Nature：具有極高和極低功函數的摻雜高分子半導體在歐姆接觸中的應用

【引言】

在制作高性能半導體器件的過程中，需要通過電極和半導體層間良好的歐姆接觸注入最大的電流密度。要得到歐姆接觸，就要求電極分別通過空穴和電子的注入得到高和低的功函數，這里所說的功函數，就是將電子從費米能級轉移到真空環境中所需的最小能量。然而，要得到具有足夠高或低功函數的導電層是極具挑戰的，尤其是對基于溶液法的半導體器件。空穴注入的聚合物有機半導體具有有限但極高的功函數，不過制備具有極低功函數的電子注入材料還是很困難的。其中的關鍵問題就是去摻雜薄膜層的穩定以及抑制摻雜離子的遷移。

【成果簡介】

近日，來自新加坡國立大學的Cindy G.Tang, Mervin C. Y. Ang, Kim-Kian Choo（共同通訊）在Nature上報道了一種通用的思路來達到去摻雜薄膜層的穩定并抑制摻雜離子的遷移。通過共軛聚合物電解質的電荷摻雜得到了基于溶液法的摻雜薄膜，其具有較寬的功函數（3.0-5.8 eV），并且，摻雜薄膜由于內部的離子交換形成了自補償的重摻雜聚合物。聚合物骨架上的移動載流子因為共價連接的反離子而得到補償。自補償的摻雜聚合物僅僅在表面上像是自摻雜聚合物，其原因就在于摻雜電荷載流子的分離和自補償，這使得可以通過使用更強的摻雜劑得到極高或極低的功函數。

實驗表明，基于溶液法的歐姆接觸可以用于高效有機發光二極管、太陽能電池、光電二極管和晶體管，此外，還可應用在全載流子歐姆注入的聚芴中（一種寬禁帶的藍光聚合物有機半導體發光二極管基準物質）。此外，通過摻雜的聚合電解質作用，金屬電極可以轉變為高效的空穴或電子注入接觸，這就使得雙極場效應晶體管轉變為p-溝道或n-溝道晶體管成為可能。這種研究方法不僅可以在有機半導體中形成歐姆接觸，也可應用于其他半導體材料中，比如鈣鈦礦、量子點、納米管以及二維材料。

【圖文導讀】

圖1 自補償摻雜有機聚合物半導體中通過固定反離子達到摻雜物的穩定

（a）自補償的p型（上）和n型（下）聚合物有機半導體

（b）自補償的空穴摻雜有機半導體層（OSC-1）和相鄰的有機半導體層中摻雜劑的穩定示意圖

（c）自補償的空穴摻雜有機半導體層（OSC-1）和相鄰的有機半導體層中摻雜劑的穩定實驗數據

圖2 歐姆電荷注入和電荷收集特性

（a）具有170nm厚PFOP層的空穴二極管(ITO/HIL/PFOP/MoO3)的電流密度-電壓（J-V）特性曲線

（b）具有120nm厚PFOP層的電子二極管(ITO/PEDT:PSSCs/PFOP/EIL)的電流密度-電壓（J-V）特性曲線

（c）具有110nm厚DPPT2-TT層的電子二極(ITO/PEDT:PSSH/DPPT2-TT/EIL)的電流密度-電壓（J-V）特性曲線

（d）具有90nm厚PBDTTPD:PCBM層的電子二極管(ITO/HCL/PBDTTPD:PCBM/Ca)的電流密度-電壓（J-V）特性曲線

圖3 具有極高和極低功函數電荷注入層的藍光二極管

（a）具有90nm厚PFOP層的發光二極管(ITO/HIL/PFOP/EIL)的電流密度-電壓（J-V）特性曲線和發光強度-電壓（L-V）特性曲線

（b）上述發光二極管的發光效率-電壓曲線

圖4 具有極高和極低功函數夾層的不同電極間的區別

（a）場效應晶體管（FET）的結構示意圖

（b）轉移特性的線性曲線

（c）轉移特性的半對數曲線

（d）互補金屬-絕緣體-半導體逆變器的結構圖、光學照片及其特性曲線

文獻鏈接：Doped polymer semiconductors with ultrahigh and ultralow work functions for ohmic contacts (Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature20133)

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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