塑料电子:21世纪的新兴产业_集成电路论文

塑料电子:21世纪的新兴产业_集成电路论文

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实际上塑料真的是可以导电的。已经发现它的电导率覆盖了从绝缘体到导体的全部范围(大体上相当于从玻璃到铁)。例如一类称为“共轭聚合物”的特殊材料,可以根据掺杂的程度而成为半导体或导体。比之于常用作集成电路元件的无机材料硅,有机材料有很多优点:它们不仅可用作半导体,也像塑料一样耐用和柔韧,价格低廉,还可以做在塑料基板上。

塑料集成电路

用塑料半导体制造的晶体管通常采用薄膜场效应管(FET)的形式。这种器件的工作原理与真空三极管十分相似:两个电极“源”和“漏”之间的通、断由第三个电极“栅”引入的电子和空穴的沟道来控制。晶体管的运作速率取决于半导体材料中载流子的运动速度,或称为迁移率。制作晶体管的塑料半导体,其场致迁移率要求每伏大于0.1平方厘米/秒。从理论上来说,提高它的迁移率要依靠聚合物链紧密靠拢,以便电子从一个链跳到另一个链,因此薄膜必须结构有序、材料纯净。从目前的研究成果看来,各种有机材料中,用真空制备的并五苯(pentacene)薄膜其迁移率已达到上述每伏0.1平方厘米/秒的要求,缺点是价格较贵。另一种多晶的有机半导体材料,已达到每伏0.23平方厘米/秒,缺点是需要多步合成,而且要很繁的纯化工艺。当然,这些指标与单晶硅相比还有很大距离,但考虑到塑料半导体的研究工作开始不久,这些成绩还是令人振奋的。

半导体的开关速率,除了正比于前节所述的迁移率外,还反比于沟道长度的平方。因此除了高的迁移率外,还要求很短的沟道才能得到快速的效果。制备构成集成电路用的晶体管,沟道长度在1微米左右。于是第一个要求就是如何用一种简单的工艺来制造这种沟道。

解决这个要求的方案结果又是出人意料的——用印刷的办法。各种塑料半导体或绝缘体都可以按某种花样一层一层地印上去,最后成为一个完整的集成电路。当然,关键是用印刷的办法能得到多细的线宽。目前国外已做到小于1微米,而且正在继续改进中。

为了增加集成度,研制硅集成电路的技术人员正在辛苦地开发三维(有高度的)集成电路,或称“集成块”。这种设想是完全正确的,但难度非常高,要多层薄膜、多次刻蚀,而且套模要求极其精确,还有材料的兼容性问题。而塑料集成电路由于具有柔韧性,因而可以印刷在一条带子上,然后把这条带子按中国折扇的办法折叠起来,再加以钉固,就是三维的全塑料集成块。一旦成功,它可以完全不用繁复而困难的工艺,生产成本就可大大下降。想不到中国的古代文化还可以在最新的技术中发挥作用!

有机纳米电子器件

集成电路的集成度越高,要求图形的尽寸就越小,一般用最小线宽来表示。我国现在生产的半导体集成电路最高指标为0.35微米,国外现为0.18微米,正在研究0.16微米和0.13微米的电路。估计到2005年左右可以商品化。

如果再进一步发展,使线宽小于0.10微米(即100纳米),则现行的光刻、掺杂等半导体工艺就很难适应,某些材料的基本性能也会因量子效应逐步显现而发生改变。由此形成一个新的研究领域,被称为“纳米电子器件”。

要实现纳米电子器件有好几种方案。这种技术需要在超高真空中进行,而其结果又不能与现行的集成电路相容,因此离开实用化的目标实际上还很远。目前国际上比较一致的意见倾向于研究开发线宽为50纳米左右的器件并以此设定一些通用的工艺方法。然而,即使是50纳米的有机纳米电子器件,其组成部分的实施方案与前述塑料集成电路也是完全不同的。在制备工艺方面,要用到扫描隧道显微镜(STM)。这是一种能够观察到原子分辨级图像的显微镜。它的发明人是IBM公司的比尼格(G.Binnig)和鲁勒(H.Rohrer),曾以此获得1986年诺贝尔物理奖。STM的主要结构是一个针尖很细的、能够作微区扫描的探针。当加有电压的针尖与导电的固体表面十分靠近时,根据量子力学理论,针尖将发射隧道电流,而电流的大小与距离的指数成反比。

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