ОРГАНИЧЕСКИЕ ТРАНЗИСТОРЫ: НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

Как известно, органика – это вещество, в основу которого входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов), а также водород, фосфор, сера, кислород [6, с. 335].

В настоящее время ввиду поисков более экономичных и экологически безопасных видов материалов, органика служит эпицентром научных исследований. Так органические соединения нашли свое применение в такой области науки как электроника.

Органическая электроника – область материальной науки о строении органических молекул или полимеров, которые обладают таким свойством, как электропроводность [4]. Она является плацдармом, открывающим новые возможности для применения органических электропроводников и полупроводников. Такие полупроводники имеют достаточно большой потенциал в наноэлектронике.

Основу таких электронных элементов и устройств, как полевые транзисторы, электролюминесцентные диоды, датчики, запоминающие устройства, фотоэлементы, а также дисплеи и солнечные батареи могут составлять органические соединения и их производные. Вследствие чего возникает интерес к органическим соединениям, поскольку они проявляют достаточно высокую электропроводность.

Транзисторы являются неотъемлемой частью современной электротехники. На их основе строится транзисторная логика цифровых базовых элементов интегральных схем.

Транзистор полевой (униполярный) – это активный полупроводниковый прибор, в котором выходное упорядоченное движение заряженных электрических частиц управляют с помощью электрического поля [1].

В полимерных полупроводниках молекулярные цепи слабо упорядочены. Заряды переносятся между локализованными состояниями в органических полупроводниках посредством прямого туннелирования, либо перепрыгивания с одного состояния на другое.

На рисунке 1 представлены два способа переноса заряда между локализованными состояниями.

Рисунок 1. Два способа переноса заряда между локализованными состояниями: А) Перепрыгивание носителя заряда при получении достаточной энергии для преодоления энергии активации E_A, и В) прямое туннелирование.

Одной из основных характеристик полевых транзисторов является подвижность зарядов μ.

Подвижностью частицы называют дрейфовую скорость, приобретаемую частицей под действием постоянного электрического поля: v=μE, [μ]=см²/В·с [5, с. 182]. Для того, чтобы органические тонкопленочные полевые транзисторы (ОТПТ) могли конкурировать с кремниевыми полупроводниками  в электронных устройствах, подвижность (μ) должна быть порядка 0,5 см²/В·с или выше [3, с. 16-18]. Наибольшее значения подвижности зарядов для органических транзисторов характерно для рубрена: μ=20-40 см²/В·с [8, с. 2-5]. Однако рубрен не годится для массового производства, поскольку он нерастворим. Интерес представляют материалы, которые позволят делать ОТПТ дешево и в промышленных масштабах.

Варианты различных конфигураций исполнений органических транзисторов приведены на рисунке 2. Все они имеют: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители).

Контакты исток-сток транзистора могут быть выполнены по одной из двух схем: верхнее а) или нижнее расположение б). То же самое справедливо и для затвора в), г).

а)   б)

в)      г)

Рисунок 2. Варианты различных конфигураций органических транзисторов. И – исток; С – сток; П/п – полупроводник; З – затвор.

Полевой транзистор по конструкции напоминает плоский конденсатор, состоящий из двух обкладок: одна обкладка – это проводящий канал между двумя контактами (исток и сток), а другая – затвор, управляющий плотностью носителей зарядов в канале, и, как следствие, током [7, с. 1]. Отличительной особенностью органических полевых транзисторов является то, что в качестве полупроводника в них используется органическое вещество – полианилин, фуллерен, рубрен.

Совокупность полианилинов, фуллеренов и их производных дают большой прорыв в создании органических электронных и наноэлектронных устройств, таких как пленочные полевые транзисторы, сенсоры, солнечные батареи и фотоэлементы.

До 90-х годов прошлого века была разработана технология изготовления органических транзисторов. На рисунке 3 показана эта схема изготовления полимерных транзисторов.

Рисунок 3. Схема изготовления органических транзисторов

Первый этап заключался в помещении на субстрат из кремния (Si) электрода затвора. Далее на выращенный слой изолятора (SiO₂) толщиной 20 нм фотолитографическим способом осаждались электроды исток-сток. На третьем этапе размещался слой органического полупроводника с помощью отливки. Для защиты полупроводника от фотоокисления наносился слой фоторезиста.

Данная технология производства является малоэффективной, т.к. является довольно сложной и многоэтапной. Это позволяет задуматься о совершенствовании технологий нанесения полимерных слоев с контролируемой толщиной и заданной морфологией, с требуемыми электрофизическими свойствами на различные типы подложек.

Эта задача является довольно сложной, поскольку полианилин, как и другие электропроводящие полимеры, практически нерастворим, поэтому обычно применяемые технологии нанесения слоев из раствора для него неприменимы.

Новый процесс изготовления появился уже к концу 90-х, позволяющий изготовлять органические транзисторы печатным способом. Схема этого процесса показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Методика изготовления органических транзисторов печатным способом

Основой данного метода является печать с помощью трафаретных масок. Органический полупроводник, подверженный растворению, осаждается на поверхность субстрата. Таким образом, образуется тонкая пленка полупроводника за счет испарения растворителя. Следовательно, в данном методе при создании одного слоя требуется только один шаг, в отличие от предыдущего метода.

В настоящее время разрабатывается технология производства транзисторов на основе коллоидных нанокристаллических растворов при помощи печати на 3D-принтере [2]. Суть данного метода заключатся в применении аддитивного производства для создания транзисторов.

К достоинствам такого метода относится:

1. Технологическая простота;

2. Возможность обработки при невысоких температурах;

3. Возможность изготовления без вакуумных камер.

Струйная 3D-печать полупроводниковых устройств становится возможной благодаря способности напыляться органических материалов на субстрат. В свою очередь, 3D-печать транзисторов на гибких полимерных субстратах откроет новые возможности в создании портативных, носимых электронных устройств.

Список литературы:

1. Полевые транзисторы [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://electrono.ru/poluprovodnikovye-pribory/polevye-tranzistory (дата обращения 27.09.2016)
2. Получены первые гибкие транзисторы, пригодные для 3D-печати [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/the-first-flexible-transistors-suitable-for-3d-printing/ (дата обращения 01.10.2016)
3. Пономаренко С.А. Тиофенсодержащие кремнийорганические макромолекулярные системы для органической электроники. Москва-2010. стр.16-18
4. Савинкина Д., Сидоров А. Органическая электроника [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://compblog.ilc.edu.ru/blog/13641.html (дата обращения 25.09.2016)
5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3 Электричество. М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. стр.182
6. Хомченко Г. П. Пособие по химии для поступающих в вузы. — 4-е изд. испр. и доп. — М.: ООО «Издательство Новая Волна», 2002. – стр. 335.
7. Horowitz G. Organic Field-Effect Transistors. Advanced Materials. 10, No. 5 (1998). P. 1
8. Stassen A. F., R.W.I. de Boer, Iosad N.N., and Morpurgo A.F. Influence of the gate dielectric on the mobility of rubrene single-crystal field-effect transistors. Applied Physics Letters 85, 3899 (2004). P. 2-5.