ترانزیستورهای با عملکرد بالا بر روی صفحات پلاستیک نرم ساخته شدند

محققین، توانسته‌اند پیشرفت مهمی در روش تولید طرح نگاری چاپی به دست بیاورند که ترانزیستورهای با عملکرد بسیار بالا را بر روی طاقه‌های پلاستیک نرم معمولی ایجاد می‌کند.
محققین دانشگاه «ویسکونسین مَدیسون» و همکاران، با استفاده از روشی تحت عنوان طرح‌نگاری چاپی، شگردی غیرمنتظره را ابداع کرده‌اند تا به تولید ساده «ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز»  انعطاف‌پذیر، ارزان، با عملکرد بالا و قابلیت بی‌سیم، اجازه دهند تا بر بسیاری از مشکلات عملکردی دستگاه‌هایی که با روش‌های استاندارد ساخته شده‌اند، فائق آیند. این ترانزیستورها که بر روی طاقه‌های بزرگ پلاستیک منعطف ایجاد می‌شوند، می‌توانند پذیرای دستگاه‌هایی از وسایل پوشیدنی الکترونیکی گرفته تا حسگرهای خمش‌پذیر، باشند.
«موسفِت» ها، قطعات نیمه هادی هستند که به خاطر نیاز به جریان برق پایین، قابلیت‌های پربسامد و بهبود عملکرد کلی، به سرعت جایگزین ترانزیستورهای معمولی دوقطبی در مدارهای الکترونیکی شدند. این نیمه هادی‌ها به وسیله تنظیم آنچه که به عنوان تمرکز بار از طریق برق‌پذیری داخلی در امتداد کانال‌های بین الکترودهایش شناخته می‌شود، عمل می‌کند تا جریان متداول را ایجاد کند.
به عبارت دیگر، از طریق فرستادن یک ولتاژ به یک الکترود (تحت عنوان «گذرگاه»)، یک میدان برقی در لایه زیرین، میان دو الکترود دیگر (تحت عنوان «منشأ» و «کاهش‌گر») ایجاد می‌شود که باعث می‌شود یک کانال در بین آن‌ها برای جریان الکترون، باز شود. تنظیم ولتاژ فرستاده شده به الکترود گذرگاه، باعث افزایش و یا کاهش جریان متداول شده و همچنین می‌تواند برای تقویت یک مدار، مورد استفاده قرار بگیرد.
هر چند که اساساً، کاهش اندازه «موسفِت» ها برای برآورده کردن نیاز مدارهای مجتمع که همین طور در حال کوچک شدن هستند، با مشکلاتی روبرو شده است. مخصوصاً در توانایی «موسفِت»ها در تولید کارآمد جریان متداول؛ چون روش‌های استاندارد تولید نیمه هادی، توجهی به توانایی مهار سطح دوپینگ (شناسایی ناخالصی‌ها در طراحی سیلیکونی برای اجرای آن، چه به صورت شارژ مثبت و یا منفی) با دقت کافی برای حصول اطمینان از عملکرد کانال همساز در میان قطعات مجزا ندارد.
معمولاً، «موسفِت» ها، با پوشاندن لایه‌ای از اکسید سیلیکون (SiO2) بر روی یک بستر سیلیکونی و سپس با قرار دادن لایه‌ای از فلز یا سیلیکون چندبلوری روی آن، تولید می‌شوند. در هر صورت، این روش می‌تواند تا اندازه‌ای، بی‌دقت و دشوار برای مهار کامل باشد؛ پس دوپینگ می‌تواند گاهی اوقات به درون قسمت‌هایی که نیازی به حضورش نیست، درز کرده و حالتی تحت عنوان «کانال کوتاه» را به وجود بیاورد.
(حالت کانال کوتاه، اساساً، جایی است که به دلیل درز ناخالصی، کانال‌های ایجاد شده بر روی «موسفِت»، از طریق یک اثر میدانی، اجازه می‌دهند تا حجم رسانش برق در ارتباط با لایه کاهش‌دهنده (محدوده نارسانا) تقلیل یابد؛ بدین شکل، عملکرد را پایین می‌آورد. اگر این مسئله، معیوب بودن قطعه را در فرایند آزمایش تولید نشان ندهد، ممکن است باعث عرضه «موسفِت» های جداگانه‌ای شود که با خصوصیات عملکردی متفاوت به بازار راه پیدا کرده‌اند.)
اینجاست که روش جدید توسعه یافته توسط دانشگاه ویسکونسین مَدیسون و دانشگاه‌های همکارش در سرتاسر ایالات متحده، وارد می‌شود.
