Adv. Mater. 平面有機場效應晶體管 邁向下一代有機電子的關鍵一步

【成果簡介】
有機場效應晶體管（OFETs）是即將到來的低成本、環境友好型柔性電子器件的核心組成部分。共軛聚合物因其可溶液加工性、天然柔軟及優異的雙極性性能證明了其用于OFET的巨大潛力。最近已有報道，聚合物有機場效應晶體管的遷移率超過50cm2V-1s-1,幾乎無障礙、類導帶的電荷傳輸，而這之前被認為只有單晶或多晶小分子能夠實現。

高性能聚合物OFETs通常采用頂柵結構，電荷在聚合物薄膜的最上層傳輸（圖1a）。在采用頂柵結構的條件下，為確保電子和空穴的有效注入用于雙極性電荷傳輸，必須采用分離的底部接觸，而這會導致某些問題，如產生接觸附近的缺陷，惡化性能、穩定性和均勻性，還需采用額外的工藝來連接下面的源極/漏極（S/D）。為什么不采用硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（Si MOSFETs）中的頂觸式方案呢？這主要是因為常規的頂觸式頂柵結構的聚合物OFETs由于其極差的電荷注入而無法工作。在Si MOSFETs中，作為平面工藝一部分的選擇性接觸摻雜自Si MOSFETs發明以來就有應用，用來產生歐姆接觸。選擇性接觸摻雜對實現平面聚合物OFETs至關重要。

近日，韓國東國大學Yong Xu(第一作者)、Yong-Young Noh(通信作者)和華東師范大學李文武研究員(通信作者)等提出一種可靠的高性能平面聚合物OFETs方案，利用FeCl3化學p型摻雜劑實現與三種最先進的有機半導體（DPPT-TT,PDFDT,CNTVT-SVS）的平面歐姆接觸。研究發現此聚合物OFETs展現出理想的p型場效應晶體管的特性，與傳統的聚合物OFETs相比擁有無與倫比的性能（圖1c,d）。

【圖文導讀】
圖一 ?傳統和平面聚合物OFETs的比較

(a,b) 傳統和平面聚合物晶體管器件的結構示意圖
(c,d) 傳統（左，通道長度60um）和平面（右，通道長度100um）DPPT-TT OFETs的典型轉移特性（ID-VG特性）。注：飽和態下繪制漏極電流的平方根用于計算遷移率和閥值電壓，c中亮暗背景分別代表雙極性和單極性區，d中白背景、暗背景分別表示耗盡區和積累區，c中插圖闡明DPPT-TT的分子結構。

圖二 ?傳統和平面聚合物OFETs工作原理的理解

p型摻雜接觸增強了空穴注入，阻礙了電子注入，產生單極性傳輸，表現出理想的p型場效應晶體管特征。

(a,b) 分別是傳統和平面聚合物OFETs雙極性和單極性電荷積累的示意圖
Qi,p,Qi,n分別代表單位通道面積的空穴和電子密度
(c,d) 分別是傳統和平面聚合物OFETs雙極性和單極性電荷注入的示意圖
Φp,Φn分別代表空穴和電子注入的肖特基勢壘。

圖三 ?傳統和平面聚合物OFETs的亞閥值特性

平面聚合物OFETs用于低電壓、低功耗電池供能的便攜設備的潛力巨大

(a) 傳統和平面DPPT-TT OFETs的亞閥值斜率比較，其中虛線表明室溫下的理論極限
(b) DPPT-TT晶體管的轉移特性曲線表明其小亞閥值斜率SS=85mV dec-1（該值越小，工作速度越快）

圖四 ?三種有機半導體的UPS和XPS分析（測量費米勢、說明界面發生的情況）

(a) 5nm FeCl3摻雜的聚合物和純凈聚合物的UPS譜圖
(b) 頂部沉積5nm FeCl3的三種聚合物和純凈FeCl3的Fe 2p XPS譜圖
(c) 三種聚合物有無5nm FeCl3摻雜的O 1s XPS譜圖
點狀線代表純凈聚合物，實線代表摻雜聚合物

【小結】
研究者提出了一種平面處理基于共聚物的有機場效應晶體管的方案。源/漏極，頂部柵極和活躍溝道的制造都在聚合物薄膜的頂部表面，通過FeCl3 p型摻雜劑的選擇性接觸摻雜實現平面歐姆接觸。這些新型的平面聚合物OFETs表現出理想的p型場效應晶體管的特性，擁有無與倫比的性能。初步闡明了雙極性OFETs的工作原理，及FeCl3的化學摻雜對聚合物是通用的。因此，此研究結果朝實現下一代有機電子邁出重要一步。

文獻鏈接：Planar-Processed Polymer Transistors （Adv. Mater. ，2016，DOI：10.1002/adma.201601589）

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