Nanotecnologie: la sfida dei transistor

Un dielettrico di gate nanostrutturato potrebbe rappresentare la soluzione a uno dei principali problemi che impediscono di estendere l’impiego dei semiconduttori organici ai transistor a film sottile. La struttura, composta da uno strato in fluoropolimero seguito da un nanolaminato costituito da due ossidi metallici, funge da dielettrico di gate e, al contempo, protegge il semiconduttore organico, in passato vulnerabile agli agenti atmosferici, consentendo ai transistor di operare con una stabilità senza precedenti.

La nuova struttura conferisce ai transistor a film sottile una stabilità paragonabile a quella offerta dalle versioni inorganiche, consentendo loro di operare anche in presenza di agenti atmosferici e persino sott’acqua. I transistor organici a film sottile possono essere realizzati a basse temperature, e a basso costo, su una varietà di substrati flessibili, utilizzando tecnologie come ad esempio la stampa a getto d’inchiostro, aprendo le porte a possibili nuove applicazioni che sfruttano semplici processi di produzione additiva.

“Abbiamo messo a punto una geometria che garantisce prestazioni prolungate nel tempo dimostrando, per la prima volta, come i circuiti organici siano in grado di offrire la medesima stabilità dei dispositivi fabbricati con le tradizionali tecnologie inorganiche”, ha commentato Bernard Kippelen, titolare della cattedra Joseph M. Pettit presso l’Istituto di Ingegneria elettrica e informatica (School of Electrical and Computer Engineering, ECE) del Politecnico della Georgia e direttore del Centro di fotonica ed elettronica organica (Center for Organic Photonics and Electronics, COPE) dell’istituto. “Questo potrebbe rappresentare non solo un punto di svolta per i transistor organici a film sottile, ma anche una soluzione agli annosi problemi legati alla stabilità dei dispositivi organici stampabili”.

Lo studio rappresenta il culmine del lavoro di sviluppo durato 15 anni all’interno del COPE, con il patrocinio di sponsor quali l’Ufficio per le ricerche navali, l’Air Force Office of Scientific Research, e la National Nuclear Security Administration.

Architettura del sistema

I transistor comprendono tre elettrodi. Gli elettrodi sorgente (o “source”) e pozzo (o “drain”) conducono corrente per creare lo stato di accensione (“on”), ma soltanto quando viene applicata una tensione all’elettrodo porta (o “gate”), che è separato dal materiale semiconduttore organico da un sottile strato dielettrico. Un aspetto esclusivo dell’architettura sviluppata dal Politecnico della Georgia consiste nel fatto che questo strato dielettrico utilizza due componenti, un fluoropolimero e uno strato in ossido di metallo.

“Inizialmente, quando abbiamo sviluppato questa architettura, lo strato in ossido di metallo era costituito da ossido di alluminio, sensibile all’umidità”, spiega Canek Fuentes-Hernandez, ricercatore senior e coautore dello studio. “In collaborazione con Samuel Graham, docente presso il Politecnico della Georgia, abbiamo sviluppato barriere nanolaminate complesse che possono essere fabbricate a temperature inferiori ai 110°C e che, se utilizzate come dielettrico di gate, consentono ai transistor di sopportare l’immersione in acqua vicina al punto di ebollizione”.

La nuova architettura elaborata dal Politecnico della Georgia impiega, per il dielettrico, strati alternati di ossido di alluminio e ossido di afnio: cinque strati dell’uno seguiti da cinque strati dell’altro, il tutto ripetuto per 30 volte su di uno strato di fluoropolimero. Gli strati di ossido vengono ottenuti mediante deposizione di strati atomici (ALD). Il nanolaminato, il cui spessore raggiunge approssimativamente i 50 nanometri, risulta pressoché immune agli effetti dell’umidità.

“Per quanto sapessimo che questa architettura offriva delle buone proprietà barriera, siamo rimasti stupiti dalla stabilità che essa è in grado di conferire ai transistor”, ha dichiarato Fuentes-Hernandez. “Le prestazioni di questi transistor sono rimaste praticamente invariate anche se tenuti in funzione per centinaia di ore a temperature elevate, pari a 75°C. Questo rappresenta finora il transistor organico più stabile che siamo mai riusciti a fabbricare”.

Dimostrazioni in laboratorio

Per la dimostrazione in laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato un substrato in vetro, ma è possibile impiegare molti altri materiali flessibili, ad esempio polimeri o persino la carta.

In laboratorio, per produrre il nanolaminato, i ricercatori hanno sfruttato i metodi standard di deposizione ALD. Esistono tuttavia processi di ultima generazione, denominati “ALD spaziale”, che utilizzano diverse teste dotate di ugelli per la distribuzione dei precursori, in grado di accelerare i tempi di produzione e consentire la scalabilità dei dispositivi. “L’ALD ha ormai raggiunto un livello di maturità tale da diventare un processo industriale scalabile, e riteniamo che ciò darà inizio a una nuova fase nell’evoluzione dei transistor organici a film sottile”, ha affermato Kippelen.

