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

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:jingjong
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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/cm2)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(NMH81%/NML 62%,VDD=0.5 V)和电压增益(25,VDD=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。
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