милливольт на декаду.

Методика, предложенная учеными, помогает раскрыть достоинства органических материалов и облегчает производство транзисторов на их основе. Их исследование еще на шаг приближает нас к повсеместному внедрению органических полупроводников — новому этапу развития полупроводниковой электроники. Органические материалы находят свое применение не только в гаджетах. В прошлом году физики придумали, как реализовать лазер на органическом светодиоде.

Роман Колесов