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香港[xiāng gǎng]大學[dà xué]陳國樑團隊:利用有機半導體單分子層單晶實現超低接觸電阻 [复制链接]
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匿名  发表于 2020-10-28

香港[xiāng gǎng]大學[dà xué]陳國樑團隊:利用有機半導體單分子層單晶實現超低接觸電阻

近日,香港[中国香港]大学[university]机械工程系陈国樑教授团队在降低有机场效应晶体管接触电阻(Rc)方面的研究工作[work]取得了突破性进展。工作[work]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[work]同时获得了香港[中国香港]城市[chéng shì]大学[university]机械工程系陆洋教授和曹可博士的大力[dà lì]支持[support]

近年来,晶态有机半导体材料的迁移率已经[have been]达到10 cm2V-1s-1,超越了传统的无定型硅(a-Si:H)材料。然而[however],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[ dù]),这个传输距离大幅增加载流子注入的难度[ dù],是造成接触电阻的一个重要[zhòng yào]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[biaoxian]

单分子层单晶半导体在二维传输方向上具备高度[ dù]有序的结构,具有理论上的最薄厚度[ dù]。电荷的注入和传输可以[ kě yǐ]实现无缝衔接,由此导致的接触电阻也将最大[zuì dà]度[ dù]降低。然而[however],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[wèn tí]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[fǎn ér]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[zhǔ yào]因素。通过转移金电极的方法,可以[ kě yǐ]有效[yǒu xiào]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[ kě yǐ]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[xíng chéng][xíng chéng]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。

图2. 单分子层和双分子层单晶的接触电阻

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[ dù]和源漏电压之间没有明显的相关性,说明了电荷注入表现[biaoxian]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[zhòng yào]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[ dù]有序的单层有机半导体分子,足以在场效应晶体管中胜[shèng]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[biaoxian]出高达500的本征增益,以及高达4.2μA/μm的电流密度[ dù]

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[zhòng yào]意义[meanings]

来源:澎湃号·香港[中国香港]大学[university]

论文链接:

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



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