全溶液法製備低電壓有機薄膜電晶體積體電路的研究

《全溶液法製備低電壓有機薄膜電晶體積體電路的研究》是依託上海交通大學，由郭小軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：全溶液法製備低電壓有機薄膜電晶體積體電路的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭小軍
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

對可溶性有機半導體、絕緣、以及導電功能材料的研究，催生了用傳統印刷技術製造各種有機電子信息器件的探索。全溶液法加工低電壓、高性能的有機薄膜電晶體（organic thin-film transistor, OTFT）器件是印刷有機電子由基礎材料及器件的研究向集成化電路與系統套用發展的關鍵。為此目標，需要實現短溝道、降低寄生電容、減小亞閾值擺幅等，同時不影響器件的可集成性以及遷移率、開關比等性能。本項目擬通過研究溶液法工藝對OTFT器件性能影響的作用機理，利用溶液法的工藝特徵，在常規的溶液法/印刷工藝條件約束下實現低電壓、短溝道、自對準柵結構的OTFT器件；將從材料、器件設計與工藝方面綜合考慮，最佳化p型OTFT的性能，在此基礎上，以提高電路的噪聲容限為目標研究全p型OTFT邏輯電路的設計與物理實現。最後形成器件與電路的設計理論與物理實現方案，為印刷有機電子向集成化電路與系統套用發展奠定基礎。

結題摘要

全溶液法加工低電壓、高性能有機薄膜電晶體（organic thin-film transistor, OTFT）器件是印刷有機電子由基礎材料及單個器件的研究向集成化電路與系統套用發展的關鍵。本項目利用溶液法的工藝特徵，通過降低溝道層亞帶隙態密度，以較小的柵絕緣層電容實現低亞閾值擺幅、低工作電壓的OTFT器件。基於該方法，可以採用低k聚合物介電材料，以較厚的柵絕緣層，實現低電壓OTFT器件，從而有利於實現高穩定性和大面積印刷加工。進一步通過採用不同的聚合物介電材料以及有機半導體的溶液法/印刷工藝系統地驗證了該方法的普適性。全溶液法/印刷工藝加工的基於1.16 µm厚SU8柵絕緣層的低電壓（＜5V）OTFT器件實現了所報導的OTFT器件中的最高的開關效率，並以環形振盪器電路為例，被證明可以構建比傳統高k柵介電層低電壓OTFT速度更快、功耗更低的邏輯電路。器件利用簡單的溶液法CYTOP絕緣層封裝，表現出良好的長期工作穩定性。利用295 nm厚的聚氯乙烯（PVC）作為柵絕緣層，實現了壓閾值擺幅＜100 mV/dec，未封裝情況下具有良好穩定性的低電壓OTFT器件。發展了適用於不同結構和材料體系的通用OTFT緊湊器件模型及參數提取工具，套用於電路仿真分析；同時發展了全p型OTFT電路良率、延遲及功耗分析的模型。這些模型一方面有助於電路設計分析，也能為器件性能的最佳化和全面評估提供指導。最後，利用封裝的OTFT器件的低電壓、電壓偏置穩定特性，實現了柔性OTFT pH感測電路，並與帶有近場通信（NFC）功能的電路模組集成，由智慧型手機控制，實現了對待測液體pH的可靠實時監測；利用未封裝的、穩定性好的低電壓OTFT器件的溝道層作為敏感層，與低電壓（2.4 V）電子系統集成，在大氣環境下實現了對NH3連續12小時的實時檢測，檢測極限＜1ppm。