垂直堆叠结构的有机晶体管高密度互补集成

advs121-gra-0001-m有机场效应晶体管(organic field effect transistor, OFET)可以应用到低成本逻辑电路、传感等诸多领域。为了构建复杂的集成电路,需要基本的逻辑门具备低静态功耗、较宽的噪声容限以及较高的操作稳定性。在传统的硅基微电子技术中,这些要求是通过由p型MOS管和n型MOS管所构建的互补式晶体管(CMOS)实现的。当然,同样可以借鉴这种思路来发展互补式OFET电路。然而,由于可溶液法加工的高性能n型有机半导体材料的迁移率比高性能p型有机半导体材料的迁移率要低,n型OFET的性能通常要弱于相同条件加工出的p型OFET。为提高互补式OFET电路的噪声容限,就需要从结构设计上进行优化以让两种晶体管的性能实现最佳匹配。根据晶体管理论,单一器件的电流-电压关系主要由栅绝缘层电容、沟道宽长比、阈值电压等参数决定。由于沟道宽长参数在工艺上是可调的,因而它被广泛采用到结构设计中来。比如早期报道的关于互补式OFET电路的研究工作就是采用的这种策略。这是由于互补式OFET电路采用的是平面二维结构,即将p型OFET和n型OFET制作在同一衬底上,n型器件和p型器件需要共用同一栅绝缘层,也就是说它们具有同样的栅绝缘层电容,因而噪声容限性能的改善只能通过调控沟道的宽长比来实现。不过,性能的改善是以牺牲器件面积来实现的,限制了器件的高密度集成化。

最近,韩国浦项工科大学的研究人员报道了一种垂直堆叠结构的互补有机晶体管。在这种结构中,采用底栅结构的p型OFET被制造在另一采用顶栅结构的n型OFET上面,两者共用同一栅电极。与平面二维结构互补式OFET电路最大的区别在于,这种结构突破了必须采用同一栅绝缘层的限制,因而可以独立的调控两种晶体管的栅电容。这为优化晶体管增加了一个设计维度,可以在苛刻的器件沟道宽长比限制下,通过对某一类型的OFET栅绝缘层电容的调控以实现高性能互补式OFET电路而不会额外增加器件尺寸。同时,叠层结构器件本身与平面结构器件相比具有天然的面积优势,对于高密度器件集成很具吸引力。基于这种思路,他们将互补式OFET电路的噪声容限从7.1 V提高到8 V,器件的最高增益达到10.7 V/V左右。在此结构基础上,他们还引入喷墨电极技术以实现互补式OFET电路中器件间的可靠互联,成功制造出逻辑电路所需的两种通用逻辑门,即与或门(NOR)和与非门(NAND)。该技术有望为大面积互补式逻辑电路制造带来更高的集成密度,简化互联路径并提高良率。

相关论文发表在 Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201500439)上。

郭 小军 About 郭 小军

研究员,上海交通大学。目前的主要研究兴趣包括:1)薄膜晶体管器件与电路;2)大面积电子与微电子的混合集成系统;3)印刷电子与集成,以发展柔性显示与智能传感系统的应用。更多信息请访问:http://comd.sjtu.edu.cn/?q=node/59