برای بهبود کیفیت نیمه هادی‌ها از طریق کاهش احتمال درز ناخالصی، محققین با به کارگیری فرآیند لیتوگرافی پرتوی الکترونی (روشی که ابتدا توسط فوجیتسو و اَدوَنتِست، یک دهه پیش، جهت استفاده تجاری در تولید نیمه هادی، مطرح شد؛ در اینجا یک فرآیند پویشی پرتوی متمرکزشده الکترون‌ها برای حکاکی شکل‌های دلخواه روی یک سطح پوشیده شده از لایه پلاستیکی نازک حساس به الکترون، تحت عنوان «عایق»، استفاده می‌شود). سپس این کار باقالب‌گیری و حکاکی بعدی، ادامه می‌یابد تا یک فرایند تولید با میزان کنترل فیزیکی بسیار بیشتر، ایجاد شود.
به صورت تفصیلی، این گروه، کار را با پوشاندن سطحی به کمک لایه سیلیکونی دوپینگ شده مثبت با ضخامت 270 نانومتر آغاز کردند. سپس برش‌هایی در مقیاس نانو با استفاده از لیتوگرافی پرتوی الکترونی در لایه طرح، ایجاد شدند؛ این روند با حکاکی خشک برای ایجاد یک غشای نانویی سیلیکونی ادامه یافت. سپس محققین، لایه غشای نانویی سیلیکونی را برداشته و آن را به روی یک بستر دیگر تشکیل شده از نوار پلاستیکی پوشانده شده از مواد چسبنده (پلی اتیلن ترفتالات)، منتقل کردند. سپس، آخرین مراحل ساخت، شامل افزودن حکاکی خشک اضافی برای جداسازی و تعیین محدوده کانال و قرار دادن گذرگاه لایه‌های عایق و گذرگاه فلزی، انجام می‌شوند.
در حالی که ممکن است کار بسیار زیادی به نظر برسد، اما درواقع، نسبتاً یک فرآیند سرراست و محتملاً با پیچیدگی کمتر نسبت به روش‌های امروزی مبتنی بر دوپینگ و خلع استفاده شده در ساخت نیمه هادی‌های معمول است. با وجود این، مزایای چنین مهندسی کنترل‌شده، دقیق و ظریفی، منتج به نیمه هادی می‌شود که از الگوی جریان متداول سه‌بعدی منحصر به فردی بهره می‌برد؛ این یعنی، انرژی کمتری مصرف می‌کند و نسبت به نیمه هادی‌های استاندارد، با کارایی بسیار مؤثرتری عمل می‌کند.
در عمل، گزارش شده است که ترانزیستورهای جدید، می‌توانند با سرعت 38 گیگاهرتز کار کنند؛ شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که آن‌ها تنها با ایجاد تغییراتی کوچک، حتی توانایی عملکردی برق‌آسا با سرعت 110 گیگاهرتز را دارند.
اما سرعت، با لطمه زدن به ابعاد، حاصل نشده است؛ روش جدید، راهی برای برش‌های بسیار باریک‌تر نسبت به آنچه که فرآیند تولید معمولی توانایی‌اش را دارد، فراهم کرده است؛ بنابراین، این امکان را ایجاد می‌کند که نسبت به قبل، تعداد بیشتری از این ترانزیستورها را درون دستگاه‌های کوچک‌تر جاسازی کرد.
همچنین محققین، ادعا می‌کنند، ازآنجایی‌که ترانزیستور جدید، طراحی شده است تا داده و نیرو را به صورت بی‌سیم جابه‌جا کند، به طور چشمگیری مناسب برای استفاده در کاربردهای امواج رادیویی است. این قابلیت به طور خاص می‌تواند در زمینه‌هایی از لوازم الکترونیکی پوشیدنی گرفته تا حسگرها، خودش را ثابت کنند.
شاید با وجود لوازم الکترونیکی پوشیدنی و پوسته‌های منعطف حاصل تحقیقات اخیر، ترانزیستورهای انعطاف‌پذیر به هیچ عنوان طرح جدیدی نباشند، اما محققین می‌گویند که این فرایند جایگزین کم‌هزینه برای تولید ترانزیستورهایی با عملکرد بالا، به طور خاصی پیشگامانه است. به ویژه از آن جایی که آن‌ها باور دارند، مقیاس این روش به سادگی می‌تواند برای استفاده در فرایند طاقه به طاقه ورقه‌های پلاستیکی افزایش پیدا کند که سازندگان ترانزیستورها را قادر می‌سازد تا الگوهای حکاکی را بی‌نهایت بار تکرار کنند و صدهاهزار دستگاه را برروی یک طاقه انعطاف‌پذیر پلاستیک، به تولید انبوه برسانند.
ژنکیانگ (جَک)، کارشناس ارشد، لین اِچ ماتیاس، پروفسور مهندسی در دانشگاه ویسکونسین مدیسون می‌گوید: «طرح‌نگاری چاپی، برنامه‌های آینده برای لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر را مورد توجه قرار می‌دهد. ما نمی‌خواهیم آن‌ها را به شکلی که صنعت نیمه هادی اکنون به آن شیوه عمل می‌کند، تولید کنیم. روش ما که برای چاپ طاقه به طاقه، بسیار حیاتی به حساب می‌آید، آماده است.»