Материалы для органической электроники

Органическая электроника реализуется на электрически активных материалах, которые могут использоваться в качестве проводников, ­полупроводников, диэлектриков, люминесцентных, электрохромных или электрофоретических материалов. Материалы должны быть тщательно подобраны, так как условия процессов и взаимодействий слоев друг с другом имеют большое влияние на работу устройств.

Есть много подходов в выбору материалов, при этом возникают вопросы, которые нуждаются в обсуждении: какие из материалов использовать – органические или неорганические,­ базируемые на растворителях или испаряемых продуктах. Вероятно, что несколько подходов будут использоваться параллельно.

Рис. 9.7. показывает химическую структуру органического проводника (PEDOT:PSS), который широко используется для электродов. Неорганические материалы как серебро и другие металлы (например, как заполненные пасты) также используются, если необходима более высокая проводимость.

Рис. 9.7. Химическая структура органического проводника (PEDOT:PSS)

Органические полупроводники используются во многих активных устройствах, и производство многих из них базируются на машинных технологиях на основе применения растворов и могут быть напечатаны. Свойства переноса заряда в значительной степени зависят от состояния покрытия (отложения), технологии покрытия, концентрации, пограничных слоев и так далее. Большинство органических полупроводников, используемых сегодня, являются p-типом (как пентацен и политиофен), но первые полупроводниковые материалы n-типа также должны стать доступными и открыть дверь к схемам на основе CMOS(комплементарный металло-оксидный полупроводник (КМОП)).

Подвижность переноса заряда органического полупроводника намного ниже, чем полупроводника из кристаллического кремния, но уже возможно достижение известных величин от аморфного кремния (a-Si). Ожидают разработку и достижение указанного параметра от использования поликристаллического кремния (поли-Si) в течение следующих лет (рис. 9.8). Это будет возможно при применении оптимизированных низкомолекулярных материалов и полимеров или новых материалов, как, например, неорганических, наноматериалов, углеродных нанотрубок или гибридных материалов.

Неорганические и низкомолекулярные органические ­полупроводники ­имеют возрастающий интерес, тем более, что нанесение покрытий больше не ограничено только процессами напыления. Несколько полупроводниковых материалов этих классов могут обрабатываться в виде раствора или дисперсии, и поэтому совместимы с массовыми печатными ­процессами. Кроме того, высокопроизводительные процессы напыления могли бы позволить использование этого класса материалов.

Новые классы материалов, такие как углеродные нанотрубки или гибридные (органический – неорганический) комбинации материалов, и конструкции устройств (подобных технологии органических CMOS­) являются дальнейшими новыми подходами для оптимизации исполнения устройств.

Рис. 9.8. Готовые к использованию полупроводниковые составы (источник: Merck Chemicals)

2008 2010 2012 2014 2016 год

Рис. 9.8. Дорожная карта OE-A подвижности носителей заряда полупроводников для применений органической электроники. ­Показатели относятся к материалам, которые доступны в коммерческих количествах и на устройствах, которые изготовлены при помощи высокопроизводительных ­процессов­. Показатели для аморфного кремния (a-Si) и поликристаллического кремния (поли-Si) даны для сравнения

Технологии органической электроники

Принципиальное преимущество органической электроники состоит в том, что могут использоваться большие, гибкие и дешевые субстраты (подложки). Полимерные пленки (например, полиэфирные) наиболее широко используются сегодня, но бумага, картон, тонкое стекло и нержавеющая сталь являются также видными кандидатами. Специальная поверхностная обработка или барьерные слои могут быть добавлены в случае необходимости. Материал, который лучше всего удовлетворяет определенному применению, зависит от условий процесса, шероховатости поверхности, теплового расширения и барьерных свойств.

Способы печати для многократного воспроизведения

Широкий диапазон способов воспроизведения изображений на большой площади и многократного воспроизведения ­может использоваться для органической электроники­. Самые видные в этом контексте различные методы печати, которые известны из полиграфической индустрии и позволяют рулонную обработку.

Рис. 9.7. Процесс глубокой печати (источник: OE-A)

Пример высокопроизводительного процесса глубокой печати показан на рис. 9.7.Другими печатными процессами являются офсетная печать, литография, трафаретная печать и флексографская печать. Графическое разрешение печати обычно колеблется от 20 до 100 мкм в зависимости от процесса, производительности, субстрата и свойств красок.

