在有机双极性半导体表面涂布制作数字电路

2016-11-110阅读0

  日本理化学研究所(理研)2016年11月8日宣布开发出了一项新技术,通过对采用有机双极性半导体的数字电路元件的基板施以烷基处理,可以控制流动的载流子种类(电子与空穴),从而大幅降低了功耗。

  

(a)使用空穴传导型(绿色)及电子传导型(粉红色)两种有机半导体的数字电路和(b)采用单一有机双极性半导体的数字电路

  (该图摘自理研的发布资料)

  有机半导体可通过涂布材料溶液,利用低能耗工艺形成半导体层,因此采用现有印刷工艺制作时,具有成本低、可增大面积等优点。但是,要制作数字电路,必须分开涂布空穴传导型和电子传导型两种有机半导体,这一点使得利用印刷工艺制作电路十分困难。

  

有机双极性半导体中的载流子动作

  空穴与电子两种载流子被无区分传导(该图摘自理研的发布资料)

  但如果采用具备有机半导体和双极性半导体(可利用空穴载流子和电子载流子)两种特性的有机双极性半导体,只需涂布单一材料,就能制作数字电路。不过,采用有机双极性半导体的元件很难有选择地使用空穴和电子,电子和空穴两者中的一种载流子会一直流动,因此被指存在功耗较大的缺点。

  

在基板上进行氟化烷基处理(蓝色部分)后的载流子动作

  氟化烷基带负电,因此在接近于绝缘体的半导体中会形成正电荷层,由源电极进入的正载流子会传导,而由漏电极进入的负载流子则会被正电荷层捕获,不会传导(该图摘自理研的发布资料)

  2015年,有研究报告称,在基板上制作的单分子膜会形成电荷层,对有机半导体的特性产生影响。理研此次着眼于这种现象,在有机双极性半导体元件的硅基板上制作了带负电的氟化烷基单分子膜。结果发现半导体中会形成正电荷层,电子因被电荷层捕获而无法移动。最后成功将有机双极性半导体中流动的载流子限定为空穴载流子。

  

在基板上进行氨基烷基处理(粉色部分)之后的载流子动作

  氨基烷基的氨基的氮带正电,因此半导体中会形成负电荷层,由源电极进入的负载流子会传导,而由漏电极进入的正载流子则会被负电荷层捕获,不会传导(该图摘自理研的发布资料)

  理研同时还发现,采用带正电的氨基烷基单分子膜时,会形成负电荷层,将半导体中的载流子限定为电子载流子。该公司结合使用这些技术,将有机双极性半导体中的载流子种类限定为空穴和电子两者的其中之一,制作了基本数字电路——CMOS逆变器。并证实采用有机双极性半导体的元件可大幅降低功耗。

  

制作的CMOS逆变器的模式图和节能效果

  (该图摘自理研的发布资料)

  今后,有望实现采用有机双极性半导体的轻量、柔软、成本低的节能电子元件。此次的研究成果已经于2016年11月4日刊登在德国科学杂志《先进材料》(Advanced Materials)网络版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)