Nature：有机双极晶体管

菜心 2年前 (2022-06-25) 2157浏览

【导读】

在适用于薄膜电子学的材料系统中，有机半导体特别受关注。低成本、与碳基材料的生物相容性以及可通过蒸发或印刷等简单技术实现沉积等特性使有机半导体器件能广泛用于电子产品中，例如，人体或衣服和包装上的电子产品。

1986年首次报道了有机场效应晶体管（FET），然而，较低的截止频率限制了其应用范围，这主要源自其较低的载流子迁移率。而减少晶体管内沟道长度是提高器件运行速度的有效策略，这在FET和其他原型器件如有机渗透基晶体管中都有所体现。然而，接触电阻和重叠电容等因素又限制了工作频率的进一步提高。

双极晶体管是一种同时提供低电容和接触电阻的器件。双极晶体管拥有比同类场效应器件高得多的运行速度，尽管它们在小型化和工艺集成方面存在缺点。然而，有机双极晶体管（OBJTs）尚未实现，主要是因为它们依赖于少数载流子通过薄而精确的掺杂基层的扩散。这要求材料具有足够高的迁移率，以使空穴和电子达到平衡传输。同时要求基层在确定的电位下保持足够薄，以允许发射极-集电极电流控制。此外，到目前为止，有机半导体（OSC）材料中的少数载流子扩散长度仍未被探明。

【成果掠影】

近日，德累斯顿工业大学的Karl Leo教授等研究者报道了一种具有优异性能的有机双极晶体管。该有机双极晶体管由n型和p型掺杂的高结晶性的Rubrene薄膜晶体构成，具有（超过100倍的）高差分放大率和优越的高频性能。同时，双极晶体管的研究还揭示了有机半导体中少数载流子的扩散长度。该研究结果为具有更快的开关速度的高性能有机电子产品的新器件的研发提供了基础。研究成果以题为“Organic bipolar transistors”发布在国际著名期刊Nature上。

【核心创新点】

（1）实验证明了基于结晶性Rubrene薄膜的OBJTs为实现千兆赫兹有机电子提供了一条有希望的途径。

（2）数值模拟阐明了晶体管的工作原理并提出了进一步优化的路线。

（3）对器件运行的仔细分析使得可以直接测量任何有机半导体中少数载流子的扩散长度。

【数据概览】

图1OBJT的运行：a.OBJT的垂直堆栈配置；b. OBJT中的有源和寄生电流以及横向几何参数的定义；c. 偏振显微镜下的OBJT器件；d. 在基底电极顶部沉积阻挡层的OBJT器件的传输特性曲线；e. （d）中器件的相应差分放大率；f. OBJT的等效电路；g. 基底电极顶部无阻挡层的OBJT器件的传输特性曲线；h. 在不同的偏压条件和不同的测量频率下，单个基于Rubrene的引脚（输入）二极管的绝对电容和面积归一化电容（有效面积为100 × 100 μm2）；i. 从跨导率估算过渡频率；© Springer Nature

图2OBJT器件运行的TCAD模拟：a. 仿真结果与基于图1g的实验结果的比较，模拟结果和测量结果一致。对模拟进行了调整，以分别再现发射极-集电极和发射极-基极（插图）的IV特性；b. TCAD模拟给出的OBJT示例配置的几何形状和电流密度分布。c. 在VBE= VCE=-3V时，相邻基极之间不同距离的横向内部电场的场强。d. 不同基极宽度下的最大差分放大率的模拟e. 假设基极末端和发射极前端之间存在横向偏移时的最大差分放大率模拟f. 不同相邻基极间距下的最大差分放大率模拟（每组模拟中所有其他参数保持不变） © Springer Nature

图3OBJTs的厚度和掺杂浓度：a. 不同基底层厚度下OBJT的差分放大率；b. 不同 (W2(hpp)4)掺杂浓度下OBJT的差分放大率；c,d. 不同OBJT电极设计的光学显微镜图像（c）和相应的装置差分放大率曲线（d）；e. 归一化差分放大率与有效基极宽度和掺杂情况的关系 © Springer Nature

【成果启示】

综上所述，本文展示了一个功能性的有机双极性晶体管，填补了有机晶体管路线图上缺失的一部分。文中的有机双极性晶体管由P型和N型掺杂的高度结晶的Rubrene薄膜晶体构成，具有高差分放大率和优越的高频性能。

此外，如少数载流子的扩散长度，估计Rubrene晶体的掺杂浓度为5wt%时约为50nm。本文结果为下一代高性能有机电子器件铺平了道路，同时为理解高迁移率有机半导体中的载流子扩散机制提供了一个工具。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04837-4

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