德国马普所Science Advances：纳米柔性有机薄膜晶体管

导读

有机薄膜晶体管(TFTs)可能用于各种柔性电子应用，包括有源矩阵显示器、传感器阵列和集成电路。一个重要的TFT性能参数是渡越频率f_T，可以通过减少接触电阻或沟道长度和栅极到触点重叠来改善渡越频率。沟道长度和栅极到触点交叠的大小在很大程度上取决于图案化过程。通常用于有机TFT制造的大多数光刻技术的分辨率限制约为1 μm，包括光刻、激光光刻和钢网光刻。使用这些技术制作的有机TFTs显示在刚性衬底上的传输频率可达160 MHz，在柔性衬底上的传输频率可达22 MHz，以及在刚性衬底上的电压归一化传输频率高达6.5 MHz/V，在柔性衬底上的电压归一化传输频率位7 MHz/V。电子束光刻技术是一种高分辨的图形技术，以前曾用于制造沟道长度为10 nm的有机薄膜晶体管。然而，在这些之前的报告中，TFTs是在硅衬底上制作的，掺杂的硅作为衬底上所有TFTs的全局栅电极，这对集成电路的实现没有帮助。此外，电子束光刻技术还从未被用于在柔性聚合物基板上制造有机TFTs。

成果掠影

近日，德国马普所Hagen Klauk（通讯作者），在Science Advances上发表文章，题为“Nanoscale flexible organic thin-film transistors”。作者采用直写电子束光刻技术在玻璃和柔性衬底上制备沟道长度小至200 nm，栅极到触点重叠小至100 nm的低电压p沟道和n沟道有机薄膜晶体管。p沟道晶体管的on/off比可以达到4×10⁹，亚阈值波动可达70 mV/devade，n沟道晶体管的on/off比可以达到10⁸，亚阈值波动可达80 mV/decade。这是迄今为止报道的纳米级有机晶体管最大的on/off电流比。基于两个沟道长度为200 nm，栅极到触点间距为100 nm的p沟道晶体管逆变器展示了在电源电压为1~2 V时，开关-延迟时间常数在40~80 ns之间，对应的电源电压归一化频率约为6 MHz/V。这是迄今为止报道的用无掩模光刻法制作的有机晶体管的最高电压归一化动态性能。

核心创新点：

1. p沟道晶体管的on/off比可以达到4×10⁹，亚阈值波动可达70 mV/devade，n沟道晶体管的on/off比可以达到10⁸，亚阈值波动可达80 mV/decade。
2. 单极逆变器在电源电压为2 V时，其特征开关延迟时间常数为40 ns，对应于电源电压归一化频率约为6 MHz/V。

数据概览

图1. 器件结构© 2022 The Authors

有机半导体和接触功能化的TFT横截面和分子结构示意图。

图2. 柔性纳米有机晶体管© 2022 The Authors

顶排：25个有机TFTs阵列的柔性PEN照片

下排：器件SEM图

图3. 柔性PEN基板上p沟道DPh-DNTT TFTs的电流-电压特性© 2022 The Authors

顶排：TFT的传输和输出特性（沟道长度200 nm，沟道宽度 80 um，栅极到触点的重叠200 nm）。

下排：TFT的传输特性（沟道长度300 nm，500 nm，700 nm和900nm，沟道宽度 50 um，栅极到触点的重叠100 nm）。

图4：逆变器和动态性能© 2022 The Authors

基于两个p沟道DPh-DNTT TFTs的偏载单极逆变器的静态和动态特性，通道长度为200 nm，栅极到触点的重叠100 nm。

图5. n沟道ActivInk N1100 TFTs的传输和输出特性© 2022 The Authors

沟道长度200 nm，400 nm，600nm和800 nm，沟道宽度 50 um，栅极到触点的重叠150 nm。

成果启示

作者采用直写电子束光刻技术在玻璃和柔性衬底上制备沟道长度小至200 nm，栅极到触点重叠小至100 nm的低电压p沟道和n沟道有机薄膜晶体管。p沟道晶体管的on/off比可以达到4×10⁹，亚阈值波动可达70 mV/devade。单极逆变器在电源电压为2 V时，其特征开关延迟时间常数为40 ns，对应于电源电压归一化频率约为6 MHz/V。通过降低接触电阻，可获得更好的动态性能；例如，对于10 ohm·cm的接触电阻，在2 V下的传输频率可以预期在100 MHz以上。

文献链接：Nanoscale flexible organic thin-film transistors.2022,Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abm9845.

本文由纳米小白供稿

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