溶液法低電壓有機(jī)薄膜晶體管器件及電路集成.pdf

1、基于溶液法加工的有機(jī)薄膜晶體管(organic thin-film transistor，OTFT)由于其可采用低成本印刷工藝按需制造、良好的機(jī)械柔韌性和不斷提升的器件性能已經(jīng)取得了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，體現(xiàn)出在包括傳感器、射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)標(biāo)簽、智能存儲(chǔ)、醫(yī)療電子、柔性顯示背板、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。近些年來(lái)，隨著新型高性能半導(dǎo)體材料和溶液法工藝的不斷發(fā)展，溶液

2、法OTFT的場(chǎng)效應(yīng)遷移率(mobility,μ)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)非晶硅(amorphous silicon，a-Si) TFT，能夠滿(mǎn)足大部分低成本應(yīng)用的要求。然而，現(xiàn)階段報(bào)導(dǎo)的溶液法 OTFT器件的工作電壓大多為幾十伏特，極大影響了OTFT的實(shí)際應(yīng)用。為了促進(jìn)OTFT的實(shí)際應(yīng)用，如何在面向可低成本印刷工藝制備的前提下，結(jié)合器件物理分析、結(jié)構(gòu)選擇、材料匹配和界面優(yōu)化來(lái)降低器件的工作電壓至關(guān)重要。在降低OTFT器件工作電壓的同時(shí)，如何提高

3、器件的空氣穩(wěn)定性也是現(xiàn)階段讓OTFT可實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)所在。本論文工作將致力于研究解決上述OTFT所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，研究如何面向低成本可印刷工藝，降低OTFT器件的工作電壓，提高OTFT器件的空氣穩(wěn)定性，并探索OTFT進(jìn)一步電路/系統(tǒng)集成相關(guān)問(wèn)題。
　　本論文基于的OTFT器件結(jié)構(gòu)通過(guò)器件仿真分析和工藝上的考慮確定為底柵底接觸(bottom-gate bottom-contact，BGBC)結(jié)構(gòu)。為了降低OTFT器件的工作電壓，關(guān)

4、鍵在于減小其亞閾值擺幅(subthreshold swing，SS)。OTFT的SS由柵極絕緣層單位面積電容(Ci)和有效半導(dǎo)體層/絕緣層界面缺陷態(tài)密度(NSS)決定。由于溶液法工藝的特殊性和材料的限制，常用的通過(guò)增大Ci來(lái)降低SS的途徑并不適合實(shí)際應(yīng)用。本論文通過(guò)采用一種小分子半導(dǎo)體6,13-雙(三異丙硅基乙炔基)并五苯(TIPS-pentacene)和絕緣聚合物聚苯乙烯(PS)的共混半導(dǎo)體材料體系，利用兩種材料的溶解度參數(shù)差異產(chǎn)生相

5、分離來(lái)改善半導(dǎo)體結(jié)晶從而降低NSS，可以在較小的Ci的情況下實(shí)現(xiàn)低電壓OTFT器件。通過(guò)上述途徑，在407 nm厚的聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol)，PVA)絕緣層上制備的OTFT器件的SS僅為100 mV/decade，成功實(shí)現(xiàn)低電壓OTFT(<3 V)器件。進(jìn)一步通過(guò)采用不同的半導(dǎo)體加工工藝和絕緣層材料，都能夠成功制備出低電壓OTFT器件，證明了通過(guò)降低NSS途徑來(lái)取得低電壓OTFT器件良好的通用性。
　　基于

6、此低電壓OTFT器件，本論文進(jìn)一步研究了從單個(gè)器件到實(shí)現(xiàn)電路集成的關(guān)鍵問(wèn)題。首先，在上述較厚的柵極聚合物絕緣層下，驗(yàn)證了改變柵極功函數(shù)進(jìn)行閾值電壓調(diào)制，并實(shí)現(xiàn)高性能雙閾值電壓反相器電路的可能性。然后，本論文成功將噴墨打印銀電極集成到此器件結(jié)構(gòu)中，研制出了在柔性塑料聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)上的全溶液法工藝制備的低電壓OTFT器件和反相器。
　　更進(jìn)一步，本論文通過(guò)研究影響OTFT

7、穩(wěn)定性的相關(guān)因素，證明了絕緣層的重要作用，并通過(guò)采用非極性疏水絕緣層材料聚乙烯醇肉桂酸酯(poly(vinyl cinnamate)，PVC)，研制出了空氣穩(wěn)定的全溶液法柔性低電壓OTFT器件。由于OTFT器件沒(méi)有制備額外封裝層，其裸露在空氣中的半導(dǎo)體層可以直接用來(lái)做敏感層從而實(shí)現(xiàn)OTFT傳感器件。得益于器件的低電壓工作特性和良好的空氣的穩(wěn)定性，通過(guò)和硅基讀取電路相集成，本論文成功研制了首例基于全溶液法柔性O(shè)TFT器件的應(yīng)用實(shí)例-鋰電池