Разработка гибких цифровых электронных схем с использованием органических полупроводников

Органические полупроводники представляют собой преобразующий подход к разработке гибких цифровых электронных схем, позволяющих устройствам, которые являются гибкими, легкими и совместимыми с недорогим производством. В отличие от обычной кремниевой электроники, которая требует жестких подложек и высокотемпературного изготовления, органические полупроводники могут обрабатываться при температурах ниже 200 ° C и осаждаться на гибких материалах, таких как пластиковые пленки, бумага или даже ткань. Это открывает двери для новых применений в носимой технологии, складных дисплеях, умной упаковке и биомедицинских датчиках. Поле быстро развивается за последнее десятилетие, с органическими полевыми транзисторами (OFETs) в настоящее время достигается зарядовая мобильность, превышающая 10 см2 / V·s в лабораторных условиях, приближаясь к производительности аморфного кремния. Однако перевод этих достижений материала в надежные, высокопроизводительные цифровые схемы, которые могут выдерживать повторную механическую деформацию, остается активной областью исследований. Эта статья исследует основы органической электроники, преимущества, которые они предлагают для гибкой электроники, ключевые

Введение в органические полупроводники

Органические полупроводники представляют собой материалы на основе углерода, которые проявляют полупроводниковые свойства благодаря своим сопряженным π-электронным системам. Эти материалы могут быть широко классифицированы на две категории: малые молекулы (например, пентацен, рубрен и C60 фуллерены) и сопряженные полимеры (например, поли(3-гексилтиофен) (P3HT), поли(фенилен винилен) (PPV) и донор-рецепторные сополимеры). Транспорт заряда в органических полупроводниках происходит через механизм перескакивания между локализованными состояниями или, в высокоупорядоченных кристаллических доменах, через полосовой транспорт. Степень молекулярного упорядочения — часто достигаемая посредством обработки раствора, теплового отжига или эпитаксиального роста — значительно влияет на мобильность носителей заряда, которая является критическим параметром для цифровой производительности схемы. Даже в высокоупорядоченных пленках, подвижность

Электронные свойства органических полупроводников можно настроить путем изменения химической структуры — изменения длины сопряжения, введения гетероатомов или включения электронно-выводящих или электронно-донирующих групп. Например, фторирование может повысить стабильность воздуха и повысить сродство электронов, что позволяет транспортировать n-тип. Эта химическая универсальность в сочетании с технологичностью решения делает органические полупроводники уникальным образом подходящими для электроники большой площади, недорогой электроники на гибких подложках. Кроме того, многие органические полупроводники совместимы с методами печати, что позволяет аддитивное производство, которое уменьшает отходы материала и позволяет быстрое прототипирование.

Преимущества органических полупроводников для гибкой электроники

• Механическая гибкость: Органические полупроводники могут быть осаждены на ультратонкие пластиковые подложки (например, полиимид, ПЭТ, ПЕН) и могут выдерживать изгиб радиусов размером до нескольких миллиметров без значительного ухудшения электрических характеристик. Это позволяет применять такие приложения, как подвижные дисплеи, носимые мониторы здоровья и совместимые датчики, которые легко интегрируются с человеческим телом.
• Низкозатратное производство: Методы осаждения на основе раствора, такие как струйная печать, трафаретная печать, гравюрная печать и спиновое покрытие, работают в условиях окружающей среды или вблизи амбиента, устраняя необходимость в дорогостоящем вакуумном оборудовании и высокотемпературной обработке. Это резко снижает производственные затраты и позволяет производить рулонные схемы большой площади.
• Легкий дизайн: Органические полупроводники и их полимерные подложки значительно легче кремниевых пластин и стекла. Гибкая органическая схема может весить менее половины эквивалентной жесткой схемы, что имеет решающее значение для портативных и носимых устройств, где вес является ограничением.
• Оптическая прозрачность: Многие органические полупроводники, в частности, основанные на полимерах, прозрачны в видимом спектре при обработке в тонкие пленки. Это свойство используется в прозрачных дисплеях, дисплеях с подголовником и прозрачных датчиках, где электронные компоненты не должны препятствовать просмотру пользователем.
• Биосовместимость и экологичность: Несколько органических полупроводников по своей природе биосовместимы или могут быть синтезированы из возобновляемых ресурсов, открывая возможности для биоразлагаемой электроники и имплантируемых медицинских устройств.