Рис. 9.8. Струйный ­механизм получения изображений с

использованием пьезоэлемента (источник: OE-A)

Струйная печать получила возрастающий интерес для выделенных функциональных материалов (рис. 3.8). Как цифровой процесс печати, она позволяет переменную печать, так как нет необходимости в никакой печатной формной пластине.

Лазерное удаление, большой площади вакуумное осаждение, тонкая литография и большой площади оптическая литография являются дальнейшими способами многократного воспроизведения и нанесения покрытий.

У каждого метода есть свои индивидуальные сильные стороны, у процессов с более высоким разрешением обычно имеют меньшую производительность.

Нет определенных единственных стандартных процессов ­сегодня. Решение, какой использовать способ печати или другой процесс воспроизведения, зависит от определенных требований специфических устройств. Вообще, различные процессы должны использоваться для последующих шагов создания многослойного устройства, чтобы оптимизировать каждый шаг процесса. Вышеупомянутые процессы отличаются в значительной степени относительно разрешающей способности и производительности.

Устройства на основе органической электроники

Органические материалы могут быть объединены во многих активных компонентах, таких как транзисторы, диоды, различные типы датчиков, запоминающие устройства, фотоэлементы, дисплеи и батареи. Примерами пассивных элементов являются проводящие цепи, антенны, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Транзисторы являются ключевыми компонентами многих ­электронных устройств, включая RFID-метки или объединительные платы на основе O-TFT (органические тонкопленочные транзисторы) для дисплеев, и являются стандартным элементом для большинства электрических цепей.

Конструкция типичного органического полевого транзистора показан на рис. 3.9. По существу, устройство состоит из четырех слоев: электрод затвора (gate electrod), изолятор (insulator), электроды истока (drain) и стока (source) и полупроводник (semiconductor). Электрический ток между источником (source) и электродом стока (drain) включается ­в зависимости от напряжения, прилагаемое к электроду затвора (gate). Чтобы оптимизировать характеристики транзистора, длина канала должна быть как можно меньше, а подвижность органического полупроводника должна быть настолько высокой, насколько возможно.

Примером органического устройства большой площади является фотоэлемент (рис. 3.10). Фотоэлемент состоит из четырех слоев: два электрода (один прозрачен), слой дырочного перехода и светочувствительный слой, где свет преобразуется в носитель заряда.

Рис. 9.9. Конфигурация и связи типичного OFET (органический транзистор полевого эффекта): drain – сток; source – исток; electrodes – электроды; semiconductor – полупроводник; insulator – изолятор; substrate – субстрат (основа, подложка); width – ширина; length - длина­. Толщина слоевого комплекта обычно ниже 1 мкм

Уровни технологии

Технологии, которые используются в органической электронике, располагаются в ряд процессов, основанных на групповой обработке, чистых комнат, травления в растворах, до массовых печатных процессов, способных наносить покрытия со скоростью 1 м²/с.

Ниже представлена приблизительная классификация технологий на трех различных уровнях: технология, основанная на использовании подложки (wafer level); гибридная технология; технология, основанная на использовании только способов печати.

Технология, основанная на подложке (Wafer level) включает групповую (пакетную) обработку, типично пленочные субстраты на носителе. Для обработки используется приспособленная полупроводниковая линия. Высокая разрешающая способность может быть достигнута вакуумным осаждением и/или покрытием, полученным методом центрифугирования, следуемые за оптической литографией и гравированием. Издержки производства относительно высоки.

Рис. 9.10. Типичная конфигурация для органического фотоэлемента.

Толщина набора слоев типично ниже 1 мкм

Под гибридными технологиями понимают объединение нескольких технологий для обработки больших площадей: оптическую литографию, печать дисплеев и технологии печатных плат (PCB), которые используют гибкие субстраты (основания, подложки) (например, полимерные пленки или бумагу). Покрытие обеспечивается методами ценрифугирования, нанесением слоев ракелем или вакуумным напылением на большой площади. Струйная печать и лазерное копирование являются дальнейшими технологиями, которые могут входить в гибридные технологии и позволяют изготавливать электронные схемы на среднем уровне стоимости.

Рис. 9.11. Рулонная флексографская печать электронных устройств (источник: Acreo)

Полностью печатные технологии означают непрерывное, автоматизированное массовое производство, использующее только печатные методы (флексографская, глубокая, офсетная печати и т.д.), гибкие основы и рулонную технологию. У этих высокопроизводительных процессов есть огромный потенциал для дешевого производства.