经验案例

全打印有机薄膜晶体管(OTFT)

发表日期:2021-12-17阅读量:695
1、器件简单介绍
OFET(Organic Field Effect Transistor), 即有机场效应晶体管,又常被称为OTFT(Organic Thin Film Transistor,有机薄膜晶体管)。和传统场效应晶体管不同的是,OFET所使用的半导体材料为有机化合物或高分子材料。
 
第一个晶体管于1947年在美国贝尔实验室被研制出来,其半导体材料为无机锗材料。此后,硅晶体管也被研制出来,硅是地壳中含量第二多的元素,晶体管的成本进一步降低。由于其独有的电子学特性,晶体管取代了电子管,成为了计算机处理器等器件的基础电子元件。伴随的技术的进步,晶体管的尺寸一再降低,目前,晶体管的制程已下降到纳米级别。晶体管作为个人计算机、移动通讯设备、显示器等电器重要组成部分,在生活中发挥越来越重要的作用。
 
基于硅材料的晶体管器件有着优异的性能,但伴随着生活的发展,其不足之处也开始浮现,例如,硅晶体管器件制备工艺极其复杂,其工艺仅掌握在若干家公司手中;同时,由于硅材料为刚性材料,不能形成柔性器件,其应用范围受到限制。
 
1975年,日本科学家白川英树等人首次发现了导电聚合物高分子,并因此获得了诺贝尔化学奖。从此诞生了一门新的学科:有机电子学。做为有机电子学中最重要的器件之一,OFET一开始就受到了广泛的关注。1983年,聚乙炔被发现具有场效应半导体特性,1988年,第一个可溶性有机半导体聚合物聚3-己基噻吩(Poly(3-hexylthiophene),P3HT)被应用于OFET。
 
OFET具有通过外加电压控制回路电流的功能。在OFET器件上施加不同的电压可改变其导电状态,实现器件的“开”与“关”功能。和硅基场效应晶体管类似,OFET根据其导电载流子的类型主要分为P型与N型两种器件。
 
和传统晶体管相比,OFET具有以下特点:一、有机半导体材料合成工艺简单,可快速得到各种结构有机半导体分子或者聚合物,实现其特定的功能。二、OFET制备工艺较为简单,常用的方法是溶液法,印刷方式是有望大面积、低成本制备OFET器件的有效方式。三、柔性,以柔性材料为基底制备OFET,可实现电子器件的柔性化。
 
目前,OFET的性能还不能达到硅基器件的水平,以其完全取代硅基器件也许还有很长的路要走,但以现在的水平来看,利用OFET实现全柔性显示以及智能可穿戴设备指日可待。
 

2、器件制备过程

有机薄膜晶体管基础元器件在印刷行业中可以采用四种结构,基本组成为:栅极、介电层、源漏电极、半导体层这四层结构。如下图所示:

图一:全印刷有机薄膜晶体管结构

 

了解OFET的基本结构后,采用BitsAssembler软件绘制图形,在绘制图形的同时,选择对应该层图形的材料(如图一中所述每一层对应的墨水)以及该材料的后处理方式(比如:加热、UV光照,红外烧结等),并且可以控制每一层图案的面积以及厚度等多种参数。

 
关于怎么打印的问题。前面提到过,完成设计图的同时,也就意味着每一层材料的选择和对应的后处理程序都已经选择完毕,接下来要做的其实仅仅是点击打印按键就可以了。打印机会自动帮你采用不同过的墨水进行不同层的打印,以及选择相应的方式对每一层薄膜进行后处理。
 

在软件里绘制出每一层的结构图,(以BGBC结构为例,图形仅供参考,可自行设计);

图2 栅极和介电层设计图

图3 源-漏电极设计图

(两边矩形是预留给测试探针的区域)

图4 加上半导体层后的整个器件结构图

在此详细介绍一下每一层所需的材料(每一层选取一种材料为例)以及该材料对应的后处理参数:
 
Gate:选取BASE-CP12墨水,它的后处理方式为120摄氏度加热,时间为30min。
Dielectric:选取LOGI-DT15A墨水,它的后处理方式为120摄氏度加热,时间为45min。
Source/Drain Electrodes:选取BASE-CP12墨水,它的后处理方式为150摄氏度加热,时间为90min。
Semiconductor:选取LOGI-SP08S墨水,它的后处理方式为底板100摄氏度加热,时间为30分钟。(半导体层打印前需要先将底部结构中的源漏电极进行化学修饰,减少由于电极材料和半导体材料功函数的不匹配造成的肖特基势垒。)
 

设计图画完之后,直接打印!就能得到你想要的OFET了。

图5 全打印的OFET阵列

 

3、器件性能和结果

OTFT迁移率和开关电流比是其两个重要的参数:晶体管的迁移率越大,实际运作速度越快;开关电流比越大,所驱动的器件的对比度越好。
 
通过全打印制备的有机薄膜晶体管,目前源漏电极之间沟道的间距在50微米左右,最小可以达到20微米,介电层厚度在600纳米左右。
 

全打印有机薄膜晶体管的性能曲线如下图所示:

 

4、应用前景

OLED以其优异的性能,成为了新一代显示器的主打技术。晶体管是有源矩阵有机发光二极体(Active Matrix Organic Light Emitting Diode , AMOLED)的重要组成部分(下图是“2T1C”AMOLED的结构示意图),常见AMOLED的TFT面板制备技术为LTPS(低温多晶硅技术,Low Temperature Poly-silicon)等,制备的器件由于材料本身的限制,实现柔性化LTPS-AMOLED的价格昂贵,同时,LTPS等技术依然需要较高的处理温度,普通的柔性基底难以承受。以印刷的方式在柔性基底上制备OLED和OFET器件将是实现全柔性发光的可靠途径。

同时,晶体管是中央处理器(Central Processing Unit,CPU)的结构基础,目前,一片CPU上已有数十亿的晶体管。这些晶体管是实现CPU功能的基础。通过特定晶体管的电极连接,可形成各种逻辑门(下图右所示为部分逻辑门符合),包括:非门(NOT)、与门(AND)、或门(OR)、与非门(NAND,下图左为晶体管构筑与非门)、或非门(NOR)等,这些逻辑门实现对“0”和“1”(高电平与低电平)的运算,同时,晶体管也可构筑如环形振荡器等器件。

 

逻辑门与晶体管通过特定的组合,可构筑组合逻辑电路(包括算数运算电路、编码器、译码器等),和时序逻辑电路(包括计数器、寄存器、顺序脉冲发生器)。通过这些逻辑电路与逻辑门的组合,可最终组合成具有特定运算功能的集成电路。受硅基材料制备工艺与成本的限制,传统的集成电路必须大批量生产方能有效控制成本。但随着物联网时代的到来,人们对个性化集成电路的需求更加迫切。而以OFET为结构基础,通过印刷等方式可定制化制备具有特定功能的集成电路,成本也将更低,是实现物联网万物互联及电子器件柔性化的有望途径。

 
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