На протяжении десятилетий полевые транзисторы на основе кремниевых полупроводников приводили к революции в электронике. Но в последние годы производители столкнулись с жесткими физическими ограничениями для дальнейшего уменьшения размера и повышения эффективности кремниевых чипов. Это заставило ученых и инженеров искать альтернативы обычным металлооксидно-полупроводниковым (CMOS) транзисторам.

«Органические полупроводники предлагают несколько явных преимуществ по сравнению с обычными полупроводниковыми устройствами на основе кремния: они сделаны из широко доступных элементов, таких как углерод, водород и азот; они обеспечивают механическую гибкость и низкую стоимость производства; и их можно легко изготовить в масштабе. — отмечает профессор инженерного дела Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Йон Визелл, член группы исследователей, работающих с новыми материалами.

«Возможно, более важно то, что сами полимеры могут быть созданы с использованием самых разных химических методов, чтобы наделить полученные полупроводниковые устройства интересными оптическими и электрическими свойствами. Эти свойства можно спроектировать, настроить или выбрать гораздо большим количеством способов, чем неорганические (например, кремниевых) транзисторов ».

Гибкость конструкции, которую описывает Визелл, иллюстрируется реконфигурируемостью устройств, о которой сообщают исследователи UCSB и другие в журнале Advanced Materials.

Реконфигурируемые логические схемы представляют особый интерес как кандидаты для пост-CMOS-электроники, поскольку они позволяют упростить конструкцию схемы при одновременном повышении энергоэффективности. Было показано, что один недавно разработанный класс транзисторов на основе углерода (в отличие, скажем, на основе кремния или нитрида галлия), называемый органическими электрохимическими транзисторами (OECT), хорошо подходит для реконфигурируемой электроники.

В недавней статье профессор химии Тук-Куен Нгуен, возглавляющий Центр полимеров и органических твердых веществ UCSB, и соавторы, в том числе Визелл, описывают прорывной материал — мягкий полупроводниковый полимер на основе углерода, который может обеспечить уникальные преимущества по сравнению с неорганические полупроводники, используемые в настоящее время в обычных кремниевых транзисторах.

«Реконфигурируемые органические логические устройства — многообещающие кандидаты для следующего поколения эффективных вычислительных систем и адаптивной электроники», — пишут исследователи. «В идеале такие устройства должны иметь простую структуру и дизайн, [а также] быть энергоэффективными и совместимыми с высокопроизводительными технологиями микропроизводства».

Сопряжение по проводимости

Сопряженный полиэлектролит, или CPE-K, состоит из центральной сопряженной основной цепи с чередующимися одинарными и двойными связями и множества заряженных боковых цепей с присоединенными ионами. «Наличие сопряженных связей по всему полимеру делает его проводящим, потому что делокализованные электроны обладают высокой подвижностью по всей длине полимера», — объясняет ведущий автор Тунг Нгуен-Данг, научный сотрудник лаборатории Нгуена, которого консультирует Визелл. «Вы объединяете два классических материала, полимер и полупроводник, в этой молекулярной конструкции».

Искусственный интеллект (ИИ) сыграл роль в разработке материала. «Вы можете методом проб и ошибок создавать материал», — говорит Нгуен. «Можно сделать их целую кучу и надеяться на лучшее, и, может быть, один из двадцати работает или обладает интересными свойствами; тем не менее, мы работали с профессором штата Калифорния в Нортридже Ган Лу, который использовал ИИ для выбора строительных блоков и сделать расчеты, чтобы получить общее представление о том, как действовать, учитывая уровень энергии и свойства, к которым мы стремились».

Выяснение реконфигурируемости

Одним из ключевых преимуществ CPE-K является то, что он позволяет реконфигурировать («двухрежимные») логические элементы, то есть их можно переключать на лету для работы либо в режиме истощения, либо в режиме накопления, просто регулируя напряжение на затворе. В режиме истощения ток, протекающий через активный материал между стоком и истоком, изначально высок, прежде чем подается какое-либо напряжение на затвор (также известное как состояние ВКЛ). При подаче напряжения на затвор ток падает, и транзистор переходит в закрытое состояние. Режим накопления противоположен: без напряжения на затворе транзистор находится в выключенном состоянии, а приложение напряжения на затворе дает более высокий ток, переключая устройство во включенное состояние.

