柔性低压高频有机薄膜晶体管

2020-06-10 09:30发布

过去几十年来,在非传统基底上的电子应用需要低温加工方法,这推动了有机薄膜晶体管(TFT)的发展。这类应用主要需要高频开关(电子开关执行功能的速率)或在低工作电压下进行放大。然而,大多数有机TFT技术表现出有限的动态性能,除非研究人员应用高工作电压来克服其高接触电阻和大的寄生电容(即电子元件或电路中的部件或电路之间因相互接近而存在的电容)。在这项工作中,James W. Borchert和一个由德国和意大利的纳米科学、化学、量子科学和固态研究的跨学科研究人员组成的团队,提出了低压有机TFT。该器件记录了静态和动态性能,包括接触电阻小至10Ω-cm,导通/关断电流比大至10^10,以及过境频率高达21MHz。这项工作中开发的倒置共面TFT结构可以很容易地适应工业标准的印刷技术。

目前,在聚酰亚胺基板上的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)智能手机显示屏的最新趋势的推动下,柔性电子是一个年产值达200亿美元的产业。在与转型相关的诸多挑战中,科学家们必须通过低温多晶硅(LTPS)降低薄膜晶体管(TFT)技术的工艺,使其与聚酰亚胺基板兼容,同时保留TFT的特性。在这项工作中,Borchert等人展示了之前报道的一种方法开发低接触电阻的低电压有机TFT的能力,以提高静态和动态性能。

他们在柔性聚萘乙烯(PEN)片上制作了TFT和电路,用高分辨率硅网板标记来绘制所有器件层的图案。该团队将低接触电阻与小通道长度和小栅极到接触点的重叠结合起来,获得了创纪录的静态和动态性能。他们使用双端口网络分析(一个有两个终端连接到外部电路的电气网络)测量了在饱和状态下工作的单个TFT的动态性能。然后,Borchert等人测量了通道长度对传输频率的依赖性,并确定了宽度正态化接触电阻为10±2Ω-cm。这些实验特性代表了开发基于有机TFT的低功耗柔性电路的重要概念验证,可用于柔性AMOLED显示器。

该团队在柔性聚合物基底上设计了小分子有机半导体作为TFT的活性层,其通道长度为8 m,栅极到触点重叠度为4 m,通道宽度为200 m。他们确定了基于构成该器件的不同半导体的TFT的传输和输出特性。实验结果与之前的研究相似,证实了制造过程的可重现性良好。实验中,科学家们使用两种半导体材料缩写为DPh-DNTT和C10-DNTT的半导体材料形成了热稳定的薄膜晶体管(TFT)。然后,他们使用基于DPh-DNTT的TFT和基于C10-DNTT的TFT的11级环形振荡器组成的逆变器,观察了静态和动态电路特性。两种电路的尺寸完全相同,并保持了类似的偏载设计。

为了了解变频器的动态性能,Borchert等人应用频率为2 MHz、振幅为1.5、2.0或2.5 V的方波输入信号,对其进行了动态性能分析。他们检测到了2.5 V电源电压为2.5 V的最小时间常数(19和56纳秒-ns),然后总结了11级环形振荡器的结果。该团队用扫描电子显微镜对11级环形振荡器电路进行了拍照,并对其输出信号进行了测量。在小于50V的电源电压下,该设置中的信号传播延迟是迄今为止报道的最小值(1.6V的电源电压为143ns,4.4V的电源电压为79ns)。

该团队通过双端口网络分析,获得了更详细的单个TFT的动态特性信息。利用散射参数(S-参数)测量,该团队研究了有机TFT的高频特性。基于该方法,他们对薄膜晶体管进行了详细的动态特性分析,并观察到在所有的测量中,区域正态化栅极漏电电容随频率的变化而恒定。科学家们确定了传输频率,并注意到它们与通道长度的相关性,从而提取了接触电阻和固有通道移动性。

当半导体层延伸到器件边缘以外时,场效应晶体管中的寄生边缘电容效应也可能出现。因此,该团队减少了栅极到源的重叠,同时保持总栅极到触点的重叠和通道长度不变,以获得更小的总栅极电容和更高的传输频率。通过优化TFT的尺寸,科学家们获得了21 MHz的传输频率,这是迄今为止报道的柔性基板上的有机晶体管的最高值。该研究结果表明,在柔性基板上制造出具有静态和动态性能的有机TFT可以用于高频移动电子应用。这项工作的结果接近于工业标准的低温多晶硅TFT,同时使用符合现有工业标准制造工艺的TFT结构。


赞赏支持

登录 后发表评论
0条评论
还没有人评论过~