IT-байки: Пластиковые транзисторы в фонтанах ультрафиолета / Аналитика

Новости последнего времени о свежих идеях в области электронных приборов будущего каждую неделю приносят сообщения об открытиях одно другого затейливее и неожиданнее. В одном из недавних материалов цикла "IT-байки" мы сообщали об органической, фотонной и даже бумажной (!) электронике. Уж казалось бы, куда дальше – осталось разве что изобрести жидкие транзисторы, которые после наливания в бутылку подходящего размера превращались бы в плеер или телефон после произнесения соответствующего пожеланию заклинания типа "крэкс-пэкс-фэкс". А что, даже у такой завирально-фантастической идеи нынче существуют вполне реальные лабораторные прототипы. Вроде проектов управления миллионами вездесущих невидимых нанороботов, которые в нужный момент превратятся в чашку кофе или тот же пресловутый MP3 плеер – главное правильно на них "прикрикнуть". Впрочем, даже вполне реальное изобретение, о котором пойдёт речь сегодня, выглядело бы достаточно фантастичным буквально несколько лет назад.

Да, именно так. Ибо гибкие полимерные транзисторы, да ещё и создаваемые с помощью элементарного ультрафиолета – фантастика почище нанороботов. С той лишь разницей, что пока потенциальные создатели нанороботов ещё только разыскивают спонсоров для своих безумных проектов, вполне реальные гибкие полимерные транзисторы уже успешно производятся группой учёных из Школы химического и биологического инжиниринга (School of Chemical and Biological Engineering) при южнокорейском Национальном Университете в Сеуле (Seoul National University in Korea). Открытые онлайновые источники рассказывают об изобретении достаточно скупо, однако мне удалось обнаружить в открытом доступе полноразмерную работу южнокорейских учёных, которая была опубликована 20 ноября в журнале Applied Physics Letters и, соответственно, послужила поводом для широкой огласки этой идеи. Так что самое время приступить к рассказу с подробностями.

В наше время открытие очередного способа получения гибких полупроводников на органической основе как-то даже неудобно называть экстраординарным – столь часто происходят эти события, что мы уже потеряли им счёт. И всё же вопрос промышленного производства электроники на базе полностью полимерных транзисторов, да ещё и на гибкой основе, до сих пор остаётся открытым. Универсальность применения гибких полимерных полупроводников в самых различных устройствах описана многократно, не будем сегодня останавливаться на популяризаторских описаниях гибких дисплеев и телевизоров. Однако большинство разработок в этой области обычно "упирается" или в несовершенство собственно полупроводников – например, по причине их ограниченного срока "жизни", или в несовершенство технологии массового производства. Или дороговизну и сложность организации такого производства.

В своей публикации корейские учёные утверждают, что им удалось обойти все сложности на пути массовой коммерциализации полностью полимерных транзисторов. Применённая в процессе получения гибких полимерных полупроводников технология печати с помощью ультрафиолета позволяет работать с субмикронными структурами полимеров без привлечения традиционных в таком случае факторов вроде нагрева или давления. Более того, печать с помощью ультрафиолета также позволяет формировать самосовмещённые затворы транзисторов, что позволяет финализировать процесс создания полупроводников на гибкой основе с помощью простого способа "ротационной" печати. Принцип создания полимерных транзисторов с помощью ультрафиолета достаточно просто, его последовательность схематически представлена на иллюстрации ниже.

Принцип создания полимерных транзисторов с помощью ультрафиолета

Для начала создаётся шаблон из полидиметилсилоксана (Polydimethylsiloxane, PDMS), покрытый полимером из группы полиэтиленов со сложно произносимым названием Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (styrenesulfonate). Обычно для этого полимера применяется аббревиатура PEDOT/PSS, или просто PEDOT. Интересен он оптической прозрачностью и электрической проводимостью. Далее шаблон накладывается (а) на гибкую полиэтиленовую (или стеклянную) подложку, покрытую слоем светоотверждающейся форполимерной жидкости по названием poly (urethaneacrylate), или просто PUA, и далее облучается ультрафиолетовым (b) светом с длиной волны порядка 250–360 нм на протяжении 20 минут. После снятия шаблона (c), слои из токопроводящего PEDOT-полимера, формирующие сток-исток будущего транзистора, остаются на подложке. Последующий активный слой и слой диэлектрика (d) формируются обычным методом центрифугирования поверх уровня стока-истока. Далее - (e) и (f), используя стеклянную подложку с PEDOT-покрытием и метод контактной печати на слое диэлектрика, создают уровень самосовмещённого затвора.

Создание транзистора, разумеется, описано мной лишь схематически, на самом деле в процессе приходится прибегать к различным дополнительным хитростям, например, совмещать полимеры с гидрофобными и гидрофильными свойствами. Суть, впрочем, не в этом, ибо все эти хитрости достаточно легко масштабируются на промышленное производство. Суть в том, что для формирования полупроводникового транзистора на гибкой органической подложке по методике южнокорейских учёных совершенно не требуется применение каких-либо дорогостоящих компонентов, равно как и дополнительных физических воздействий вроде давления или повышенной температуры. Только ультрафиолет.

Характеристики получаемых в результате полностью полимерных транзисторов приведены на графике ниже; верхний график – это передаточные характеристики при напряжении на стоке −70В, нижний – выходные характеристики при разных уровнях напряжений на затворе. Длина и ширина канала при этом составляют порядка 10 мкм и 1 мм соответственно. Электрические характеристики полученных с помощью ультрафиолетового облучения полностью полимерных транзисторов, по словам учёных, столь же хороши как и у полупроводников, изготовленных на традиционных негибких подложках, и значительно лучше чем характеристики органических транзисторов, полученных другими исследовательскими группами.

Также стоит отметить, что методика "ультрафиолетовой печати" противопоставляется группой корейских учёных, главным образом, как альтернатива уже известной методике создания полностью полимерных транзисторов с помощью струйной печати. Использование этой методики подразумевает первоначальное формирование ячейки самосовмещённого затвора, не являющегося самосовмещённым по сути, и лишь затем с помощью струйной печати формируется собственно затвор. Напротив, применение методики "ультрафиолетовой печати" обеспечивает формирование самосовмещённого затвора, что позволяет с лёгкостью совмещать эту технологию с последующей распараллеленной обработкой методом "ротационной" печати.

Безусловно, технология ультрафиолетовой печати полностью полимерных транзисторов на гибких подложках не лишена некоторых ограничений. Так, толщина подложки в описанном технологическом процессе составляла 800 нм, а толщина матрицы с PEDOT-покрытием 100 нм. Впрочем, так ли нужна сверхминиатюризация там, где речь идёт о гибкой электронике? Вряд ли. А что же дальше? Когда, как говорится, увидим на прилавках? К сожалению, на этот счёт в публикации никакой информации нет. Однако судя по общему тону публикации и особенно по совершенно твёрдой уверенности в возможности быстрой и недорогой коммерциализации, технология вряд ли залежится на полке. Однако широкая публика, как обычно, вряд ли узнает, какой именно способ печати гибких полупроводников был применён в том или ином конечном устройстве. Да это, в общем-то и не так важно, лишь бы надёжно, поскорее и недорого.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: