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標題: 前沿科技之“超柔”有機晶體管 [打印本頁]

作者: 掃街 時間: 2010-11-11 16:38
標題: 前沿科技之“超柔”有機晶體管
東京大學的研究小組開發出了曲率半徑僅為0.1～0.3mm、“即使折起來或揉成一團性能也不會劣化的超柔（Ultra-Flexible）”有機 CMOS環形振蕩器（Ring Oscillator）和TFT陣列薄膜（Array Sheet），并試制出了醫用導管。設想應用于直徑2mm左右的血管內部凹凸處的檢查和覆蓋人體皮膚表面使用的各種醫用傳感器等。論文已刊登于《Nature Materials》2010年11月7日的在線版上。該產品還將出現在2010年12月發行的雜志封面上。開發該產品的是東京大學研究生院工學系研究科、電氣系工學專業的染谷隆夫教授和關谷毅講師的研究小組注1）。該研究小組此前曾開發出過安裝在柔性有機TFT陣列薄膜上的多種功能器件。

但是，包括染谷及其它研究小組的試制實例在內，原有的高柔性有機晶體管薄膜領域存在以下幾個課題。（1）彎曲半徑最小只能達到0.5mm，一般情況下，數mm已經為極限值；（2）驅動電壓與彎曲半徑之間存在此消彼長的關系，在彎曲半徑為0.5mm的情況下，驅動電壓高達40V；(3)除了采用轉印法之外，實現CMOS電路較為困難且量產性較低；（4）難以實現微細化，工作性能存在極限，等等。此次染谷等研究人員解決了上面提到的所有課題。

具體來說就是把彎曲半徑最小縮小到了0.1mm，為原來的幾十分之1～1/5，通過將柵極絕緣膜厚度從原來的500nm大幅降為5～6nm，驅動電壓降低到了2V左右，不到原來的1/10。另外，由于開發出了在室溫或100℃以下制造較薄的柵極絕緣膜、半導體和各電極的工藝，因此在不耐熱的超柔（Ultra-Flexible）基板上直接制作CMOS電路便成為可能。另外，由于能夠降低驅動電壓，有機晶體管按照縮放比例（scaling）實現制造工藝微細化的效果也令人期待。

事實上，此次制成的5段有機CMOS環形振蕩器在低電壓驅動的情況下，實現了每段延遲僅為4.5ms的“全球最快速度”（染谷）。通道長為20μm。

CMOS電路中使用的p型有機半導體采用了并五苯。遷移率μ高達0.5cm2/Vs。另一方面，n型有機半導體采用了氟代酞菁銅（F16CuPc）。雖然μ為0.02cm2/Vs，與并五苯有一定差距，但“這種程度的差距可以在電路方進行補償”（染谷）。

通過在凹凸不平的基板上涂布“粉底”實現平坦化

此次開發的最大要點是，在保證高成品率的同時減小了柵極絕緣膜的厚度，從而降低了驅動電壓。同時，這也得益于薄膜基板大幅實現了平坦化。

在厚度為12.5μm、有幾十nm凹凸的市售聚酰亞胺基板上，采用旋轉涂布法涂布上聚酰亞胺前體，然后加熱到180℃，這種前體就變成聚酰亞胺，在遮蓋住基板凹凸不平之處的同時，也與基板融為一體。平坦化后的凹凸處“為0.2～0.3nm左右，平坦程度幾乎達到原子級別”（染谷）。因此，憑借可與利用硅基板時相匹敵的可靠性，有望制造較薄的柵極絕緣膜和更高性能的半導體。（

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