香港大学Advanced Materials：利用有机半导体单分子层单晶实现超低接触电阻

香港大学机械工程系陈国樑教授团队，最近在降低有机场效应晶体管接触电阻（R_c）方面的研究工作取得了突破性进展。该工作发现有机半导体的单分子层单晶是理想的晶体管活性层材料，兼具高迁移率和低接触电阻的特性。该研究为实现有机电子器件的小型化、高速化、集成化等，提供了理论依据和实践基础。

该研究成果以“Crystallized Monolayer Semiconductor for Ohmic Contact Resistance, High Intrinsic Gain, and High Current Density”发表在《Advanced Materials》上，其中彭博宇博士为该文的第一作者，工作同时获得了香港城市大学机械工程系陆洋教授和曹可博士的大力支持。

论文链接：

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

近年来，晶态有机半导体材料的迁移率已经达到10 cm²V^-1s^-1，超越了传统的无定型硅（a-Si:H）材料。然而，有机场效应晶体管动辄kΩ·cm级别的接触电阻，极大制约了有机半导体器件向集成化应用的发展。特别地，在Staggered型晶体管中，电荷注入界面与电荷传输界面的距离通常在几十至几百纳米之间（取决于半导体层的厚度），这个传输距离大幅增加载流子注入的难度，是造成接触电阻的一个重要因素。如果电荷注入界面与电荷传输界面的距离能够缩短，甚至消除，将能大幅降低接触电阻，提升器件的表观迁移率和综合电学表现。

单分子层单晶半导体在二维传输方向上具备高度有序的结构，具有理论上的最薄厚度。电荷的注入和传输可以实现无缝衔接，由此导致的接触电阻也将最大限度降低。然而，近年来有关单分子层晶体的报道，其电学性能甚至往往低于同种材料的厚层晶体，学界对此尚且没有一个明确的共识。

为了探究上述问题，作者团队使用溶液剪切法制备了高质量的大面积C₁₀-DNTT单分子层单晶，利用传输线法（transfer length method）深入研究了器件的电荷注入特性。研究发现，传统热蒸镀电极导致的热损伤，足以破坏单分子层半导体的结构，反而造成了更大的电荷注入壁垒，也是造成单分子层晶体器件性能劣化的主要因素。通过转移金电极的方法，可以有效避免上述热损伤，从而获知单分子层单晶的本征性能。从截面透射电镜的结果可以看出，蒸镀法金电极破坏了单分子层单晶的结构（图1b），而转移法金电极与单分子层单晶形成了无损而紧密的接触（图1c）。

图1. 单分子层单晶的X射线反射和截面TEM研究。

基于单分子层单晶和转移法电极的场效应晶体管器件，无需经过界面掺杂、增加电荷注入层等改善步骤，接触电阻即可低至40 Ω·cm。同时，接触电阻与测试温度和源漏电压之间没有明显的相关性，说明了电荷注入表现出欧姆接触的特性，这在有机场效应晶体管中尤为罕见。更重要的是，单分子层单晶的本征迁移率与同种材料的厚层晶体一致。也就是说，高度有序的单层有机半导体分子，足以在场效应晶体管中胜任电荷传输的任务。此外，基于单分子层单晶的晶体管，还表现出高达500的本征增益，以及高达4.2μA/μm的电流密度。

图2. 单分子层和双分子层单晶的接触电阻

上述发现对于指导有机电子器件的结构设计、提高有机半导体材料的利用率、以及推动有机电子器件的实用化具有重要意义。

本文由作者供稿。