基于印刷碳纳米管和金属氧化物薄膜晶体管的杂化CMOS反相器的构建及电性能研究

发布时间：2020-06-01 05:21

【摘要】：构建低功耗、高抗噪的印刷互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)反相器是实现印刷逻辑门和大规模集成电路的实际应用的关键。与传统的制备薄膜晶体管(TFT)和CMOS反相器的微纳加工工艺相比,印刷可以直接图案化沉积,具有成本低、材料利用率高、可柔性化以及可大面积制备器件阵列等优势。然而,由于p型和n型薄膜晶体管(TFT)性能不太匹配,目前印刷制备的CMOS反相器的性能仍不太理想。鉴于此,本论文重点研究了基于喷墨印刷n型氧化物TFT和p型碳纳米管TFT的低工作电压杂化CMOS反相器的制备。本论文首先通过调整栅介电层材料及其厚度以及金属氧化物墨水组成等来优化n型金属氧化物TFT的性能。当栅介电层为50 nm HfO2,以摩尔比为1:1(In:Zn)的IZO为有源层时,氧化物TFT具有最优的性能。采用小管径单手性的(9,8)SWCNT制备了p型的碳纳米管TFT,在VGS=-1 V～3 V时与n型的IZO TFT具有相似的电学性能。在相对较低的退火温度(300℃)下,由两者构建的杂化CMOS反相器显示出良好的性能,如在Vdd=2 V时,电压增益高达45,静态功耗仅为0.4 μW,在1/2 Vdd时噪声容限约为83%,并具有良好的均一性。另外以离子胶为介电层构建出低电压的氧化物和碳纳米管TFT器件,并构建出杂化CMOS反相器。通过优化墨水配比、打印次数、退火温度等获得了工作电压1 V,迁移率为6 cm2 V-1 s-1的IO TFT;优化侧栅与离子胶的接触面积,获得了工作电压1 V,迁移率为4 cm2 V-1 s-1的p型碳纳米管TFT器件。在此基础上,首次印刷制备出了以离子胶为介电层基于n型的IO TFT和p型的碳纳米管TFT的杂化CMOS反相器,反相器在小于1 V的工作电压下具有较好的性能。
【图文】：

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逦ＩＢｔ逡逑ｉ逡逑图１．３邋ＤＭＰ－２８３１喷墨打印机逡逑通常，喷墨打印机的分辨率约为２０邋＂ｍ，使用合适的墨水可将其提高到４００逡逑ｎｍ。影响其分辨率的主要因素包括油墨的配方、基底和喷嘴的温度以及喷嘴直逡逑径等。如图１．４邋（ａ）为油墨从喷嘴喷出到在基底干燥，形成“咖啡环”图案的过逡逑程。“咖啡环”效应主要是由油墨内部液体向外流动和接触线的钉扎引起的，如逡逑图１．４邋（ｂ）所示［３４，３５］，对于制备均匀致密的薄膜是不利的。可以通过以下方法抑逡逑制“咖啡环”的形成：逡逑（１）

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逦、逡逑＼一油墨转移到基底逦Ｕ逡逑图１．６邋（ａ）孔版印刷流程示意图ｔ４６］邋（ｂ）凹版印刷流程示意图［５１］逡逑４．凹版印刷（Ｇｒａｖｕｒｅ邋ｐｒｉｎｔｉｎｇ）逡逑凹版印刷是包含以下三个过程（如图丨．６邋（ｂ）所示）的印刷方式：（１）首先逡逑将印版上涂覆上油墨；（２）使用刮墨刀刮掉多余的油墨，印版上仅凹陷部分留有逡逑油墨；（３）将油墨转移到基底上形成图案［５１］。凹版印刷的工作原理与孔版印刷逡逑类似，主要区别是孔版印刷直接将油墨与基底接触后刮涂，而凹版印刷则是先将逡逑油墨在凹槽内刮涂后转印于承载物。凹版印刷对印刷版要求比较高，导致其制作逡逑成本较高，一般仅限于大批量、高质量的产品印刷。但凹版印刷对油墨选择性较逡逑低，可以印刷含有大颗粒、粘度较低的油墨，同时印刷原理和机械结构简单，较逡逑容易实现高速生产，可以通过调节图案中各部分的厚度来表现丰富的图案层次，逡逑在印刷电子领域具有有较大的应用优势。逡逑５？柔版印刷（Ｆｌｅｘｏｇｒａｐｈｉｃ邋Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）逡逑柔版印刷是利用柔性聚合物作为印版的复制型印刷技术，其主要由柔性印版、逡逑网纹辊以及供墨系统等。与凹版印刷相反
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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