利用微喷墨技术研究溶液处理垂直堆叠互补有机电路

浦项科技大学创意IT工程系Jae-Joon Kim和Sungjune Jung教授研究团队报告了具有高静态噪声容限 (SNM) 的溶液处理垂直堆叠互补有机场效应晶体管 (FET) 的制造和测量。他们使用具有晶体管上晶体管结构的理想平衡反相器，展示了通过喷墨打印（MicroFab 高精度喷墨打印系统 Jetlab®Ⅱ）路由的通用逻辑门的第一个例子。VS-COFET逆变器显示出可靠的输出曲线，平均电压增益为10.*V/V，并具有宽工作电压（*至*0V）。

该报告主要介绍研究了有机互补逻辑电路基于两个垂直堆叠的OFET。如下图所示，底栅顶接触PFET堆叠在顶栅底接触NFET的顶部以形成互补晶体管。两个晶体管共享一个栅电极，这使得制造更简单，而无需为另一个栅极增加额外的步骤。这种共享栅极的晶体管上晶体管结构非常适合实现通用逻辑电路，因为NAND和NOR有两对互补晶体管，它们的栅极是相连的。

▲ a) *D示意图，b) 垂直堆叠互补场效应晶体管 (VS-COFET) 的横截面示意图

具有高噪声容限的溶液处理垂直堆叠互补有机场效应晶体管（VS-COFET）总共由八层组成，包括热蒸发金属电极、溶液处理的互补有机半导体和溶液处理的介电膜。研究团队发现选择栅极介电材料对于通过溶液工艺垂直堆叠两个晶体管至关重要。他们为PFET沉积了聚（4-乙烯基苯酚）和聚（三聚氰胺-共聚甲醛）（PVP:PMF）的热交联混合物，以及用于NFET的无定形含氟聚合物（Cytop）和PVP:PMF的组合。TIPS-并五苯和PVP:PMF以及P（NDI2OD-T2）和Cytop的组合在其他研究中显示出良好的电气性能。

使用对称匹配的PFET和NFET，研究团队制造了带有喷墨打印布线的逻辑电路。为此目的，打印具有添加剂的高导电性聚（*,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT：PSS）。VS-COFET逆变器的漏电极通过打印的线互连，如下图所示。打印的线的制备方式是在MicroFab的高分辨率喷墨打印系统Jetlab®Ⅱ上将配制的墨水以液滴的方式落在底板上，最终在底板上沉积形成导电线。所使用的是由MicroFab提供的40μm喷头。最终打印的PEDOT:PSS线的宽度约为**0μm，长度约为2.*mm。从下图b的I-V曲线斜率可知A和B节点之间的电阻为4**.4Ω并且单位面积的薄层电阻约为60Ω。由于逆变器的静态电流相对较低（1μA），因此在逆变器运行期间观察到的电压降可以忽略不计（*00μV）。如下图c所示，喷墨路由逆变器显示出与外部连接逆变器几乎相同的直流操作，外部连接逆变器的漏极节点被探针台短路。

▲ a) 具有喷墨打印布线的VS-COFET逆变器（虚线区域）。b)喷墨打印线的I-V曲线和薄层电阻。c) 外部连接逆变器和喷墨路由逆变器之间的比较。喷墨打印线电阻的影响可以忽略不计。

最后，通用逻辑门的配置是通过相同的路由技术获得的。两对VS-COFET（四个晶体管）用于构建每个通用逻辑电路。下图a、b显示了2输入NAND和2输入NOR与导线互连的电路原理图和图像。电路原理图显示了器件结构和喷墨布线。逻辑电路的动态测量结果示于下图c、d。基于VS-COFET和喷墨打印线的NAND和NOR门都显示出正确的逻辑操作。

▲ a,b) 与导线互连的2输入NAND和2输入NOR的电路原理图和图像。c,d) NAND和NOR电路的动态测量结果。

参考文献：

[1] Jimin K, Sujeong K,Sejung Y, et al. Solution-Processed Vertically Stacked Complementary Organic Circuits with Inkjet-Printed Routing[J]. Advanced Science, 201*.

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