אלקטרוניקה פלסטית: מכונות הדפוס

הדרך הטובה ביותר להכנת מוליכים-למחצה ממולקולות אורגניות קטנות היא שיקוע ממצב גזי: ראשית מאדים את התרכובת בתא סגור, לעתים בריק ולעתים כשהתא מלא בגז אדיש, ואז מאפשרים לאדים להתעבות בשכבה דקה על פני מצע. השיטה הזאת דומה מאוד לשיטת הייצור של כמה מוצרים יום-יומיים מאוד, כמו למשל ציפוי שקיות צ'יפס כדי למנוע מחמצן לפעפע דרך הפלסטיק.

אפשר לייצר פולימרים מוליכים בכמה דרכים. אחת מהן היא ציפוי בסחרור: מטפטפים תמיסה של הפולימר, או של חומרי המוצא שלו, על גבי דסקה ומסחררים אותה. הסחרור מפזר את החומר באחידות על פני הדסקה. אחר כך אפשר לאכל את החומר בשיטות פוטו-ליתוגרפיות כמו אלה המשמשות לייצור מוליכים-למחצה אי-אורגניים רגילים, לחתוך אותו או להטביע עליו דגמים בשיטות אחרות. (חוקרים אחדים השתמשו בציפוי בסחרור גם עם פנטאצן.)

אחת הבעיות בעיבוד פולימרים מוליכים לעומת החומרים הפלסטיים בתעשיות אחרות, היא אי מסיסותם בממסים אורגניים נוחים. למשל, קיבוע הפולימר פולי-אתילן-דיאוקסי-תיאופן (PEDOT), נעשה בדרך כלל בתמיסה חומצית מימית שתכונותיה המשתכות (קורוזיביות) גורמות בעיות נוספות.

באפריל 2004 הודיעה חברת TDA Research מווייט רידג' שבקולורדו על סוג חדש של PEDOT, שכינתה בשם אוליגוטרון, המסיס בממסים אורגניים בלתי משתכים. הקרנה באור אולטרה-סגול (UV) של חומר המוצא הנוזלי גורמת לצילוב בין המולקולות שלו ולהתקשות החומר למוצק בלתי מסיס. בדרך זו יהיה אפשר לצפות משטח באוליגוטרון באמצעות סחרורו, ואז ליצור תבניות באמצעות הקרנת קרני-UV דרך מסכה.

לחילופין, יהיה אפשר להדפיס את התבנית במדפסת להזרקת דיו ולקבע אותה בהקרנת UV. תהליך הזרקת הדיו דומה מאוד להדפסה גרפית, אבל במקום להשתמש בדיו צבעוני מזרימים על המצע טיפות זערוריות של תמיסת הפולימר בתבניות שצורתן מבוקרת היטב. עד כה הצליחו להדגים את התהליך בתבניות גדולות ממדים רק באופן עקרוני, אך לא הכינו שום התקנים אלקטרוניים בשיטה זו.

התחבולה שאִפשרה את קבלת הפולימר המסיס אוליגוטרון הייתה חיבור קבוצות כימיות מתאימות לקצות המונומרים, היחידות המרכיבות את המולקולות השרשרתיות של PEDOT. סביר להניח שיהיה אפשר ליצור גרסות של אוליגוטרון בעלות תכונות ייחודיות באמצעות שינוי קבוצות הקצה האלה. למשל, אוליגוטרון בעל קבוצות קצה פוטו-אלקטריות יוכל לשמש לייצור תאים סולריים.

התקדמות משמעותית כבר ב-2003

חברות אחדות עוסקות בפיתוח שיטת הזרקת הדיו להדפסת מעגלים חשמליים. מרכז המחקר של פאלו-אלטו (PARC, לשעבר חלק מחברת Xerox) הדגים את הטכנולוגיה הזאת: בשנת 2003 יצרו חוקרי המרכז את מערך הטרנזיסטורים הראשון על טהרת המוליכים-למחצה הפלסטיים באמצעות הדפסה בהזרקת דיו.

הטרנזיסטורים האלה גדולים מקרוביהם העשויים סיליקון, ומהירות המיתוג שלהם נמוכה יותר, אבל המוביליות (mobility) שלהם - 0.1 סמ"ר לוולט לשנייה (cm2/Vs) - נמוכה רק פי עשרה מזו של סיליקון אמורפי, שהשימוש בו נפוץ מאוד בלוחות הגב של צגי מחשב הפועלים באמצעות גבישים נוזליים. (מוביליות היא מידת הקלות שבה נשאי מטען, כמו אלקטרונים למשל, נעים דרך חומר. הבדל פי עשרה נחשב להבדל קטן. המוביליות של סיליקון אמורפי נמוכה פי אלף מזו של סיליקון גבישי.) חברות Dow, מוטורולה ו-Xerox התאגדו כדי לפתח סוגי דיו פולימרי ושיטות להדפסה. כך עשו גם חברות DuPont ו-Lucent Technologies, וכן תאגיד Universal Display עם חברת Sarnoff.

