軟性電子可達(dá)到100GHz作業(yè)頻率嗎？

　　美國(guó)威斯康辛大學(xué)-麥迪遜分校(UW-Madison)的研究人員利用軟性矽奈米薄膜(NM)的載子遷移率高以及奈米壓印微影(NIM)技術(shù)可擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)，打造出能作業(yè)于38GHz頻率的軟性薄膜RF電晶體。

　　根據(jù)研究人員的模擬結(jié)果，新的制造策略能以低成本與低溫在大型PET膠卷上實(shí)現(xiàn)100GHz性能的軟性薄膜RF電晶體。

　　研究人員在最新一期的《科學(xué)報(bào)告》期刊中發(fā)表“具有奈米溝槽結(jié)構(gòu)的快速軟性電晶體”(Fast Flexible Transistors with a Nanotrench Structure)一文，詳細(xì)介紹他們?nèi)绾慰朔鹘y(tǒng)微影技術(shù)限制。

　　研究人員們并非選擇性地?fù)诫s矽基板以制作電晶體圖案，而是毫無差別地?fù)诫s整個(gè)矽奈米薄膜(由SOI晶圓制造而來)，從而使矽塊材保有較典型低遷移率有機(jī)材料更優(yōu)越的電荷載子遷移率。

　　接著，研究人員用電子束微影法蝕刻奈米壓印模具，使其得以透過光阻層壓印蝕刻光罩圖案，隨后再用于Si NM(寬100nm x 深250nm)蝕刻深層奈米溝槽。在沈積源極與汲極電極以及削薄埋入氧化物以釋放Si NM后，活性的奈米薄膜被翻轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)印至涂覆粘合劑的PET基板上。更深層的干式蝕刻定義出活性區(qū)域的邊界，然后在100nm溝槽上沈積Al2O3閘電介質(zhì)與金閘電極，以實(shí)現(xiàn)最終的電晶體，如圖1。

　　圖1：比較元件結(jié)構(gòu)(橫截面圖)與(a) 3-D奈米溝槽Si NM軟性RF TFT以及(b)傳統(tǒng)2-D TFT之間的制造制程。有效通道長(zhǎng)度Lch以紅色標(biāo)示(a3,b3)，奈米溝槽TFT經(jīng)由NIL可達(dá)到50nm的最小Lch，而傳統(tǒng)TFT則只能達(dá)到1.5?μm。(a1)覆蓋磷離子注入與熱退火;(a2)透過奈米壓印形成奈米溝槽;(a3) 奈米溝槽TFT的最終結(jié)構(gòu)，通道長(zhǎng)度Lch由奈米壓印定義;(b1) 光微影為離子注入定義S/D區(qū)域;(b2) 選擇性離子注入與熱退火;(b3)傳統(tǒng)TFT的最終結(jié)構(gòu)，通道長(zhǎng)度Lch受限于閘電極，并在離子注入與熱退火期間摻雜向外擴(kuò)散

　　(來源：University of Wisconsin Madison)

　　值得注意的是，所有的元件制造過程都必須在低于150°C的溫度下進(jìn)行(除了第一次摻雜以及由SOI釋放Si NM之前以覆蓋方式重復(fù)結(jié)晶的步驟)。

　　圖2：奈米溝槽Si NM RF TFT的原理圖(左欄)、橫截面(中間)以及相應(yīng)的顯微影像(右欄)。(a)以NIL在磷注入的 p? SOI基板定義奈米溝槽; (b)干式蝕刻分離n+區(qū)域，以便從源極至汲極形成n+/p?/n+路徑;(c)在削薄埋入氧化層以釋放Si NM(形成活性區(qū)域以及源極與汲極觸點(diǎn))后部份完成的TFT;(d)翻轉(zhuǎn)具源極與汲極電極的Si NM至涂覆粘合劑的PET基板上;(e)干式蝕刻活性區(qū)域周圍;(f)沈積溝槽上方的Al2O3閘電極層與金閘電極;(g)在PET基板上彎曲的TFT陣列光學(xué)影像

　　(來源：University of Wisconsin Madison)

　　由于采用了獨(dú)特的3D電流流動(dòng)模式，高性能的電晶體得以消耗更低能量且更有效地作業(yè)。而且，相較于傳統(tǒng)制造制程，由于研究人員的方法使其能夠蝕刻更窄的溝槽，讓他們也能在矽奈米薄膜(由于塑料基板上暴露的光衍射以及基板的熱塑性，使其非常難以處理)上實(shí)現(xiàn)，此外，還可讓半導(dǎo)體制造商在軟性薄片上封裝更多電晶體，以卷對(duì)卷(roll-to-roll )制程重復(fù)使用模具，從而大量制造軟性電子。

　　根據(jù)研究人員表示，利用半導(dǎo)體奈米薄膜在塑料基板上所制造的軟性電晶體，最小通道長(zhǎng)度約為1um，這比他們提出的設(shè)計(jì)還大了10倍。