有机半导体正在大步向前迈进, 但要超越纳米半导体, 它们还有一段距离要走
作者:R. Colin Johnson
随着有机发光二极管(OLED)的出现,有机半导体开始在某些应用领域里向硅晶片发起了挑战。但是这项技术还存在较大的问题,即它需要一个低成本的能适应各种环境的技术以确保产品使用寿命。
与此同时,高性能MEMS聚合体存储器技术以及自底向上的纳米技术如碳纳米管技术,将进一步增强高端硅半导体的性能。
今年夏天,Olight和NuVue两个品牌进行了合并,这两种新型聚合物有机发光二极管显示器分别来自杜邦和柯达；另外,位于德国慕尼黑的大屏幕显示器生产巨头Osram公司也发布了新产品Pictiva,其工程评估工具包已开始向市场供应。
“是的,有机LED已经出现,但是要解决寿命以及密封保护显示器免受水和氧气的破坏等技术问题,我认为还需要3到4年时间。”位于日内瓦的意法半导体光电子、生物电子及纳米产品事业部负责硅技术的Salvo Coffa说道。
有机LED更为灵活,成本更低,并且由于它是自身发光而不是像LCD过滤背光,所以色彩更加鲜艳。它的工作原理是,在两个导体之间建立有机薄膜,当电流经过薄膜时通过一个称为电磷光的反应发出光线,具体地说就是外加电流驱动电子跨过一个带隙而进入高能轨道,然后当它们返回并经过该间隙时,其能量将在一个特定的带宽上以发光的形式释放出来。
OLED非常薄(500纳米),因此用它做出的自发光显示器可以放置于塑料表面,或者类似于幻灯胶片的非晶状硅基片上面。这种显示器视角很宽,有160度,并且只需要两伏电源,这些都是利好的消息。
然而也不好的地方,现在设计人员只能获得小玻璃封装OLED,这对于嵌入到电子设备中的小型显示器很合适(如数码相机),玻璃封装能够减轻氧气和水分带来的影响。但是OLED的目标是让有机半导体变得非常普及,使薄型显示器更加便宜,甚至于最终可做成一次性使用器件。
向纳米靠近
全世界都对有机半导体研究充满了热情。例如IBM公司声称,其采用五氯苯酚材料生产的薄膜晶体管的性能已经接近于非晶态硅晶体管；世界各地的应用小组现正在对用于电子纸、喷墨电路、有机显示器和一次性智能卡的有机薄膜晶体管进行改进,上面这些电路将最终在成本低廉的用卷装工艺做出来的基片上生产。
进一步缩小尺寸
二段共聚物模板是一种用于在大面积硅晶圆上对纳米结构进行掩模的自组织薄膜,它使用聚合物来帮助在硅晶片上缩小纳米图案,基于这种聚合物模板的试制工艺包括通过反应性离子蚀刻而进行的图样转换、化学蚀刻和金属沉积。对于制造更复杂器件结构的高分辨率图样,研究人员也在试验将二段共聚物用于生成半导体器件、需要旋转的电子器件以及磁介质的图样。
在全世界的实验室都争相将二段共聚物移至到硅晶片上时,另有一些人则试图将有机半导体迁移到塑料基片上,然后可以用在电路里。有机化学家开始在分子级上合成所有普通部件,不过是在烧杯里。由于没有将它们移植到基片上,因此它们是浮动且分离的。
最近,芝加哥大学教授Luping Yu报导了其最新进展,他宣称在烧杯中制造出了世界上最小的二极管,一个只有2.5纳米的有机器件,这种基于聚合物的PN结二极管是使用有机化学方法合成的。
“我们并没有发明有机P型或N型材料,但我们是首先将其成功合在一起做成二极管的,”Yu说道,“实际情况比这里所讲的要困难得多。
有机半导体也可以用来制作以有机分子为开关元件的存储器,即用电或者用光来进行开关转换,这样每个分子非常密集的阵列都可以存储比特位。
“对于有机半导体,结构是大麻烦。当然,你可以在单个分子中写入很多信息,但是如果没有大规模的互连,你如何去读取这些信息呢？”意法半导体公司的Coffa问道。
IBM采用的一种解决方法则结合了MEMS和有机聚合物:一个MEMS悬臂以高度并行的方式轮询一个基于聚合物的存储器。IBM制造的这一悬臂具有数千个读/写“头”,这些读写头通过打孔来生成一个“1”,然后通过将聚合物融化填入孔中就将“1”擦掉成为零。在有机聚合物芯片内部的这些移动部件的工作方式有两种,其一是来回移动一个在固定读/写头阵列下的衬底,其二是旋转一个头阵列下的纳米尺寸圆盘。
例如,IBM的Tbit存储器原型-其Millipede芯片-使用了MEMS显微机械加工技术,以实现精确地移动硅衬底,该衬底涂敷了一层薄膜聚合物,它位于由数千个并行纳米读写头构成的阵列下面。
IBM的诺贝尔奖金获得者Gerd Beinnig说,上述毫微米工艺技术将最终“数千倍的提升数据存储密度。”并可能导致Petabit容量的器件的产生。