בכנס החברה להצגת מידע שנערך בשנת 2003 הציגה חברת Plastic Logic התקן שלטענתה הוא צג המערך-הפעיל (active-matrix) הראשון המבוסס על אלקטרוניקה פלסטית שהודפסה בהזרקת דיו. (בצגי מערך פעיל מופעל כל פיקסל באמצעות טרנזיסטור משלו.) הצג, מערך של 63 על 48 פיקסלים מודפסים על לוח גב עשוי זכוכית ששטחו 2.5 סמ"ר, עושה שימוש בטכנולוגיית הנייר האלקטרוני של חברת Gyricon, לשעבר חברת בת של Xerox. חברות Plastic Logic ו- Gyriconפועלות עכשיו להגדיל את שטח התצוגה, לשפר את הרזולוציה ולעבור למצע פלסטי גמיש.

עד כה לא היה אפשר להדפיס בהזרקת דיו טרנזיסטורים קטנים וצפופים כמו בשבבים האי-אורגניים הטובים ביותר. אבל באמצע שנת 2003 הצליחו חוקרים מאוניברסיטת קורנל שבארה"ב לבנות טרנזיסטורים אורגניים תקינים בשכבה דקה של פנטאצן באמצעות ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים. אורך הערוץ של הטרנזיסטורים האלה לא עלה על 30 ננומטרים, אורך דומה לזה של ערוצים בטרנזיסטורים עכשוויים עשויים סיליקון. ערוץ הוא החלק בטרנזיסטור שבו זורם, או לא זורם, הזרם החשמלי, ושבו מתבצעת פעולת המיתוג.

בניסיונות קודמים להכנת טרנזיסטורים זעירים בשכבה אורגנית דקה לא הצליחו לרדת מאורך ערוץ של 100 ננומטרים. התקנים קטנים יותר לא פעלו כשורה. ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים היא תהליך יקר שאינו מתאים לייצור מסחרי של התקנים אורגניים, אבל המחקר בקורנל הדגים שהתקנים קטנים כאלה אכן אפשריים.

חסרונות נוספים אחרים

מלבד הגודל, יש לחומרים אורגניים חסרונות נוספים. אחת הבעיות היא מחסור בחומר מתאים להכנה של טרנזיסטורים מטיפוס p-type ומטיפוס n-type על גבי אותו שבב. זוהי דרישת קדם לטכנולוגיית ה-CMOS, שהיא הענף הראשי בייצור מעבדים זעירים. (במוליכים למחצה מטיפוס p נשאי הזרם הם חורים ואילו בטיפוס n אלו הם האלקטרונים.)

מלבד זה, חומרים פולימריים רבים הם שבירים ורגישים ללחות ואפילו לחמצן שבאוויר. אפשר להתמודד עם החולשה הזאת באמצעות חתימה של המרכיבים הפעילים בתוך שכבות אטומות לאוויר וללחות, אבל פתרון זה מוסיף שלבים לייצור ופוגע בתכונות רצויות כגון דקיקות וגמישות.

התקדמות מסוימת חלה בפיתוחם של חומרים עמידים יותר. באפריל 2004 הודיע בנג אונג ממרכז המחקר של Xerox בקנדה על פיתוח דיו המבוסס על פולי-תיאופן שאינו רגיש לחמצן ולכן אפשר להדפיס באמצעותו מעגלים חשמליים ללא צורך באווירה מיוחדת של גז אדיש.

דייוויד בוסיאן מאוניברסיטת קליפורניה בריברסייד פיתח חומר כלאיים אורגני-אי-אורגני עמיד. הצוות שלו דיווח בנובמבר 2003 על האפשרות לקשור מולקולות אורגניות הקרויות פורפירינים, מוליקולות העשויות מחרוזות וטבעות של אטומי פחמן וחנקן, לצדו המחומצן של מצע סיליקון. הפורפירינים מסוגלים לעמוד בטמפרטורה של עד 400 מעלות למשך 30 דקות.

דרושה הפרדה

דרך אחת להימנע מפגיעה בחלק האורגני השביר של ההתקן במהלך ההרכבה היא להפריד את ייצור החלק האורגני מהתוויית שאר חלקי המעגל החשמלי הקשורים אליו. את השיטה הזאת פרסמו ג'ון רוג'רס מאוניברסיטת אילינוי ועמיתיו מחברת Lucent ומאוניברסיטת רוטגרס במארס 2004. הם השתמשו בשיטת השיקוע ממצב גזי כדי להניח אלקטרודות זהב על מצע גמיש של גומי. כדי לייצר טרנזיסטור הצמידו את החותמת שייצרו בלחץ לגביש גדול ומאיכות גבוהה של החומר רוברן (rubrene). (מולקולת רוברן מורכבת משרשרת של ארבע טבעות בנזן שאליהן מחוברות, כל אחת בנפרד, ארבע טבעות נוספות כקבוצות צד, המקנות מראה של שני זוגות כנפיים.) הטכניקה מונעת את חשיפתו של הגביש האורגני לתנאים החריפים של שיקוע האלקטרודות, ובכך מונעת ממנו להינזק.

קבוצת המחקר מדדה את המוביליות הגבוהה ביותר שנמדדה אי פעם בטרנזיסטור אורגני - עד 15 סמ"ר לוולט לשנייה. אף כי תהליך ההחתמה פותח למטרות מחקר עשויים להיות לו שימושים מסחריים. החוקרים היו מסוגלים להרחיק את החותמת ולהשתמש בה שוב ושוב. הם שינו את הכיוון והמיקום של החותמת וקבעו שהמוביליות תלויה בכיוון התנועה של האלקטרונים דרך הגביש. קיומו של אפקט זה בחומרים אורגניים נחזה כבר לפני זמן רב, אך מעולם לא הודגם קודם לכן באופן ברור.