Органические чипы стали лучше в сотни раз

В последнее время учёные, работающие в полупроводниковой промышленности, прилагают всё больше усилий для адаптации технологий органических полупроводниковых систем к современным нуждам электроники. Это касается жидкокристаллических дисплеев, печатных плат, сенсоров и так далее.

В отличие от традиционных методов травления, применяемых в «силиконовой» микроэлектронике, органические полупроводники крайне привлекательны тем, что могут быть попросту напечатаны на подложке – стеклянной, пластмассовой или даже бумажной. Наибольшие перспективы для печатной полупроводниковой отрасли представляет производство различных гибких микросхем и дисплеев на основе органических светодиодов.

Вместе с тем, технологии микропечати пока еще далеки от совершенства и значительно уступают полупроводниковым системам на основе кремния – у таких схем высокое энергопотребление, а производительность органических микрочипов очень низка. Попытки улучшить ситуацию до сих пор приводили либо к значительному удорожанию процесса, либо к увеличению температуры производства – критического параметра для любой органики. Критическими для органических полупроводниковых сиcтем являются температуры порядка 150 ⁰С.

Однако, похоже, что эту трудность удалось преодолеть.

Группа ученых из Токийского университета и их коллеги из штутгартского Института твёрдого тела имени Макса Планка показали возможность использования микропечати для нанесения проводящих контактов на поверхность полупроводниковых тонкопленочных транзисторов (thin film transistor - TFT) – основы индустрии жидкокристаллических дисплеев.

Их технология позволила существенно уменьшить энергопотребление напечатанной электрической цепи, уменьшить размеры контактов, а также снизить температуру микропечати ниже критического уровня, при котором хрупким органическим молекулам не угрожает перегрев. Работа учёных опубликована в последнем номере американских Proceedings of the National Academy of Sciences.

Микропечать энергетически менее затратна, чем альтернативные технологии, и подразумевает значительно меньшие потери материалов и рабочих веществ в ходе процесса. Кроме того, она привлекательна еще и с позиций экологической чистоты – в отличие от не самых полезных для окружающей среды методик травления кремния.

Не так давно учёные и инженеры довели технологии микропечати до необходимого уровня совершенства и научились применять их при нанесении светофильтров для жидкокристаллических мониторов.

Как утверждает команда разработчиков нового метода, благодаря их методике микропечать в скором времени доберется и до микропроцессоров.

Впрочем, не стоит думать, что в будущем процессоры персональных компьютеров станут органическими. Технологии производства кремниевых микрочипов позволяют работать в нанометровом масштабе, в то время как лучшие микропринтеры сейчас печатают с разрешением в 30–50 микрон. Это ограничение обусловлено поверхностным натяжением большинства современных чернил, не позволяющих добиться объема капли менее 1 пиколитра (это объём кубика со стороной 0,01 мм). Транзисторы для ЖК-мониторов подразумевают размерность порядка 1 микрона. Именно на этот диапазон разрешения печати и настроились создатели фемтолитровой печати.

Название нового процесса – субфемтолитровая микропечать – говорит само за себя. Учёные научились создавать каплю для печати объемом 0,2–0,7 фемтолитра. При этом характерные размеры капли составляют доли микрона, что обеспечивает технологии небывалое разрешение – с её помощью можно наносить на подложку металлические контакты шириной от 2 до 6 микрон.

Японские изобретатели добились такого размера капли с помощью большого напряжения, приложенного к печатающей головке принтера. В результате микровзрыва чернил на выходе из сопла и образуются микроскопические капельки. Чернилами же являются наночастицы серебра размером 2–3 нм, взвешенные в органическом растворителе, безопасном для органического же полупроводникового слоя.

Незначительные количества этого растворителя определяют и невысокую – около 130 ⁰С – температуру последующей после нанесения слоя термической обработки.

В ходе такой обработки растворители и поверхностно активные вещества, стабилизирующие наночастицы, улетучиваются, а сами частички серебра спекаются в плотные металлические дорожки. Благодаря этому спеканию электрическое сопротивление получающейся дорожки оказывается лишь немногим больше, чем у объёмного материала.

Ученые подчеркивают, что благодаря применению их метода три основных параметра, определяющие быстродействие органических тонкопленочных транзисторов, достигли значений, которые прежде были доступны лишь традиционной трафаретной технологии.

При этом миниатюрные печатные транзисторы сохраняют свою гибкость, низкую стоимость и технологичность процесса получения, благодаря которой в скором времени их действительно можно будет печатать рулонами. Правда, экспериментальная установка японских специалистов слишком миниатюрна для этих целей.