Материальная наука и отбор

Выбор полупроводникового материала имеет первостепенное значение для производительности, стабильности и перерабатываемости гибких цифровых схем.Ключевые показатели включают мобильность носителей заряда, соотношение включения/выключения в транзисторах, устойчивость к пороговому напряжению и устойчивость к факторам окружающей среды, таким как кислород, влага и ультрафиолетовый свет.

Малые молекулы против полимеров

Мелкомолекулярные органические полупроводники (например, пентацен, TIPS-пентацен, DNTT) часто демонстрируют более высокую подвижность из-за их способности образовывать высококристаллические пленки. Однако они обычно требуют более точных методов осаждения (например, вакуумной сублимации или сдвига раствора) для достижения оптимального упорядочения. Их механическая гибкость может быть ограничена хрупкостью в толстых пленках. Напротив, сопряженные полимеры (например, P3HT, PBTTT, IDTBT) обеспечивают превосходную механическую пластичность и лучше подходят для непрерывной раскатывающейся печати. Последние полимерные системы показали подвижность выше 10 см2/V·s в транзисторных каналах, размывая грань между малыми молекулами и производительностью полимера. Гибридные подходы, такие как использование маломолекулярных добавок в полимерной матрице, могут сочетать преимущества обоих.

Ключевые показатели эффективности

• Мобильность переносчика заряда: Для цифровых схем подвижность электронов и дырок должна быть достаточно высокой (обычно > 1 см2 / V·s), чтобы обеспечить быструю скорость переключения.Мобильность зависит от молекулярной упаковки, морфологии пленки и качества интерфейса затвора диэлектрика.
• На/вне текущего коэффициента: Для четкого различения логических состояний и уменьшения утечки мощности необходимы высокие соотношения (10^6 и более).
• Пороговая стабильность напряжения: Минимальный дрейф при напряжении смещения и в течение нескольких циклов изгиба имеет важное значение для надежной работы цепи с течением времени.
• Экологическая стабильность: Материалы должны противостоять деградации из окружающего кислорода и влаги. Инкапсуляция может помочь, но предпочтительнее внутренняя стабильность. Например, фторированные производные пентацена показывают улучшенную стабильность воздуха.

Техника изготовления гибких схем

Перевод органических полупроводниковых материалов в полностью функциональные гибкие цифровые схемы требует тщательного выбора методов осаждения, узора и соединения.Процесс изготовления должен сохранять гибкость подложки при достижении характеристик высокого разрешения и надежных электрических контактов.

Методы печати

Инкетная печать предлагает безмаскировочное цифровое осаждение органических полупроводниковых решений с высокой степенью использования материала.Печать с помощью углов экрана ниже 20 мкм может быть сложной задачей.Печать с помощью углов экрана экономически эффективна для моделей большой площади, но ограничена разрешениями выше 100 мкм.Гравюрная печать обеспечивает высокоскоростное непрерывное рисование с разрешениями до 10 мкм, что делает его пригодным для изготовления схем с помощью рулона.Флексографическая печать и Печать с помощью переноса также используется для конкретных систем материалов. Каждый метод требует оптимизации растворителя, вязкости, поверхностного натяжения и смачиваемости подложки, чтобы избежать дефектов, таких как эффекты

Основные строительные блоки, такие как инверторы, NAND затворы, кольцевые осцилляторы, были продемонстрированы в гибких органических схемах., были зарегистрированы колебательные осцилляторы с частотой колебаний более 20 стадий, с частотами колебаний, достигающими нескольких килогерц. Более высокие частоты (до нескольких мегагерц) возможны с использованием передовых материалов и оптимизированных геометрий устройства. Конструкция схемы должна учитывать изменения производительности транзистора по гибкой подложке — особенно пороговые сдвиги напряжения, вызванные напряжением, вызванным изгибом. Использование избыточных архитектур или самокомпенсирующихся схем может повысить выход и надежность.

