可在室温制造　新研发碳电晶体速度超越非晶硅

能在室温下制造半导体元件的技术，将使诸如电子布告栏(electronic billboards)这样的大规模应用，以及可抛弃式的RFID标签这样的超低成本应用成为可能。但大多数的室温电晶体的电子迁移率非常低，数值仅有每伏秒数百分之一平方公分(cm2/Vs)。  

现在，美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology，Georgia Tech)的研究人员声称，已透过利用碳60 (C60)薄膜──也就是巴克球(buckyballs)或富勒烯(fullerenes)──来制造电晶体(transistor)的通道(channel)，找到了一种可产生比非晶硅(amorphous)速度快100倍的室温电晶体制造方法。  

“我们并未宣称是第一个能在室温下制造C60电晶体的实验室，”Georgia Tech教授Bernard Kippelen表示：“我们的研发成果创新之处，在于能证明在室温制程下获得了3~5 cm2/Vs这样的高电子迁移率的同时，也能获得良好的可再生性(reproducibility)、稳定性、低阀值电压，以及高开关电流比(on-off current ratios)。” 

全球的实验室都在研究室温制程技术，以便利用廉价、高产量捲轴式(roll-to-roll)印刷机或喷墨印刷技术，制造大型显示器以及像RFID这样的低成本应用产品；如此一来，就不需要无尘室内那些昂贵、高温的处理制程。而有许多方法正试图在利用有机材料制作电晶体的同时，也尝试利用新材料配方来寻求提升电子迁移率的途径。  

有其他研究单位已经实现了高于Georgia Tech研究小组的电子迁移率，但多是透过高温制程来製造有机电晶体。而美国业者Kovio虽已经开发出一种无机硅墨水(inorganic silicon ink)，可透过喷墨印刷方式来制造薄膜电晶体，不过製程温度却远远高于塑胶基板所能承受的范围。  

而尽管Georgia Tech的研发成果，未能实现高温制程所能达到的电子迁移率(Kovio声称其电子迁移率与多晶硅一样好)，他们所实现的电子迁移率已经超越非晶硅。而该技术的一个潜在应用，就是生产仅要求16ms刷新率(refresh rate)的服务型显示器(service display)；它们可使用低价的塑胶基板。  

以过去几年的设计改善为基础，Kippelen声称他的研究小组已经确定了需要在低温下针对高电子迁移率进行最佳化的材料和参数：“我们的研究建立在对有机半导体进行精炼(purification)和处理的数年经验基础之上。而对闸极电介质(gate dielectric)以及电极金属的选择，也扮演了重要的角色。”  

Georgia Tech教授Bernard Kippelen (中)在室温电晶体研发计画上，与同校的研究科学家Benoit Domercq以及博士候选人Xiao-Hong Zhang携手合作。  

为了方便起见，Georgia Tech研究小组的示范元件是在硅基板上制造的；但研究人员声称，他们的有机C60电晶体使用的所有元素，都是在室温下制成。而用于该室温电晶体的金属电极，则是利用跟OLED以及塑胶太阳能电池所采用的透明製程(transparent process)一样的技术沉积而成。  

“我们的电极是利用光罩(shadow masking)以及热蒸发(thermal evaporation)制程，在有机半导体的顶层制成的；”Kippelen表示：“透过让金属源极(source)和基板之间保持足够大的距离(3英尺)，能让基板不至于在沉积过程中过热。”  

下一步，研究人员将探索制造n通道和p通道电晶体的方法，以便利用室温有机材料，制造用于主动矩阵显示器的CMOS反相器(inverters)、环状振荡器(ring oscillator)、逻辑闸以及驱动器等类似的辅助电路。「用塑胶底板取代硅基板，也是我们未来研究计画的一部份；」Kippelen表示。  

不过采用C60制造电晶体通道还是有一个缺点存在，即是它们对氧气敏感，意味着这种元件必须在氮气环境中工作。而研究人员计划透过重新形成富勒烯分子，并以真空方式来封装元件以解决上述问题。