全溶液法制备低电压有机薄膜晶体管集成电路的研究

The development of soluble organic semiconducting, dielectric and conductive materials has enabled the fabrication of organic electronic information devices with printing techniques. All solution processed low voltage, high performance organic thin-film transistors (OTFTs) are required to achieve printable integrated circuits and systems from the research of fundamental materials and devices. For that, short channels, low parasitic capacitances and small subthreshold swings need to be realized with solution based/printing processes without impacting other device performance parameters such as mobility and ON/OFF current ratio. This project will start from the investigation of the influence of the solution processes on the OTFT device performance, and then develop low voltage, short channel and self-aligned gate structure OTFTs under the constraints of the solution-based/printing processes. The project will focus on improving the performance of p-type OTFT devices combining considerations of materials, device design and processes, and based on that, work on the design and processes of all-p-type logic circuit for high enough noise margin. It is expected that the design theory and physical implementation method of OTFTs and circuits can finally be developed to form the basis for achieving integrated circuits and systems based on printed organic electronics.

对可溶性有机半导体、绝缘、以及导电功能材料的研究，催生了用传统印刷技术制造各种有机电子信息器件的探索。全溶液法加工低电压、高性能的有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor, OTFT）器件是印刷有机电子由基础材料及器件的研究向集成化电路与系统应用发展的关键。为此目标，需要实现短沟道、降低寄生电容、减小亚阈值摆幅等，同时不影响器件的可集成性以及迁移率、开关比等性能。本项目拟通过研究溶液法工艺对OTFT器件性能影响的作用机理，利用溶液法的工艺特征，在常规的溶液法/印刷工艺条件约束下实现低电压、短沟道、自对准栅结构的OTFT器件；将从材料、器件设计与工艺方面综合考虑，优化p型OTFT的性能，在此基础上，以提高电路的噪声容限为目标研究全p型OTFT逻辑电路的设计与物理实现。最后形成器件与电路的设计理论与物理实现方案，为印刷有机电子向集成化电路与系统应用发展奠定基础。

全溶液法加工低电压、高性能有机薄膜晶体管（organic thin-film transistor, OTFT）器件是印刷有机电子由基础材料及单个器件的研究向集成化电路与系统应用发展的关键。本项目利用溶液法的工艺特征，通过降低沟道层亚带隙态密度，以较小的栅绝缘层电容实现低亚阈值摆幅、低工作电压的OTFT器件。基于该方法，可以采用低k聚合物介电材料，以较厚的栅绝缘层，实现低电压OTFT器件，从而有利于实现高稳定性和大面积印刷加工。进一步通过采用不同的聚合物介电材料以及有机半导体的溶液法/印刷工艺系统地验证了该方法的普适性。全溶液法/印刷工艺加工的基于1.16 µm厚SU8栅绝缘层的低电压(< 5V)OTFT器件实现了所报道的OTFT器件中的最高的开关效率，并以环形振荡器电路为例，被证明可以构建比传统高k栅介电层低电压OTFT速度更快、功耗更低的逻辑电路。器件利用简单的溶液法CYTOP绝缘层封装，表现出良好的长期工作稳定性。利用295 nm厚的聚氯乙烯(PVC)作为栅绝缘层，实现了压阈值摆幅<100 mV/dec，未封装情况下具有良好稳定性的低电压OTFT器件。发展了适用于不同结构和材料体系的通用OTFT紧凑器件模型及参数提取工具，应用于电路仿真分析；同时发展了全p型OTFT电路良率、延迟及功耗分析的模型。这些模型一方面有助于电路设计分析，也能为器件性能的优化和全面评估提供指导。最后，利用封装的OTFT器件的低电压、电压偏置稳定特性，实现了柔性OTFT pH传感电路，并与带有近场通信(NFC)功能的电路模块集成，由智能手机控制，实现了对待测液体pH的可靠实时监测；利用未封装的、稳定性好的低电压OTFT器件的沟道层作为敏感层，与低电压(2.4 V)电子系统集成，在大气环境下实现了对NH3连续12小时的实时检测，检测极限< 1ppm。