Nature：有機雙極晶體管

菜心 1年前 (2022-06-25) 1803瀏覽

【導讀】

在適用于薄膜電子學的材料系統中，有機半導體特別受關注。 低成本、與碳基材料的生物相容性以及可通過蒸發或印刷等簡單技術實現沉積等特性使有機半導體器件能廣泛用于電子產品中，例如，人體或衣服和包裝上的電子產品。

1986年首次報道了有機場效應晶體管（FET），然而，較低的截止頻率限制了其應用范圍，這主要源自其較低的載流子遷移率。而減少晶體管內溝道長度是提高器件運行速度的有效策略，這在FET和其他原型器件如有機滲透基晶體管中都有所體現。然而，接觸電阻和重疊電容等因素又限制了工作頻率的進一步提高。

雙極晶體管是一種同時提供低電容和接觸電阻的器件。雙極晶體管擁有比同類場效應器件高得多的運行速度，盡管它們在小型化和工藝集成方面存在缺點。然而，有機雙極晶體管（OBJTs）尚未實現，主要是因為它們依賴于少數載流子通過薄而精確的摻雜基層的擴散。這要求材料具有足夠高的遷移率，以使空穴和電子達到平衡傳輸。同時要求基層在確定的電位下保持足夠薄，以允許發射極-集電極電流控制。此外，到目前為止，有機半導體（OSC）材料中的少數載流子擴散長度仍未被探明。

【成果掠影】

近日，德累斯頓工業大學的Karl Leo教授等研究者報道了一種具有優異性能的有機雙極晶體管。該有機雙極晶體管由n型和p型摻雜的高結晶性的Rubrene薄膜晶體構成，具有（超過100倍的）高差分放大率和優越的高頻性能。同時，雙極晶體管的研究還揭示了有機半導體中少數載流子的擴散長度。該研究結果為具有更快的開關速度的高性能有機電子產品的新器件的研發提供了基礎。研究成果以題為“Organic bipolar transistors”發布在國際著名期刊Nature上。

【核心創新點】

（1）實驗證明了基于結晶性Rubrene薄膜的OBJTs為實現千兆赫茲有機電子提供了一條有希望的途徑。

（2）數值模擬闡明了晶體管的工作原理并提出了進一步優化的路線。

（3）對器件運行的仔細分析使得可以直接測量任何有機半導體中少數載流子的擴散長度。

【數據概覽】

圖1 OBJT的運行：a.OBJT的垂直堆棧配置；b. OBJT中的有源和寄生電流以及橫向幾何參數的定義；c. 偏振顯微鏡下的OBJT器件；d. 在基底電極頂部沉積阻擋層的OBJT器件的傳輸特性曲線；e. （d）中器件的相應差分放大率；f. OBJT的等效電路；g. 基底電極頂部無阻擋層的OBJT器件的傳輸特性曲線；h. 在不同的偏壓條件和不同的測量頻率下，單個基于Rubrene的引腳（輸入）二極管的絕對電容和面積歸一化電容（有效面積為100?×?100?μm2）；i. 從跨導率估算過渡頻率；? Springer Nature

圖2 OBJT器件運行的TCAD模擬：a. 仿真結果與基于圖1g的實驗結果的比較，模擬結果和測量結果一致。對模擬進行了調整，以分別再現發射極-集電極和發射極-基極（插圖）的IV特性；b. TCAD模擬給出的OBJT示例配置的幾何形狀和電流密度分布。c. 在VBE= VCE=-3V時，相鄰基極之間不同距離的橫向內部電場的場強。d. 不同基極寬度下的最大差分放大率的模擬e. 假設基極末端和發射極前端之間存在橫向偏移時的最大差分放大率模擬f. 不同相鄰基極間距下的最大差分放大率模擬（每組模擬中所有其他參數保持不變） ? Springer Nature

圖3 OBJTs的厚度和摻雜濃度：a. 不同基底層厚度下OBJT的差分放大率；b. 不同 (W2(hpp)4)摻雜濃度下OBJT的差分放大率；c,d. 不同OBJT電極設計的光學顯微鏡圖像（c）和相應的裝置差分放大率曲線（d）；e. 歸一化差分放大率與有效基極寬度和摻雜情況的關系 ? Springer Nature

【成果啟示】

綜上所述，本文展示了一個功能性的有機雙極性晶體管，填補了有機晶體管路線圖上缺失的一部分。文中的有機雙極性晶體管由P型和N型摻雜的高度結晶的Rubrene薄膜晶體構成，具有高差分放大率和優越的高頻性能。

此外，如少數載流子的擴散長度，估計Rubrene晶體的摻雜濃度為5wt%時約為50nm。本文結果為下一代高性能有機電子器件鋪平了道路，同時為理解高遷移率有機半導體中的載流子擴散機制提供了一個工具。

 

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04837-4

分享到