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可在室溫製造 新研發碳電晶體速度超越非晶矽

上網時間: 2007年12月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:室溫電晶體  巴克球  碳60 

能在室溫下製造半導體元件的技術,將使諸如電子佈告欄(electronic billboards)這樣的大規模應用,以及可拋棄式的RFID標籤這樣的超低成本應用成為可能。但大多數的室溫電晶體的電子遷移率非常低,數值僅有每伏秒數百分之一平方公分(cm2/Vs)。

現在,美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology,Georgia Tech)的研究人員聲稱,已透過利用碳60 (C60)薄膜──也就是巴克球(buckyballs)或富勒烯(fullerenes)──來製造電晶體(transistor)的通道(channel),找到了一種可產生比非晶矽(amorphous)速度快100倍的室溫電晶體製造方法。

「我們並未宣稱是第一個能在室溫下製造C60電晶體的實驗室,」Georgia Tech教授Bernard Kippelen表示:「我們的研發成果創新之處,在於能證明在室溫製程下獲得了3~5 cm2/Vs這樣的高電子遷移率的同時,也能獲得良好的可再生性(reproducibility)、穩定性、低閥值電壓,以及高開關電流比(on-off current ratios)。」

全球的實驗室都在研究室溫製程技術,以便利用廉價、高產量捲軸式(roll-to-roll)印刷機或噴墨印刷技術,製造大型顯示器以及像RFID這樣的低成本應用產品;如此一來,就不需要無塵室內那些昂貴、高溫的處理製程。而有許多方法正試圖在利用有機材料製作電晶體的同時,也嘗試利用新材料配方來尋求提升電子遷移率的途徑。

有其他研究單位已經實現了高於Georgia Tech研究小組的電子遷移率,但多是透過高溫製程來製造有機電晶體。而美國業者Kovio雖已經開發出一種無機矽墨水(inorganic silicon ink),可透過噴墨印刷方式來製造薄膜電晶體,不過製程溫度卻遠遠高於塑膠基板所能承受的範圍。

而儘管Georgia Tech的研發成果,未能實現高溫製程所能達到的電子遷移率(Kovio聲稱其電子遷移率與多晶矽一樣好),他們所實現的電子遷移率已經超越非晶矽。而該技術的一個潛在應用,就是生產僅要求16ms刷新率(refresh rate)的服務型顯示器(service display);它們可使用低價的塑膠基板。

以過去幾年的設計改善為基礎,Kippelen聲稱他的研究小組已經確定了需要在低溫下針對高電子遷移率進行最佳化的材料和參數:「我們的研究建立在對有機半導體進行精煉(purification)和處理的數年經驗基礎之上。而對閘極電介質(gate dielectric)以及電極金屬的選擇,也扮演了重要的角色。」


Georgia Tech教授Bernard Kippelen (中)在室溫電晶體研發計畫上,與同校的研究科學家Benoit Domercq以及博士候選人Xiao-Hong Zhang攜手合作。

為了方便起見,Georgia Tech研究小組的示範元件是在矽基板上製造的;但研究人員聲稱,他們的有機C60電晶體使用的所有元素,都是在室溫下製成。而用於該室溫電晶體的金屬電極,則是利用跟OLED以及塑膠太陽能電池所採用的透明製程(transparent process)一樣的技術沈積而成。

「我們的電極是利用光罩(shadow masking)以及熱蒸發(thermal evaporation)製程,在有機半導體的頂層製成的;」Kippelen表示:「透過讓金屬源極(source)和基板之間保持足夠大的距離(3英尺),能讓基板不至於在沈積過程中過熱。」

下一步,研究人員將探索製造n通道和p通道電晶體的方法,以便利用室溫有機材料,製造用於主動矩陣顯示器的CMOS反相器(inverters)、環狀振盪器(ring oscillator)、邏輯閘以及驅動器等類似的輔助電路。「用塑膠底板取代矽基板,也是我們未來研究計畫的一部份;」Kippelen表示。

不過採用C60製造電晶體通道還是有一個缺點存在,即是它們對氧氣敏感,意味著這種元件必須在氮氣環境中工作。而研究人員計劃透過重新形成富勒烯分子,並以真空方式來封裝元件以解決上述問題。

(參考原文:Carbon transistors touted as outperforming amorphous silicon)

(R. Colin Johnson)




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