中科院長春應化所王海波Adv.Mater.：二維電子氣實現高遷移率有機晶體管

【引言】

得益于研究者們對新型有機半導體的長期探索，有機電子器件在近十年取得了重要的成就，其中一些已經成為商業化產品，比如OLED。近期研究者們通過霍爾效應和光電子能譜手段證實了有機薄膜晶體中的帶狀傳輸模型具有高的載流子遷移率，這為發展光電特性可調的有機新型電子設備創造了機會。在傳統的無機半導體領域，利用能帶工程來調節半導體器件的光電性能是一個重要的研究方向。比如結合兩種不同帶隙材料形成異質結作為電子傳輸通道的高電子遷移率晶體管，該類器件中的載流子在三角勢阱內積累形成二維電子氣，使得器件能夠在高頻下進行工作，典型的就是AlGsAs/GaAs異質結。在這基礎上進一步發展出了贗高電子遷移率晶體管，這種晶體管用低帶隙材料作為無摻雜層和勢阱層，兩層寬帶隙材料作為勢壘阻擋層，從而構建出量子阱結構，由于量子阱內的能級量子化自然而然的了形成二維電子氣，這種雙層勢壘結構更進一步的提升了載流濃度和遷移率。因此，構造量子阱來形成二維電子氣是一種重要的方法。最近，共振隧穿有機量子阱也證明，這使得利用量子化能級來實現有機二維電子氣成為可能。

【成果簡介】

近日，中國科學院長春應化所王海波教授在Adv.Mater.上發表了一篇題為“Organic High Electron Mobility Transistors Realized by 2D Electron Gas”的文章。該研究首次提出了有機二維電子氣的新概念。利用寬帶隙的有機材料p-6P作為勢壘層，窄帶隙材料有機VOPc作為勢阱層，成功將有機量子阱集成在場效應管內，使得器件的電子遷移率高達10cm²V^-1s^-1。

【圖文簡介】

圖1、p-6P沉積在VOPc襯底上的UPS譜圖

生長在VOPc襯底上的p-6P的UPS譜圖；插圖為p-6P/VOPc異質結結構根據UPS圖譜獲得的界面電子示意圖；右側面板中的橙色線，酒色線和藍色線分別代表的是VOPc、p-6P的UPS譜和擬合結果。

圖2、吸收譜和I-V曲線? ??

(a) 不同VOPc厚度的 p-6P/VOPc/p-6P薄膜的吸收譜；

(b) 不同VOPc厚度晶體管的I-V曲線；插圖為器件結構圖。

圖3、AFM和傳輸特性曲線

(a) 雙層p-6P薄膜和生長在15nmVOPc襯底上的p-6P薄膜的AFM圖像；

(b) OHJFET和OWFETs的傳輸特性曲線，V_DS=100V；

(c) QWFETs在不同溫度下的傳輸特性曲線和電子遷移率。

圖4、VOPc層的載流子分布和C-V特性

(a) QWFETs和HJFETs的VOPc層的載流子濃度分布函數；插圖為載流子濃度在器件中VOPc層的分布示意圖；

(b) 生長在Si上的量子阱器件的C-V曲線，插圖為器件的結構圖。

?圖5、QWFETs在不同偏壓下的載流自分布和工作原理示意圖

(a) V_GS=0V，費米能級遠離量子化能級，只有少許電子填充，器件處于關閉狀態；

(b) V_GS＞V_Th，費米能級接近量子化能級，有大量電子填充，二維電子氣已形成，器件處于打開狀態；

(c) V_GS?V_Th，量子化能級被填滿，三維電子運輸成為主導，導致電子的導電性和遷移率下降。

【小結】

本文提出了一種有機二維電子的新概念，制備出了有機量子阱場效應晶體管。該有機二維電子氣可以通過調節柵極電壓來控制量子阱的量子化水平，從而避免了界面散射和缺陷態，電子遷移率高達10cm²V^-1s^-1。這項工作表明了可以通過能帶工程來實現提升有機電子器件的性能。

文獻鏈接：Organic High Electron Mobility Transistors Realized by 2D?Electron Gas(Adv.Mater. ,2017,DOI: 10.1002/adma.201702427)

本文由材料人新人編輯部劉于金編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

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