Механическая надежность

Гибкие схемы должны выживать при повторном изгибе, скручивании и растяжении (в зависимости от применения). Механическое напряжение может вызывать трещины в полупроводниковых пленках, деламинатировать электроды или изменять сопротивление контакту. Для смягчения этих эффектов исследователи используют нейтрально-плановую инженерию (размещение активных слоев вблизи нейтральной оси изгиба) и устойчивые к разрыву геометрии (например, серпантиновые межсоединительные узоры). Инкапсуляция гибкими барьерными слоями (например, ALD-депонированный оксид алюминия или парилен) не только защищает от деградации окружающей среды, но и добавляет механическую поддержку.

Инкапсуляция и барьерные слои

Органические полупроводники высокочувствительны к кислороду и водяному пару, что может создавать состояния ловушки и снижать подвижность носителей. Тонкопленочная инкапсуляция с использованием чередующихся слоев неорганических (Al2O3, SiO2) и органических (парилен, полиакрилат) материалов обеспечивает высокую барьерную производительность (скорость передачи водяного пара ниже 10-6 г/м2/сут). Эти инкапсуляционные стеки должны оставаться гибкими и прозрачными, а их осаждение не должно повредить лежащие в основе органические слои.

Применение в новых технологиях

Уникальные свойства органических полупроводников делают их идеальными для применений, где гибкость, легкий форм-фактор и низкая стоимость важнее, чем сырая производительность.В ряде секторов активно разрабатываются прототипы устройств.

Носимая электроника

Гибкие органические схемы интегрируются в умные часы, фитнес-полосы и медицинские пластыри для непрерывного мониторинга здоровья. Например, гибкий органический колебательный осциллятор может служить сердцем беспроводного датчика температуры, который соответствует коже. Недавние исследования продемонстрировали гибкие органические схемы, способные работать при низких напряжениях (до 5 В), совместимые с питанием батареи.

Гибкие дисплеи

Органические светодиоды (OLED) уже являются коммерчески доминирующими в дисплеях смартфонов и в настоящее время сочетаются с гибкими органическими тонкопленочными транзисторными задними плоскостями для сгибаемых и подвижных экранов. Такие компании, как Samsung и LG, продемонстрировали прототипы складных устройств с использованием органических полупроводников как в схемах вождения, так и в светоизлучающих слоях.

Медицинские датчики

Органические цифровые схемы могут обрабатывать сигналы от гибких датчиков (например, тензодатчиков, датчиков pH, датчиков глюкозы) и передавать данные на мобильное устройство. Их биосовместимость и одноразовость делают их привлекательными для одноразовых диагностических патчей. Недавнее исследование сообщило о полностью органической гибкой схеме для мониторинга сигналов электрокардиограммы (ECG) с усилением на чипе и оцифровкой.

Умный текстиль

Встраивание органических транзисторов и схем непосредственно в ткань может создавать одежду, которая контролирует физиологические параметры или регулирует тепловые свойства. Проводящие волокна служат в качестве межсоединений, а органические полупроводниковые краски печатаются на текстильных интегрированных подложках. Пока еще в исследованиях этот подход может революционизировать военную, спортивную и медицинскую одежду.

Современные вызовы и исследовательские рубежи

Несмотря на впечатляющий прогресс, остаются некоторые препятствия, прежде чем органические гибкие схемы смогут конкурировать с кремнием в приложениях массового рынка.

Ограничения мобильности зарядки

Самые высокие зарегистрированные подвижности для органических полупроводников (около 10-20 см2 / В·с в тонкопленочных транзисторах) приближаются к аморфному кремнию, но все еще далеки от кристаллического кремния (> 500 см2 / В·с). Для сложных цифровых схем, работающих на десятках мегагерц, необходима более высокая мобильность. Исследования однокристаллических органических пленок и двумерных органических полупроводников (например, слоистых ковалентных органических структур) могут обеспечить прорывы.