低电压印刷双极性碳纳米管薄膜晶体管及其在类CMOS电路中的应用研究

发布时间：2020-05-15 04:48

【摘要】：印刷电子技术具有低成本、与柔性衬底兼容以及大面积等特点,因而在很多领域都有潜在的应用。然而,由于可印刷材料的电子特性和印刷晶体管工艺精度的限制,印刷电路的工作电压通常较高(3 V)。本论文旨在通过使用高电容(大约几到数十μF/cm~2)的可印刷电解质材料(即离子胶)作为栅极绝缘体来实现低电压印刷电路。离子胶一般是指离子液体与三嵌段共聚物在特定溶剂中自组装形成的胶体。通常将PS-PMMA-PS溶于含有[EMI][TFSA]的乙酸乙酯溶剂中得到相应的离子胶。将这类离子胶材料(介电材料)和其他一些功能材料,例如半导体单壁碳纳米管(有源层材料)、导电纳米银墨水和纳米金墨水(栅电极材料)等,通过气溶胶打印技术就可以在柔性衬底上构建基于碳纳米管的离子胶栅控晶体管(EGT)和电路。本论文以离子胶为介电层,以印刷双极性碳纳米管薄膜晶体管为核心开展如下三项工作,论证了印刷双极性碳纳米管薄膜晶体管可以实现低电压工作和高性能逻辑门电路的应用,并且具有优异的辐射稳定性。首先,我们采用电子掺杂剂添加到离子胶墨水中的方式,通过控制离子胶墨水中电子掺杂剂的浓度实现了对器件极性和阈值电压的调节,并在浓度为2 mM时成功获得了高性能双极性晶体管,基于此,我们构建了两类类CMOS反相器电路,其中采用两个双极性晶体管构建的反相器具有良好的噪声容限(NM_H81%/NM_L 62%,V_(DD)=0.5 V)和电压增益(25,V_(DD)=0.5 V),且工作电压低至0.25V时,反相器还能够正常工作,以一个P型和双极性晶体管构建的类CMOS反相器更接近CMOS反相器的特性,表现出轨对轨的电压传输特性和更低的功耗。为进一步提升器件的稳定性,从碳纳米管的本征导电特性着手,我们提出了ALD技术结合印刷技术构建高k氧化层-离子胶复合介电层的方法来实现高性能印刷双极性碳纳米管薄膜晶体管。实验结果表明,这类双极性晶体管构建的类CMOS反相器的各项性能指标,包括电压增益、功耗和噪声容限等都优于电子掺杂方法构建的反相器。最后,考察以离子胶为介电层的器件和电路抗辐射特性。我们采用Co-60γ射线源考察了以离子胶为介电层的印刷侧栅碳纳米管薄膜晶体管和电路在γ射线辐射后电性能的变化情况。结果表明,以离子胶作为介电层的印刷碳纳米管薄膜晶体管和电路在辐射环境下非常稳定。在高剂量率下(560 rad/s),印刷碳纳米管薄膜晶体管和电路均能在承受4 Mrad的总辐射剂量照射后保持正常工作;对于以高k氧化层-离子胶为复合介电层的晶体管和反相器电路,在经过3 Mrad的总辐射剂量照射后电性能基本没有变化。
【图文】：

印刷技术,微纳米,加工技术

除此之外，印刷制造相比传统工艺更加绿色环保。一方面，增材制造本身减少了原材料浪费和因腐蚀而形成的污染排放；另一方面，印刷本身大多没有高温工艺环节，，这样也能实现节能减排。图1.1a和1.1b说明了传统平面微纳米加工与印刷加工的区别[1,2]。总之，大面积、柔性化、个性化、低成本、绿色环保是印刷电子制造区别于传统电子制造的主要特征，也是印刷电子技术近年来蓬勃兴起的重要原因。人类利用印刷术进行生产具有很悠久的历史，但是印刷电子技术的快速发展到目前为止只有十年左右的历史，主要是因为早期对印刷电子材料的开发进展缓慢。20 世纪 70 年代兴起了对有机半导体材料的研究，由此催生了有机电子学。人们对于有机电子学的兴趣源于聚合物材料可溶液化的特性，聚合物半导体材料的可溶液化特性使得利用印刷电子技术批量化的制备有机电子器件成为可能。遗憾的是，印刷技术迄今也没有成为制造有机电子器件的主流技术，主要因为溶液态的有机电子材料的电荷迁移率（charge carrier mobility

原理图,连续喷墨,原理图,墨滴

低电压印刷双极性碳纳米管薄膜晶体管及其在类 CMOS 电路中的应用研究两类。其中连续喷墨的基本原理如图 1.2 所示，墨水在压电晶下从喷孔依靠高频喷出连续性的墨滴，该操作在分离为单个墨墨带电。之后在图文信息的控制下，墨滴通过偏转器（可使墨后以一个很高的速度喷射至目标衬底表面，从而形成所需要的要低粘度油墨（约 10 mN·s-1），因此通常使用金属纳米颗粒油
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5;TB383.1

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