基于陡亚阈值摆幅的低功耗聚合物晶体管研究

Polymer field effect transistors (PFETs) are key technology for flexible electronics, which can be applied in wearable devices and flexible displays. However, PFETs are facing several obstacles that delay their commercialization. The limitation of power supply in wearable electronics stricken the power consumption of PFETs. In this project, we would like to further reduce the operation voltage and power consumption of PFETs based on high-κ dielectric and steep subthreshold slope (SS). To reach this aim, the following objectives are pursued: 1) Analysis the relationship between SS and charge injection in PFETs. 2) Optimize the charge injection in PFETs with high-κ dielectrics. This project will also provide technical and scientific fundamentals for future research on low power consumption organic electronic devices.

聚合物场效应晶体管是低成本柔性可穿戴电子设备的关键基础器件，也可被应用于柔性显示器中。但仍有一些问题限制了聚合物场效应晶体管的商业化应用，特别是电池容量的限制使现代可穿戴设备对于器件的功耗要求愈加苛刻。因此，研究与发展低功耗聚合物晶体管变得尤为重要。本项目拟基于申请人在聚合物晶体管研究中的优势，以亚阈值摆幅研究作为切入点，结合高介电常数栅绝缘层的低电压特性，通过系统研究聚合物晶体管的电荷注入过程，揭示聚合物晶体管中电荷注入对亚阈值摆幅的影响，进而基于优化电荷注入降低高介电绝缘层聚合物晶体管中的亚阈值摆幅，进一步降低聚合物晶体管器件中的工作电压，从而实现以陡亚阈值摆幅为特点的低电压低功耗聚合物晶体管。本项目研究将为低功耗有机电子器件的进一步发展提供理论支持和技术基础。

聚合物场效应晶体管是低成本柔性可穿戴电子设备的的关键基础器件，但高工作电压等问题限制了聚合物场效应晶体管的商业化应用，特别是电池容量的限制使现代可穿戴设备对于器件的功耗要求愈加苛刻的市场环境中。因此，研究与发展低电压低功耗聚合物晶体管变得尤为重要。借助溶液相高介电材料工艺及界面工程，能够有效降低器件中的工作电压，使得聚合物器件及电路更接近实际应用需求。.本项目主要开展了聚合物晶体管及相关器件物理研究。主要包含以下几个方面：（1）低电压聚合物晶体管及相关界面工程研究；（2）短沟道聚合物晶体管及相关器件物理研究；（3）聚合物器件准确评估方法的开发及模型化研究。在项目研究过程中，我们围绕低电压聚合物晶体管的性能优化及相关器件物理问题：验证了新型给体-受体共轭聚合物半导体中的性能瓶颈来自于聚合物薄膜中的无序区域，并在接近特征尺寸短沟道器件中获得了迄今报道最高的载流子速度；同时发现金属/聚合物半导体接触会产生>1μm的空间电荷区，较常规无机器件影响更为显著；基于上述认识，引入溶液相高介电材料HfO2，并通过系统性的界面工程降低了聚合物/介电层直接的界面问题，最终获得了工作电压<3V的低电压聚合物晶体管。