香港大學Advanced Materials：利用有機半導體單分子層單晶實現超低接觸電阻

香港大學機械工程系陳國樑教授團隊，最近在降低有機場效應晶體管接觸電阻（R_c）方面的研究工作取得了突破性進展。該工作發現有機半導體的單分子層單晶是理想的晶體管活性層材料，兼具高遷移率和低接觸電阻的特性。該研究為實現有機電子器件的小型化、高速化、集成化等，提供了理論依據和實踐基礎。

該研究成果以“Crystallized Monolayer Semiconductor for Ohmic Contact Resistance, High Intrinsic Gain, and High Current Density”發表在《Advanced Materials》上，其中彭博宇博士為該文的第一作者，工作同時獲得了香港城市大學機械工程系陸洋教授和曹可博士的大力支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002281

近年來，晶態有機半導體材料的遷移率已經達到10 cm²V^-1s^-1，超越了傳統的無定型硅（a-Si:H）材料。然而，有機場效應晶體管動輒kΩ·cm級別的接觸電阻，極大制約了有機半導體器件向集成化應用的發展。特別地，在Staggered型晶體管中，電荷注入界面與電荷傳輸界面的距離通常在幾十至幾百納米之間（取決于半導體層的厚度），這個傳輸距離大幅增加載流子注入的難度，是造成接觸電阻的一個重要因素。如果電荷注入界面與電荷傳輸界面的距離能夠縮短，甚至消除，將能大幅降低接觸電阻，提升器件的表觀遷移率和綜合電學表現。

單分子層單晶半導體在二維傳輸方向上具備高度有序的結構，具有理論上的最薄厚度。電荷的注入和傳輸可以實現無縫銜接，由此導致的接觸電阻也將最大限度降低。然而，近年來有關單分子層晶體的報道，其電學性能甚至往往低于同種材料的厚層晶體，學界對此尚且沒有一個明確的共識。

為了探究上述問題，作者團隊使用溶液剪切法制備了高質量的大面積C₁₀-DNTT單分子層單晶，利用傳輸線法（transfer?length method）深入研究了器件的電荷注入特性。研究發現，傳統熱蒸鍍電極導致的熱損傷，足以破壞單分子層半導體的結構，反而造成了更大的電荷注入壁壘，也是造成單分子層晶體器件性能劣化的主要因素。通過轉移金電極的方法，可以有效避免上述熱損傷，從而獲知單分子層單晶的本征性能。從截面透射電鏡的結果可以看出，蒸鍍法金電極破壞了單分子層單晶的結構（圖1b），而轉移法金電極與單分子層單晶形成了無損而緊密的接觸（圖1c）。

圖1. 單分子層單晶的X射線反射和截面TEM研究。

基于單分子層單晶和轉移法電極的場效應晶體管器件，無需經過界面摻雜、增加電荷注入層等改善步驟，接觸電阻即可低至40 Ω·cm。同時，接觸電阻與測試溫度和源漏電壓之間沒有明顯的相關性，說明了電荷注入表現出歐姆接觸的特性，這在有機場效應晶體管中尤為罕見。更重要的是，單分子層單晶的本征遷移率與同種材料的厚層晶體一致。也就是說，高度有序的單層有機半導體分子，足以在場效應晶體管中勝任電荷傳輸的任務。此外，基于單分子層單晶的晶體管，還表現出高達500的本征增益，以及高達4.2μA/μm的電流密度。

圖2.?單分子層和雙分子層單晶的接觸電阻

上述發現對于指導有機電子器件的結構設計、提高有機半導體材料的利用率、以及推動有機電子器件的實用化具有重要意義。

本文由作者供稿。