Tranzystory drukowane na papierze

Drukowane obwody elektroniczne są potencjalną niedrogą i skalowalną alternatywą dla tradycyjnych tranzystorów krzemowych.

Popularne materiały wykorzystywane jako tusze obejmują związki organiczne i półprzewodniki tlenkowe. Niestety w porównaniu do rozwiązań krzemowych cechują się one znacznie niższą mobilnością elektronów i dziur – o rzędy wielkości gorszą od polikrzemu. Typowo stosowane podłoża spotykane w elastycznych układach elektronicznych obejmują polimery PEN, PET, a nawet PDMS stosowany w rozciągalnych lub giętkich układach elektronicznych.

Rys. 1. Przykładowe układy elektroniczne na podłożu papierowym

Aby dodatkowo obniżyć koszty, zespół naukowców z holenderskiego Uniwersytetu Technicznego w Delft stara się stworzyć szybkie układy elektroniczne działające bezpośrednio na papierze – jest on o rząd wielkości tańszy od wymienionych polimerów. Jednocześnie naukowcy starają się uniknąć dodatkowych trudności związanych z przenoszeniem układów cienkowarstwowych z podłoża krzemowego na papier.

Kilka lat temu dr. R. Ishihara, profesor wydziału mikroelektroniki na uniwersytecie Delft, razem ze swym zespołem zademonstrował wykorzystanie związku CPS jako ciekłego substytutu krzemu, syntezując polikrzem w niskiej temperaturze (poniżej 100°C). Teraz zespołowi Ishihary udało się skutecznie wykonać z polikrzemu zarówno n-kanałowe, jak i p-kanałowe tranzystory cienkowarstwowe (TFT) bezpośrednio na papierze. Ruchliwość ich nośników wynosi odpowiednio 6,2 oraz 2,2 cm²/Vs.

Zagadnienia niskiej temperatury i kompatybilności metody produkcji zostały opisane w periodyku Flexible Electronics. Proces złożony z ośmiu etapów został szczegółowo omówiony w publikacji pod tytułem “Solution-based polycrystalline silicon transistors produced on a paper substrate“.

Rys. 2. Przekrój tranzystora TFT oraz obraz mikroskopowy wyprodukowanego tranzystora (czerwony pasek odpowiada skali 50 µm)

Nowoopracowana technologia polega na nanoszeniu warstwy tuszu z ciekłego krzemu TPS bezpośrednio na papier, przy jednoczesnej kontroli ekspozycji na światło ultrafioletowe. Powoduje to stopniowy wzrost lepkości tuszu poprzez polimeryzację otwartych pierścieni. Za pomocą pobudzenia lasera naświetlającego przez maskę zakrzepła błona polikrzemu krystalizuje się w strukturę kanałów polikrzemowych, natomiast zasłonięte obszary polikrzemu naturalnie utleniają się do postaci dwutlenku krzemu będącego izolatorem. Dodatkowa warstwa tlenku jest nanoszona przed zastosowaniem różnego rodzaju masek do rozmieszczenia bramek, aby dokonać implantacji jonów domieszki donorowej i selektywnie je aktywować. Ostatnim etapem jest wytrawienie obszarów tlenku, gdzie zostaną rozmieszczone aluminiowe kontakty metodą napylenia.

Aby uchronić papier przed degradacją, naukowcy unikali większości ciekłych chemikaliów zazwyczaj stosowanych do wytrawiania i czyszczenia, wybierając suche wytrawianie. Choć uzyskane tranzystory stanowią obecnie jedynie potwierdzenie słuszności pomysłu i proces wymaga znacznej optymalizacji, to uzyskane układy zapewniają znacznie lepszą wydajność od drukowanych układów organicznych. Mogą nawet rywalizować z drukowanymi układami TFT w technologii IGZO. Przedstawione badanie otwiera drogę do rozwoju bardzo tanich, energooszczędnych rozwiązań podlegających recyklingowi. Należą do nich obudowy, biodegradowalne monitory serca, elastyczne wyświetlacze oraz węzły czujnikowe w postaci nalepek.

Tabela 1. Porównanie właściwości tranzystorów TFT PMOS oraz NMOS wytworzonych z krzemu na podłożu papierowym\

O autorze