有機(jī)薄膜晶體管模型建立及其集成電路設(shè)計.pdf

1、以有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)為基礎(chǔ)的有機(jī)電路以其特有的材料和工藝優(yōu)勢，正成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，以有機(jī)射頻識別標(biāo)簽(ORFID)為代表的有機(jī)集成電路將成為傳統(tǒng)硅基集成電路的有益補(bǔ)充，乃至進(jìn)一步的替代。本文基于大規(guī)模有機(jī)集成電路的EDA設(shè)計方法，建立了OTFT可用于SPICE仿真的器件模型，同時實驗制備選取性能最優(yōu)的OTFT器件，作為基礎(chǔ)器件，為其構(gòu)建器件模型，設(shè)計了一款有機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(OADC)電路，并采用HSPICE軟件完成了其功能的

2、驗證與性能的仿真，給出了最終工藝掩膜版版圖。電路仿真結(jié)果滿足預(yù)期的要求，驗證了提出OTFT模型的實用性，為大規(guī)模有機(jī)集成電路的設(shè)計，生產(chǎn)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　首先，本文為有機(jī)集成電路的基礎(chǔ)器件——OTFT，建立了可用于SPICE仿真的器件模型。OTFT器件中，載流子傳輸機(jī)制復(fù)雜，用物理方法很難對其進(jìn)行分析，因此模型基于OTFT溝道中的電流電壓傳輸特性，引入了載流子遷移率的經(jīng)驗公式及遷移率冪律參數(shù)γa來研究溝道載流子遷移率μFET

3、隨柵壓Vgs的變化趨勢及其載流子傳輸機(jī)制。此外，考慮到OTFT結(jié)構(gòu)及材料的特性，模型中引入了對其溝道電流的影響不可忽略的漏、源接觸電阻RS、RD;同時，基于溝道長度調(diào)制效應(yīng)、溝道中陷阱和表面散射所產(chǎn)生的載流子速度飽和以及泄漏電流的影響，引入了溝道長度調(diào)制系數(shù)λ、彎曲經(jīng)驗參數(shù)m、飽和調(diào)制參數(shù)αs(o)t、泄漏電流參數(shù)SIGMA0、場效應(yīng)遷移率的特征電壓Vaa等經(jīng)驗參數(shù)，建立完整的OTFT電流電壓模型，并對其提出了一種提取模型中經(jīng)驗參數(shù)的方

4、法，通過對實驗測得的OTFT器件的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，準(zhǔn)確地獲得模型中的7個經(jīng)驗參數(shù)。實驗制備了一種基于并五苯(Pentacene)的底柵頂接觸(TC)結(jié)構(gòu)的OTFT，并對其進(jìn)行參數(shù)提取，構(gòu)建其可用于SPICE仿真的器件模型，對其電流電壓特性進(jìn)行模擬，得到的仿真結(jié)果與測試結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，該OTFT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線無論在線性區(qū)還是在飽和區(qū)，仿真曲線和測試曲線都具有較強(qiáng)的一致性，驗證了建立的OTFT器件模

5、型及其參數(shù)提取方法的精確性。
　　其次，本文制備了不同物理參數(shù)，不同絕緣層材料的OTFT，通過對其性能進(jìn)行研究，確定可設(shè)計的物理參數(shù)，并為設(shè)計的有機(jī)集成電路選取性能優(yōu)良的基礎(chǔ)器件。首先，為了研究OTFT溝道寬長W/L,以及絕緣層厚度tox等物理參數(shù)對器件性能的影響，以Si為襯底，SiO2為絕緣層，Pentacene為有源層，分別制備了不同絕緣層厚度tox的OTFT，和不同溝道寬長W/L的絕緣層，通過對比提取的參數(shù)發(fā)現(xiàn)，所有OTFT

6、器件均有載流子遷移率冪率參數(shù)γa＞0，表現(xiàn)為載流子的有效遷移率隨柵壓增大而增大，這說明，制作的OTFT表現(xiàn)出與非晶硅和納米晶硅TFT相類的傳輸機(jī)制，其載流子傳輸機(jī)制中，跳躍機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位;此外，對比不同絕緣層厚度的OTFT器件發(fā)現(xiàn)，載流子遷移率μFET會隨著柵絕緣層厚度的逐漸增加而減小，說明其對絕緣層厚度tox有一定的依賴性，對比其它模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)也存在較大差異，這說明，不同絕緣層厚度的OTFT器件，其模型內(nèi)的參數(shù)值不同，因此，他們在電

7、路設(shè)計中不能夠應(yīng)用同一個OTFT器件模型，因此絕緣層厚度tox不能夠作為可設(shè)計參數(shù)。而通過對不同溝道寬長W/L OTFT提取載流子遷移率μFET等參數(shù)，并進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，它們的載流子遷移率μFET以及其他參數(shù)均差異很小，說明同種工藝，同種結(jié)構(gòu)的器件，溝道寬長W/L不同，絕緣層厚度相同時，可采用具有相同經(jīng)驗參數(shù)的同一個OTFT模型，將溝道寬長W/L作為可設(shè)計的參數(shù)，進(jìn)行器件和電路的仿真。此外，實驗制備了基于不同柵絕緣層材料的OTFT，并通過

8、提取載流子遷移率等參數(shù)對其性能進(jìn)行比較分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于PVP柵絕緣層的OTFT器件的性能最優(yōu)，因而將其選定為設(shè)計電路的基礎(chǔ)器件。
　　最后，以選取的性能較優(yōu)的基于PVP絕緣層的OTFT為基礎(chǔ)器件，并利用所提取的該器件的經(jīng)驗參數(shù)，建立其用于電路設(shè)計模擬的SPICE模型，設(shè)計了一款4位逐次逼近型(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，采用H-SPICE仿真工具對其性能進(jìn)行仿真驗證，并根據(jù)設(shè)計的電路完成了相應(yīng)的掩膜版版圖設(shè)計。設(shè)計的SAR型ADC，