可在室溫制造　新研發(fā)碳電晶體速度超越非晶硅

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

現(xiàn)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)──來制造電晶體(transistor)的通道(channel)，找到了一種可產(chǎn)生比非晶硅(amorphous)速度快100倍的室溫電晶體制造方法。  

“我們并未宣稱是第一個能在室溫下制造C60電晶體的實驗室，”Georgia Tech教授Bernard Kippelen表示：“我們的研發(fā)成果創(chuàng)新之處，在于能證明在室溫制程下獲得了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(wěn)定性、低閥值電壓，以及高開關(guān)電流比(on-off current ratios)?！?nbsp;

全球的實驗室都在研究室溫制程技術(shù)，以便利用廉價、高產(chǎn)量捲軸式(roll-to-roll)印刷機或噴墨印刷技術(shù)，制造大型顯示器以及像RFID這樣的低成本應用產(chǎn)品；如此一來，就不需要無塵室內(nèi)那些昂貴、高溫的處理制程。而有許多方法正試圖在利用有機材料制作電晶體的同時，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(jīng)實現(xiàn)了高于Georgia Tech研究小組的電子遷移率，但多是透過高溫制程來製造有機電晶體。而美國業(yè)者Kovio雖已經(jīng)開發(fā)出一種無機硅墨水(inorganic silicon ink)，可透過噴墨印刷方式來制造薄膜電晶體，不過製程溫度卻遠遠高于塑膠基板所能承受的范圍。  

而盡管Georgia Tech的研發(fā)成果，未能實現(xiàn)高溫制程所能達到的電子遷移率(Kovio聲稱其電子遷移率與多晶硅一樣好)，他們所實現(xiàn)的電子遷移率已經(jīng)超越非晶硅。而該技術(shù)的一個潛在應用，就是生產(chǎn)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(chǔ)，Kippelen聲稱他的研究小組已經(jīng)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(shù)：“我們的研究建立在對有機半導體進行精煉(purification)和處理的數(shù)年經(jīng)驗基礎(chǔ)之上。而對閘極電介質(zhì)(gate dielectric)以及電極金屬的選擇，也扮演了重要的角色?！?nbsp; 

Georgia Tech教授Bernard Kippelen (中)在室溫電晶體研發(fā)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研究小組的示范元件是在硅基板上制造的；但研究人員聲稱，他們的有機C60電晶體使用的所有元素，都是在室溫下制成。而用于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采用的透明製程(transparent process)一樣的技術(shù)沉積而成。  

“我們的電極是利用光罩(shadow masking)以及熱蒸發(fā)(thermal evaporation)制程，在有機半導體的頂層制成的；”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)，能讓基板不至于在沉積過程中過熱?！?nbsp; 

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

不過采用C60制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(huán)境中工作。而研究人員計劃透過重新形成富勒烯分子，并以真空方式來封裝元件以解決上述問題。