«Обычные электронные логические элементы, которые являются строительными блоками для всех цифровых схем в компьютерах или смартфонах, — это аппаратные средства, которые выполняют только одну задачу, для которой они предназначены», — говорит Нгуен. «Например, вентиль И имеет два входа и один выход, и если все входы, применяемые к нему, равны 1, то и выход будет равен 1. Точно так же вентиль ИЛИ-ИЛИ также имеет два входа и один выход, но если все входы, применяемые к нему, равны 1, тогда выход будет равен 0. Электронные вентили реализованы с использованием транзисторов, и их реконфигурация (например, переход от вентиля И к вентилю ИЛИ-НЕ) требует инвазивной модификации, такой как демонтаж, что обычно слишком сложно. быть практичным.

«Реконфигурируемые вентили, подобные показанному нами, могут вести себя как логические вентили обоих типов , переключаясь с И на НЕ-ИЛИ и наоборот, изменяя только напряжение на затворе», — продолжает она. «В настоящее время в электронике функциональность определяется структурой, но в нашем устройстве вы можете изменить поведение и сделать его чем-то другим, просто изменив приложенное к нему напряжение. Если мы масштабируем это изобретение от одного вентиля до гораздо более сложных схем, состоящих из из многих таких реконфигурируемых вентилей мы можем представить себе мощную аппаратную часть, которая может быть запрограммирована с гораздо большим количеством функций, чем обычные, имеющие такое же количество транзисторов».

Еще одно преимущество OECT на базе CPE-K: они могут работать при очень низком напряжении, что делает их подходящими для использования в персональной электронике. Это, в сочетании с его гибкостью и биосовместимостью, делает материал вероятным кандидатом для имплантированных биосенсоров, носимых устройств и нейроморфных вычислительных систем, в которых OECT могут служить искусственными синапсами или энергонезависимой памятью.

«Наш коллега создает устройства, которые могут отслеживать падение уровня глюкозы в мозге, которое происходит непосредственно перед припадком», — объясняет Нгуен о сотруднике Кембриджского университета в Англии. «И после обнаружения другое устройство — микрофлюидное устройство — будет доставлять лекарство локально, чтобы остановить процесс до того, как он произойдет».

По словам Нгуена, устройства, изготовленные из CPE-K, обеспечивают одновременное легирование и делегирование в зависимости от типа ионов. «Вы делаете устройство и помещаете его в жидкий электролит — хлорид натрия [то есть поваренную соль], растворенный в воде», — говорит она. «Затем вы можете заставить натрий мигрировать в активный слой CPE-K, подав положительное напряжение на затвор. Кроме того, вы можете изменить полярность напряжения затвора и заставить хлорид мигрировать в активный слой. Каждый сценарий создает другой тип введения ионов, и именно эти разные ионы позволяют нам менять режимы работы устройства».

Самолегирование также упрощает производственный процесс, устраняя дополнительный этап добавления легирующих примесей. «Во многих случаях, когда вы добавляете легирующую добавку, она неравномерно распределяется по всему объему материала», — говорит Нгуен. «Органические легирующие материалы имеют тенденцию группироваться вместе, а не рассеиваться. Но поскольку наш материал не нуждается в этом шаге, вы не столкнетесь с проблемой неравномерного распределения легирующей примеси. Вы также избежите всего процесса оптимизации легирующей примеси и определения правильное сочетание и пропорции, которые добавляют шагов и усложняют обработку».

Команда также разработала физическую модель устройства, которая объясняет его рабочий механизм и правильно предсказывает его поведение в обоих режимах работы, тем самым демонстрируя, что устройство делает то, что кажется.

Визелл заключает: «Эта замечательная новая транзисторная технология идеально иллюстрирует удивительные электронные и вычислительные функции, которые становятся доступными благодаря конвергентным исследованиям в области химии, физики, материалов и электротехники».