前沿科技之“超柔”有机晶体管

扫街 · 发表于 2010-11-11 16:38:27

东京大学的研究小组开发出了曲率半径仅为0.1～0.3mm、“即使折起来或揉成一团性能也不会劣化的超柔（Ultra-Flexible）”有机 CMOS环形振荡器（Ring Oscillator）和TFT阵列薄膜（Array Sheet），并试制出了医用导管。设想应用于直径2mm左右的血管内部凹凸处的检查和覆盖人体皮肤表面使用的各种医用传感器等。论文已刊登于《Nature Materials》2010年11月7日的在线版上。该产品还将出现在2010年12月发行的杂志封面上。开发该产品的是东京大学研究生院工学系研究科、电气系工学专业的染谷隆夫教授和关谷毅讲师的研究小组注1）。该研究小组此前曾开发出过安装在柔性有机TFT阵列薄膜上的多种功能器件。

但是，包括染谷及其它研究小组的试制实例在内，原有的高柔性有机晶体管薄膜领域存在以下几个课题。（1）弯曲半径最小只能达到0.5mm，一般情况下，数mm已经为极限值；（2）驱动电压与弯曲半径之间存在此消彼长的关系，在弯曲半径为0.5mm的情况下，驱动电压高达40V；(3)除了采用转印法之外，实现CMOS电路较为困难且量产性较低；（4）难以实现微细化，工作性能存在极限，等等。此次染谷等研究人员解决了上面提到的所有课题。

具体来说就是把弯曲半径最小缩小到了0.1mm，为原来的几十分之1～1/5，通过将栅极绝缘膜厚度从原来的500nm大幅降为5～6nm，驱动电压降低到了2V左右，不到原来的1/10。另外，由于开发出了在室温或100℃以下制造较薄的栅极绝缘膜、半导体和各电极的工艺，因此在不耐热的超柔（Ultra-Flexible）基板上直接制作CMOS电路便成为可能。另外，由于能够降低驱动电压，有机晶体管按照缩放比例（scaling）实现制造工艺微细化的效果也令人期待。

事实上，此次制成的5段有机CMOS环形振荡器在低电压驱动的情况下，实现了每段延迟仅为4.5ms的“全球最快速度”（染谷）。通道长为20μm。

CMOS电路中使用的p型有机半导体采用了并五苯。迁移率μ高达0.5cm2/Vs。另一方面，n型有机半导体采用了氟代酞菁铜（F16CuPc）。虽然μ为0.02cm2/Vs，与并五苯有一定差距，但“这种程度的差距可以在电路方进行补偿”（染谷）。

通过在凹凸不平的基板上涂布“粉底”实现平坦化

此次开发的最大要点是，在保证高成品率的同时减小了栅极绝缘膜的厚度，从而降低了驱动电压。同时，这也得益于薄膜基板大幅实现了平坦化。

在厚度为12.5μm、有几十nm凹凸的市售聚酰亚胺基板上，采用旋转涂布法涂布上聚酰亚胺前体，然后加热到180℃，这种前体就变成聚酰亚胺，在遮盖住基板凹凸不平之处的同时，也与基板融为一体。平坦化后的凹凸处“为0.2～0.3nm左右，平坦程度几乎达到原子级别”（染谷）。因此，凭借可与利用硅基板时相匹敌的可靠性，有望制造较薄的栅极绝缘膜和更高性能的半导体。（

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