第一作者：Shu-Jen Wang, Michael Sawatzki
通讯作者：Karl Leo
通讯单位：德国德累斯顿工业大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04837-4
有机场效应晶体管(FET)最早于1986年被报道，并在过去的二十年中取得了令人印象深刻的进步。然而，它们仍然局限于低到中等频率的范围，无法得到广泛应用。有机半导体(OSCs)中的电荷迁移率比无机半导体低得多，这限制了有机晶体管的性能。缩短晶体管沟道长度是提高器件运行速度的有效策略，如FET和其他器件（如有机可渗透基区晶体管）。然而，接触电阻和重叠电容等问题往往限制其进一步提高运行频率。
本文展示了具有出色器件性能的有机双极晶体管：一种以前未发现的垂直架构和高度结晶的有机Rubrene薄膜制造的器件，其具有高的差分放大(超过100)和优于传统器件的高频性能。这些双极晶体管还提供了对少数载流子扩散长度的解释，这是有机半导体中的一个关键参数。本文的结果开启了高性能有机电子新器件概念之门，其具有更快的开关速度。
图 1 |OBJT运行。
1. 利用这些高度晶态掺杂的薄膜，本文制作了OBJT。器件的几何形状如图1a-c所示，其特点是底部垂直堆叠了一个矩形发射电极，中间有一个指状结构的基电极和一个矩形的集电极(顶部)。基极相邻金手指之间的距离和每个基指本身的宽度是至关重要的。最终的器件是pnp型的，具有n掺杂的基区，因为本文预计p型少部分扩散长度会因为更高的迁移率而变得更长。
2. 本文首先研究一种基于正交球晶体的器件，在基极顶部沉积了更多的阻挡层(图1d，e)。首先分别研究基极-发射极二极管、基极-集电极二极管和发射-集电极pinip结构，以检查元件的功能。输入和输出组件分别用作二极管，因而具有可区分的正向和反向行为。由于基极上的额外阻挡层，基极集电极二极管具有比基极发射极输入二极管低得多的正向电流。然而，基极两侧的反向电流和正向漏电几乎相同。这表明泄漏电流是由横向泄漏路径控制的，而不是通过管脚二极管的电流。结果表明，从发射极到集电极的直流电流是完全对称的。
3. 本文还研究了一种基于正交片晶体的器件，该器件没有在基极顶部使用阻挡层，其电流-电压(IV)特性如图1g所示。该器件在低电流下的工作的晶体管减少了，因为改变的基极偏置和由此产生的二极管DB1的寄生电流的改变过度补偿了任何基于扩散的放大。
图 2 |TCAD模拟OBJT设备的运行。
1. 本文所制作的器件和实验数据可作为校准TCAD模拟器的参考。单个组件(基极-发射极二极管和发射-集电极结构)的IV特性证明：校准的模拟结果与测量数据符合良好，如图2a所示，从而证实了器件运行的可行性。其在校准的TCAD、静电场、电场、载流子密度和电流的基础上，可以模拟和提取不同偏置条件和几何形状下的分布。例如，图2b显示了OBJT中的电流密度分布。两个相邻基指之间的横向电场分布如图2c所示。
2. 图2d显示了基极的大小和排列对放大的影响。当基极的宽度从25 μm减小到理论上的0 μm(这相当于基极、发射极和集电极之间没有直接重叠)时，其最大的放大显著增加，这是因为对放大没有贡献的基电流部分减少，而可控集电极电流保持不变。然而，由于技术原因，目前不可能实现0 μm的重叠。相反，我们可以实现基座末端和发射极起点之间的间隔物/间隙意义上的负重叠。图2e显示了这种配置的结果放大。正如预期的那样，放大值减小了，因为靠近基极的重要边缘区域现在参与传输的程度大大减少。然而，对于1 μm的间隙长度，减少的幅度相对较小。使用先进的模板光刻技术可以实现这种程度的对准精度。
3. 最后，相邻基极之间的距离是不同的，如图2f所示。令人惊讶的是，随着相邻基极之间距离的增加，其放大倍数略有增加，尽管在50 μm以上可以看到饱和。这是因为：尽管横向磁场在远离基极的区域无限接近零(图2c)，但仍有少量对输出电流有贡献。然而，由于发射极-集电极重叠同时增加，因此当基极之间的距离增加时，截止电流也会增加(图2f)。因此，在设计基极时，需要在电流放大和截止电流之间进行权衡。
图 3 |OBJT的厚度和掺杂浓度。
1. OBJT对基区厚度和掺杂浓度的强烈依赖与少数载流子扩散有关，这与基于大多数载流子传输的有机可渗透基区晶体管操作形成了鲜明对比。当所有剩余参数保持相同时，可以估计具有不同基区厚度的器件的扩散长度。图3显示了基于一组新器件的OBJT操作，该设备具有改进的电极几何结构，可减少与晶体管操作无关的电极重叠区域。寄生电极重叠面积的减少改善了晶体管的性能，这与TCAD模拟(图3d)是一致的。
2. 在这些测量的基础上，本文通过将经典的双极过渡关系β∝coth（W/LD）与校准的TCAD仿真拟合在一起，估计了空穴通过n掺杂Rubrene的扩散长度，大约为50 nm。通过使用50 nm的输入扩散长度，仿真结果显示出与实验结果和少数载流子主导的器件操作的良好一致性（图3d-f）。在Rubrene单晶的光激发实验中发现的微米范围内的激子扩散长度表明，控制少数空穴的输运和弛豫的机制是完全不同的。考虑到掺杂后的Rubrene晶体具有较高的结构有序性，复合过程可能是由于密度态的轻微展宽引起的。本文的OBJT设备提供了一个平台，可以直接获得类似高迁移率OSC系统中少数载流子扩散的物理性质，从而为研究OSC中少数复合机制的基本问题开辟了可能性。
总而言之，本文提出了一个功能性的OBJT，补上了有机晶体管路线图上缺失的一块拼图。本文的OBJTS基于高结晶度的Rubrene薄膜晶体，不仅提供了一条通往超高频有机晶体管的有希望的途径，而且还允许研究重要的基本物理参数，如少数载流子扩散长度。对于Rubrene晶体，当掺杂浓度为5 wt%时，扩散长度约为50 nm。本文相信，这里的结果为下一代高性能有机电子器件铺平了道路，并为理解高迁移率有机半导体中的载流子扩散物理提供了平台。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04837-4
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01635-w
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