“总有一天,我们的原型会变成可移动芯片,你可以把这种芯片插入与现在的flash存储器同样的插座,但是它的存储容量非常大,并且仅仅需要大约100毫瓦的功耗。”Peter Vettiger说。Peter Vettiger是IBM研究所的Millipede项目领导人。
“我们都认为确实能够使用毫微米工艺来制造这样的器件,但是真正的问题是,这样做是否可靠,成本效益是否划算,这留待以后判定。”Coffa说。
硅晶片将继续存在
虽然有机半导体以较低成本和宽广的应用范围获得发展空间,但是没有人会把100kHz的器件当作GHz硅芯片的替代品来销售。
而且,聚合物存储器总有一天会替代flash存储器,而纳米技术的进步也将使传统的基于硅晶片芯片继续保持性能领先的位置。
特别是,碳纳米管--一种碳的新形式,比铅笔芯更接近于钻石--可以给电子带来火箭般的移动速度。例如,IBM已经展示一种碳纳米管场效应晶体管(CNFET),它的优越性能甚至超过了大多数下一代硅芯片的乐观预测性能指标。
“虽然CNFET还不能马上进入商品化,但是我们的结果显示它们将胜过最先进的为未来纳米电子应用而设计的硅晶体管。”IBM研究所纳米科技经理Phaedon Avouris称。
同样地,未来的纳米电子应用可能不仅仅使用电子,也可能将电变成光以用于芯片内光信息处理。为证明这一点,IBM最近展示了能发光的CNFET。
“这些结果表明,基于纳米管的光发射体是可以与硅晶片电子元件集成的,为电子技术和光电子技术带来了新的发展前景。”Avouris强调。
通过了解发光纳米管的电气性质,IBM希望能制造既能方便的将电子转换为光子,又能方便的将光子转换为电子的芯片。通过仔细地检定导致纳米管发光的带隙属性,IBM希望能在普通通信波长上产生和处理光学信息。
“我们正在研究具有可变带隙的半导体纳米管,其带隙取决于纳米管的直径。我们正试图获得不同直径的纳米管以用于不同的通信波长......我们仍有一些问题要解决,因为如果你想精益求精,你就不得不花更长的时间来了解细节。这也是为了使产品商业化之后不再碰到麻烦的必由之路。”Avouris表示。
有机聚合物分子结构可能还有小问题
作者:R. Colin Johnson
有机材料由蛋白质分子长链组成,该长链不断重复连接到一些较小的碳基分子(即“有机物”)上。与小型互连分子构成的半导体晶体不同,有机聚合物半导体由大型链状分子组成,并重复连接到较小的碳分子上。
如同所有培育生命的东西一样,空气和水也会影响有机半导体和OLED,但是它们带来的是负面影响。氧气、水分和高温的侵蚀作用会导致有机分子性质改变,它意味着有机分子长而复杂的折叠连接链将被打散,而失去原有的功能。对于活的生物,性质改变意味着蛋白质死亡；对于有机半导体,则意味着它坏掉了。
幸运的是,解决这个毛病只是时间问题,虽然化学家不一定能很快提出一个抵抗天气影响的聚合物配方,但不管怎样,有机半导体为我们打开了一个美好的新世界。例如,在针对太阳光谱另一端(吸收光线而不是散发光线)的产品中,那些将半导体纳米晶体嵌入到聚合物中的塑料太阳能电池将是在硅晶圆上制作的太阳能电池灵活的低成本替代品。
从塑料太阳能单池到塑料磁铁,再到塑料显示器以及使用有机半导体“墨水”的喷墨打印电路,有机薄膜的优势是在很多领域都具有很低的成本。尽管比起硅芯片的GHz速度来,有机半导体性能还不到1MHz,但它仍将为大家所用。
不像晶圆制造需要数千度高温,基于聚合物的半导体在几十度温度下就可以生产。有机半导体也不需要单硅晶作为基底,只需要预先准备的高分子膜,而该膜几乎可以喷涂于任何物体的表面,比如家里的墙上或者建筑物侧壁。有机半导体不存在漫射、缺陷和掺杂,需要做的只是把化学材料按稍微不同的方式混合定制出各种材料,而将硅晶片加工成为半导体则需要很高的费用、很长的时间以及专门的高温设备。
对有机半导体的“大问题”有两种可能的解决办法,一是修改配方,二是密封。
第一个方法是最好的选择。如果可以采用新的配方使有机半导体在恶劣环境中更加稳定,那么这种抗天气影响的有机材料将不需要密封。塑料磁铁的发明人美国内布拉斯加大学教授Andrzej Rajca正在寻找这样一个配方,他说:“30年以前就有人预言过磁性聚合物,对此我们也已做了大量的工作。”
对于第二种方法,在化学家们辛辛苦苦寻找配方的同时,工程师们也在改进廉价的封装方法。比如依阿华州立大学最近设计了一个用于保护精密微机电系统的超薄聚合物涂层,其自组装工艺为MEMS部件提供了一个可以降低摩擦和抵御环境污染物的永久涂层。
京公网安备 11011202001138号
