Органические транзисторы. 
Наноэлектроника

Органические транзисторы формируются на основе органических полупроводников или других органических материалов. К органическим полупроводникам относятся органические красители (например, метиленовый голубой, фталоцианины), ароматические соединения (нафталин, антрацен, виолантрен и др.), полимеры с сопряженными связями, некоторые природные пигменты (хлорофилл, p-каротин и др.), молекулярные комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. Органические полупроводники существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и пленок.

Молекулярный характер структуры определяет особенности органических полупроводников:

• • поглощение света вызывает возбуждение молекул, которое может мигрировать по кристаллу в виде экситонов;
• • образование носителей тока иод действием света связано с распадом экситонов на поверхности кристалла, дефектах его структуры, автоионизацией возбужденных молекул;
• • зоны проводимости узки (-0,1 эВ), а подвижность носителей тока мала (-1 см²/В-с);
• • наряду с зонным механизмом электропроводности существует прыжковый механизм.

Межмолекулярное взаимодействие сильно анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптических и электрических свойств и позволяет рассматривать этот класс как квазиодномерные системы. Большинство органических полупроводников имеет р-тии проводимости. Если к затвору не приложено напряжение, то в органическом полупроводнике отсутствуют носители зарядов. Прямая инжекция из электродов исток-сток является единственным способом создания тока в органическом полупроводнике, который будет относительно мал благодаря высокому сопротивлению органического полупроводника и большому расстоянию между указанными электродами. При приложении отрицательного напряжения на границе органического полупроводника и прилегающего к диэлектрику затвора индуцируются положительные заряды и формируется проводящий канал р-типа.

При приложении к затвору положительного напряжения на границе диэлектрика индуцируются отрицательные заряды, и образуется канал «-типа. Если уровень Ферми металлических электродов исток-сток близок к уровню в органического полупроводнике, то отрицательные заряды могут быть инжектированы и экстрагированы электродами с помощью приложенного к ним напряжения. Такой органический полупроводник, способный проводить только носители отрицательных зарядов, называется полупроводником «-типа.

На рис. 5.68 приведены структуры полевых транзисторов, реализованных на органических полупроводниках. На кремниевую подложку (субстрат) помещают электрод затвора 3 из высоколегированного кремния. Па слой изолятора из диоксида кремния толщиной 20 нм осаждают электроды исток-сток. В структуру методом отливки монтируют слой органического полупроводника. Затвор может иметь нижнее (рис. 5.68, а) или верхнее расположение (рис. 5.68, б).

Рис. 5.68. Структура полевых транзисторов на органических полупроводниках:

И — исток; С — сток; 3 — затвор; 11/п — органический полупроводник.

В системе приборов и устройств политроники важное место занимают тонкопленочные транзисторы. С их помощью удается в рамках технологии органических материалов создать целостные системы политроники.

На рис. 5.69 приведена конструкция тонкопленочного транзистора, реализованного на органическом полимере пентацене по топологии Corbino.

Отличительной особенностью этой топологии является возможность формирования электрода истока в виде замкнутого кольца вокруг активной области транзистора. В центре кольца располагается электрод стока. Такая конструкция позволяет эффективно управлять током от истока к стоку.

Тонкопленочный транзистор реализован на подложке из терефталата полиэтилена. Активная область транзистора формируется на основе полупроводникового полимера пентацена толщиной 25 мкм. Исток и сток формируются на основе пленки палладия толщиной 0,2—0,4 мкм. Затвор выполнен из никеля толщиной 0,1—0,3 мкм, ширина затвора может лежать в пределах от 5 до 500 мкм. Подзатвориый диэлектрик имеет толщину порядка 140 им, что позволяет работать при пороговом напряжении 10 В. Транзистор обеспечивает отношение токов во включенном и выключенном состояниях порядка 10⁸, а также малые токи утечки.

Весьма популярная флеш-память, реализованная на полупроводниковой основе, может быть заменена такой же энергонезависимой памятью на основе гибких органических транзисторов с плавающим затвором. Плавающий затвор транзистора полностью внедрен в изолирующий материал. При небольшой толщине слоя изолятора приложение высокого значения электрического потенциала позволяет перенести к плавающему затвору электрический заряд, как у обычной «флешки». Изолированные плавающие затворы могут сохранять заряд в течение длительного времени, пока заряд не будет «стерт» приложением противоположного по знаку электрического.

Рис. 5.69. Структура тонкопленочного транзистора потенциала. Локализация заряда в плавающем затворе влияет на электронные свойства транзистора.

Сложность в создании органических систем заключается в необходимости сделать достаточно тонкий диэлектрический слой для переноса заряда к плавающему затвору. При этом необходимо проводить технологические процессы при относительно низкой температуре, чтобы не расплавить полимерный субстрат-подложку. Например, слой диэлектрика состоит из двух компонентов — самоорганизующегося монослоя м-октадецилфоефористой кислоты толщиной 2 нм и слоя оксида алюминия толщиной 4 нм, полученного окислением поверхности алюминия, собственно представляющего собой плавающий затвор. Таким образом, толщина слоя диэлектрика, изолирующего плавающий затвор, составляет 6 нм. Такая толщина слоя диэлектрика позволяет программировать и удалять память с помощью потенциала 6 В, что сравнимо с электронными устройствами, созданными на основе кремния.