Adv. Mater. 平面有机场效应晶体管 迈向下一代有机电子的关键一步

【成果简介】
有机场效应晶体管（OFETs）是即将到来的低成本、环境友好型柔性电子器件的核心组成部分。共轭聚合物因其可溶液加工性、天然柔软及优异的双极性性能证明了其用于OFET的巨大潜力。最近已有报道，聚合物有机场效应晶体管的迁移率超过50cm2V-1s-1,几乎无障碍、类导带的电荷传输，而这之前被认为只有单晶或多晶小分子能够实现。

高性能聚合物OFETs通常采用顶栅结构，电荷在聚合物薄膜的最上层传输（图1a）。在采用顶栅结构的条件下，为确保电子和空穴的有效注入用于双极性电荷传输，必须采用分离的底部接触，而这会导致某些问题，如产生接触附近的缺陷，恶化性能、稳定性和均匀性，还需采用额外的工艺来连接下面的源极/漏极（S/D）。为什么不采用硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Si MOSFETs）中的顶触式方案呢？这主要是因为常规的顶触式顶栅结构的聚合物OFETs由于其极差的电荷注入而无法工作。在Si MOSFETs中，作为平面工艺一部分的选择性接触掺杂自Si MOSFETs发明以来就有应用，用来产生欧姆接触。选择性接触掺杂对实现平面聚合物OFETs至关重要。

近日，韩国东国大学Yong Xu(第一作者)、Yong-Young Noh(通信作者)和华东师范大学李文武研究员(通信作者)等提出一种可靠的高性能平面聚合物OFETs方案，利用FeCl3化学p型掺杂剂实现与三种最先进的有机半导体（DPPT-TT,PDFDT,CNTVT-SVS）的平面欧姆接触。研究发现此聚合物OFETs展现出理想的p型场效应晶体管的特性，与传统的聚合物OFETs相比拥有无与伦比的性能（图1c,d）。

【图文导读】
图一 传统和平面聚合物OFETs的比较

(a,b) 传统和平面聚合物晶体管器件的结构示意图
(c,d) 传统（左，通道长度60um）和平面（右，通道长度100um）DPPT-TT OFETs的典型转移特性（ID-VG特性）。注：饱和态下绘制漏极电流的平方根用于计算迁移率和阀值电压，c中亮暗背景分别代表双极性和单极性区，d中白背景、暗背景分别表示耗尽区和积累区，c中插图阐明DPPT-TT的分子结构。

图二 传统和平面聚合物OFETs工作原理的理解

p型掺杂接触增强了空穴注入，阻碍了电子注入，产生单极性传输，表现出理想的p型场效应晶体管特征。

(a,b) 分别是传统和平面聚合物OFETs双极性和单极性电荷积累的示意图
Qi,p,Qi,n分别代表单位通道面积的空穴和电子密度
(c,d) 分别是传统和平面聚合物OFETs双极性和单极性电荷注入的示意图
Φp,Φn分别代表空穴和电子注入的肖特基势垒。

图三 传统和平面聚合物OFETs的亚阀值特性

平面聚合物OFETs用于低电压、低功耗电池供能的便携设备的潜力巨大

(a) 传统和平面DPPT-TT OFETs的亚阀值斜率比较，其中虚线表明室温下的理论极限
(b) DPPT-TT晶体管的转移特性曲线表明其小亚阀值斜率SS=85mV dec-1（该值越小，工作速度越快）

图四 三种有机半导体的UPS和XPS分析（测量费米势、说明界面发生的情况）

(a) 5nm FeCl3掺杂的聚合物和纯净聚合物的UPS谱图
(b) 顶部沉积5nm FeCl3的三种聚合物和纯净FeCl3的Fe 2p XPS谱图
(c) 三种聚合物有无5nm FeCl3掺杂的O 1s XPS谱图
点状线代表纯净聚合物，实线代表掺杂聚合物

【小结】
研究者提出了一种平面处理基于共聚物的有机场效应晶体管的方案。源/漏极，顶部栅极和活跃沟道的制造都在聚合物薄膜的顶部表面，通过FeCl3 p型掺杂剂的选择性接触掺杂实现平面欧姆接触。这些新型的平面聚合物OFETs表现出理想的p型场效应晶体管的特性，拥有无与伦比的性能。初步阐明了双极性OFETs的工作原理，及FeCl3的化学掺杂对聚合物是通用的。因此，此研究结果朝实现下一代有机电子迈出重要一步。

文献链接：Planar-Processed Polymer Transistors（Adv. Mater. ，2016，DOI：10.1002/adma.201601589）

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