低电压有机场效应晶体管的亚阈值特性及其传感应用的研究

High performance low-cost organic field-effect transistor (OFET) based sensors have a wide range of application prospects. For portable and wearable sensing applications, besides high sensitivity, low voltage operation for low power consumption is currently a hot research topic. As small sub-threshold swing is the key to low-voltage operation and improvement of OFET sensor's sensitivity, this project is to study the sub-threshold electrical characteristics including sub-threshold swing, bias stressing stability and thermal stability, propose a technique to modulate the organic thin-film's micro-structure by solution processing, and build a compact sub-threshold regime model for design and simulation of high performance OFET transducing circuit, based on the applicant’s previous work on low-voltage solution processed OFETs and transducers. Finally, high performance OFET based pH sensing system will be developed and expected to demonstrate low power consumption, high sensitivity and high stability under long operating time.

基于溶液法OFET技术的高性能低成本传感器具有广泛的应用前景。面向众多手持式和穿戴式传感的应用需求，除了提高检测灵敏度以外，降低OFET传感器件的工作电压以实现低功耗是所关注的研究热点。鉴于降低OFET器件的亚阈值摆幅是实现低电压工作和提高传感器高灵敏度的关键，申请人拟结合其在溶液法低电压OFET器件制备以及传感应用方面的研究基础，对OFET器件亚阈值区工作亚阈值摆幅、偏压稳定性和热稳定性等性能的影响机制进行深入探究，提出有机半导体薄膜微结构调控方法，建立低电压OFET器件亚阈值区紧凑型模型以实现高灵敏传感电路的设计和仿真。基于上述低电压OFET器件工艺和电路设计，实现工作在亚阈值区的低功耗、高灵敏、长时间稳定工作的pH传感系统。

基于溶液法加工的高性能有机薄膜晶体管(organic field-effect transistor,OFET)构建低成本传感器具有广泛的应用前景，由于陡峭亚阈值特性是获得低功耗高灵敏性能的关键，该项目对OFET器件亚阈值特性调控和高性能生化传感应用开展研究。首先，发展了高k/低k双绝缘层结构和共混半导体材料策略，提升了栅极对沟道载流子调控能力并降低了界面缺陷态密度，实现了超低亚阈值摆幅(<70 mV/decade)、高迁移率以及优异的电学稳定性；接着，发展了基于柔性刮刀的大面积涂布技术实现了对半导体结晶形貌的可控调控，制备了高均一性的低电压OFET阵列, 159个器件的阈值电压变化不超过250 mV；同时，建立了OFET亚阈值区工作的包含温度和偏置时间参数的通用型紧凑模型，发展了基于跨导效率的电路设计方法，应用于亚阈值区工作的传感电路的高效仿真分析；进一步，将亚阈值传感理论模型和低电压生化传感器构筑相结合，揭示了亚阈值特性对提升传感灵敏度的物理机制，实现了对溶液中生物分子和离子的低功耗高灵敏检测，对miRNA的检测限达到pM级别，对氢离子的检测极限<0.1pH，并具有长时间检测稳定性(10h内检测结果变化仅为4.7%)和一致性(10个器件检测差异仅为4.5%)；最后，基于所研制的低电压离子传感器和传感电路，结合激光刻孔技术实现了塑料衬底上的三维集成，进一步开发了低温封装方案实现了多通道离子传感器的片上集成, 应用于手持式多离子并行检测。该项目的研究构建了溶液法陡峭亚阈值OFET设计理论和工艺实现基础，为低成本高性能印刷OFET传感应用打下基础。