Un’applicazione naturale di questa tecnologia consiste nei transistor che controllano i pixel dei display a LED organici (OLED) utilizzati, ad esempio, negli smartphone iPhone X e Samsung. Attualmente, questi pixel sono controllati da transistor fabbricati con semiconduttori inorganici tradizionali, ma la stabilità migliorata conferita dal nuovo nanolaminato potrebbe consentire la loro sostituzione con transistor organici a film sottile stampabili.

IoT e display flessibili

La nuova tecnologia potrebbe migliorare anche la fabbricazione dei dispositivi IoT (per l’Internet delle cose), dal momento che consente di ricorrere a stampanti a getto d’inchiostro e ad altri processi di stampa e rivestimento a basso costo. Il metodo basato sui nanolaminati potrebbe inoltre rendere possibile lo sviluppo di economici dispositivi basati su carta, ad esempio biglietti intelligenti con antenne, display e memorie costruiti sulla carta mediante processi a basso costo.

Le applicazioni più significative, tuttavia, potrebbero riguardare i display flessibili di grandi dimensioni, che in questo modo potrebbero essere arrotolati quando non vengono utilizzati.

“Potremo ottenere una qualità dell’immagine migliore, dimensioni maggiori e una risoluzione superiore”, ha dichiarato Kippelen. “Questi schermi diventano sempre più grandi, e la rigidità dei modelli convenzionali è destinata a diventare un fattore limitante. La tecnologia a base di carbonio, che prevede temperature di lavorazione ridotte, consentirà di arrotolare gli schermi, semplificandone la movimentazione e riducendone l’esposizione a possibili danni”.

Test e collaudi

Per la sua dimostrazione, il team di Kippelen, di cui fanno parte anche Xiaojia Jia, Cheng-Yin Wang e Youngrak Park, ha utilizzato un semiconduttore organico modello. Il materiale possiede proprietà ben conosciute ma, con un supporto caratterizzato da un mobilità della carica pari a 1,6 cm²/Vs, non rappresenta l’alternativa più rapida disponibile. In una fase successiva, i ricercatori intendono collaudare il proprio processo su nuovi semiconduttori organici in grado di fornire una maggiore mobilità della carica, oltre a continuare a testare il nanolaminato in diverse condizioni di flessione, durante periodi più lunghi e integrati in altri tipi di dispositivi, quali ad esempio i fotorilevatori.

Questa ricerca è finanziata dal Centro di fotonica ed elettronica organica del Politecnico della Georgia, dal Dipartimento della Marina, dall’Ufficio per le ricerche navali attraverso i premi N00014-14-1-0580 e N00014-16-1-2520, dal Centro MURI per le tecnologie fotovoltaiche avanzate (Center for Advanced Photovoltaics, CAOP), dall’Air Force Office of Scientific Research attraverso il premio n°FA9550-16-1-0168, dalla National Nuclear Security Administration attraverso il premio DE-NA0002576, e dal Consortium for Nonproliferation Enabling Technologies (CNEC). Lo studio di base sul concetto dell’utilizzo di un dielettrico di gate a due strati nei transistor a effetto di campo organici (OFET) è stato finanziato in parte da Solvay S.A. e parzialmente descritto nel brevetto pubblicato con il numero US 9,368,737 B2.

Un’alternativa al silicio?

Sebbene l’elettronica a base di carbonio stia assistendo a un’espansione della propria gamma di applicazioni, i materiali tradizionali come il silicio non hanno nulla da temere.

“Quando si tratta di velocità elevate, i materiali cristallini come il silicio o il nitruro di gallio hanno senza dubbio davanti a sé un futuro luminoso e duraturo”, ha commentato Bernard Kippelen. “Ma nel caso di numerose applicazioni stampate future, la combinazione di questo semiconduttore organico all’avanguardia con una maggiore mobilità di carica e il dielettrico di gate nanostrutturato fornirà una tecnologia molto potente da integrare in un dispositivo”.

Lo schema mostra una sezione trasversale del nuovo transistor organico, la cui architettura gli conferisce una stabilità senza precedenti. Il dispositivo è stato sviluppato da un team di ricercatori presso il Politecnico della Georgia (Foto: Xiaojia Jia, Politecnico della Georgia)

Il ricercatore senior del Politecnico della Georgia Canek Fuentes-Hernandez (a sinistra) e il professor Bernard Kippelen esaminano un esemplare del nuovo transistor organico a film sottile con dielettrico di gate nanostrutturato, che conferisce al dispositivo una stabilità senza precedenti. (Foto: Rob Felt, Politecnico della Georgia)