前沿科技之“超柔”有機(jī)晶體管

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東京大學(xué)的研究小組開發(fā)出了曲率半徑僅為0.1～0.3mm、“即使折起來或揉成一團(tuán)性能也不會(huì)劣化的超柔（Ultra-Flexible）”有機(jī) CMOS環(huán)形振蕩器（Ring Oscillator）和TFT陣列薄膜（Array Sheet），并試制出了醫(yī)用導(dǎo)管。設(shè)想應(yīng)用于直徑2mm左右的血管內(nèi)部凹凸處的檢查和覆蓋人體皮膚表面使用的各種醫(yī)用傳感器等。論文已刊登于《Nature Materials》2010年11月7日的在線版上。該產(chǎn)品還將出現(xiàn)在2010年12月發(fā)行的雜志封面上。 開發(fā)該產(chǎn)品的是東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科、電氣系工學(xué)專業(yè)的染谷隆夫教授和關(guān)谷毅講師的研究小組注1）。該研究小組此前曾開發(fā)出過安裝在柔性有機(jī)TFT陣列薄膜上的多種功能器件。

6 C# s. Y3 L3 @% R+ Q( j; U但是，包括染谷及其它研究小組的試制實(shí)例在內(nèi)，原有的高柔性有機(jī)晶體管薄膜領(lǐng)域存在以下幾個(gè)課題。（1）彎曲半徑最小只能達(dá)到0.5mm，一般情況 下，數(shù)mm已經(jīng)為極限值；（2）驅(qū)動(dòng)電壓與彎曲半徑之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，在彎曲半徑為0.5mm的情況下，驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)40V；(3)除了采用轉(zhuǎn)印法 之外，實(shí)現(xiàn)CMOS電路較為困難且量產(chǎn)性較低；（4）難以實(shí)現(xiàn)微細(xì)化，工作性能存在極限，等等。此次染谷等研究人員解決了上面提到的所有課題。

具體來說就是把彎曲半徑最小縮小到了0.1mm，為原來的幾十分之1～1/5，通過將柵極絕緣膜厚度從原來的500nm大幅降為5～6nm，驅(qū)動(dòng)電壓 降低到了2V左右，不到原來的1/10。另外，由于開發(fā)出了在室溫或100℃以下制造較薄的柵極絕緣膜、半導(dǎo)體和各電極的工藝，因此在不耐熱的超柔 （Ultra-Flexible）基板上直接制作CMOS電路便成為可能。另外，由于能夠降低驅(qū)動(dòng)電壓，有機(jī)晶體管按照縮放比例（scaling）實(shí)現(xiàn)制 造工藝微細(xì)化的效果也令人期待。

事實(shí)上，此次制成的5段有機(jī)CMOS環(huán)形振蕩器在低電壓驅(qū)動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了每段延遲僅為4.5ms的“全球最快速度”（染谷）。通道長(zhǎng)為20μm。

CMOS電路中使用的p型有機(jī)半導(dǎo)體采用了并五苯。遷移率μ高達(dá)0.5cm2/Vs。另一方面，n型有機(jī)半導(dǎo)體采用了氟代酞菁銅（F16CuPc）。雖然μ為0.02cm2/Vs，與并五苯有一定差距，但“這種程度的差距可以在電路方進(jìn)行補(bǔ)償”（染谷）。

0 u  @! @  l) J. v通過在凹凸不平的基板上涂布“粉底”實(shí)現(xiàn)平坦化
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3 w+ j0 S+ U: W4 P2 a# Q; `此次開發(fā)的最大要點(diǎn)是，在保證高成品率的同時(shí)減小了柵極絕緣膜的厚度，從而降低了驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)，這也得益于薄膜基板大幅實(shí)現(xiàn)了平坦化。
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在厚度為12.5μm、有幾十nm凹凸的市售聚酰亞胺基板上，采用旋轉(zhuǎn)涂布法涂布上聚酰亞胺前體，然后加熱到180℃，這種前體就變成聚酰亞胺，在遮 蓋住基板凹凸不平之處的同時(shí)，也與基板融為一體。平坦化后的凹凸處“為0.2～0.3nm左右，平坦程度幾乎達(dá)到原子級(jí)別”（染谷）。因此，憑借可與利用 硅基板時(shí)相匹敵的可靠性，有望制造較薄的柵極絕緣膜和更高性能的半導(dǎo)體。（
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