天津大学李立强-陈小松团队《Adv. Mater.》：零温度系数点现象用于实现温度不敏感的有机场效应晶体管

高分子科技

2024-04-08

导读：借鉴无机晶体管利用零温度系数点行为实现温度抗扰性的解决办法，实现了温度不敏感...

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有机半导体材料因其本征柔性、低成本和可大面积加工等优势，在柔性显示、电子皮肤、智慧医疗及物联网等领域具有广阔的应用前景。然而，有机半导体由于其具有温度依赖性的电荷传输机制以及易受温度影响的形貌演变现象，表现为本征温度敏感。以有机半导体作为导电沟道的有机场效应晶体管，其电学特性及稳定性也极易受到温度效应的影响。因此，实现对温度不敏感的有机场效应晶体管对有机电子设备在实际环境中的应用至关重要。针对温度影响有机半导体形貌演变的问题，天津大学李立强-陈小松团队前期开发的应变工程策略可有效解决（Nat. Commun., 2022, 13,1480; Adv. Mater. 2023, 2306975）。而针对有机场效应晶体管表现出的温度依赖的电荷传输模式，目前仍没有有效的解决办法。实现温度不敏感的有机场效应晶体管仍是巨大挑战。

针对上述应用需求和科学挑战，天津大学李立强-陈小松团队通过借鉴无机晶体管利用零温度系数点行为实现温度抗扰性的解决办法，实现了温度不敏感的有机场效应晶体管。无机晶体管的零温度系数点行为被广泛应用于模拟电路设计和集成应用中，保证电子设备在变温环境下的正常运行。零温度系数点存在于表现为能带传输模式的器件中，通过载流子迁移率及阈值电压的相互补偿，在固定栅极电压及源漏电压下可输出不受温度干扰的电流。然而，有机场效应晶体管通常表现为热激活的跳跃传输模式，其随温度增加的载流子迁移率无法与阈值电压相互补偿，很难表现出零温度系数点现象。

该工作通过在有机半导体层中掺入微量纳米颗粒，在不影响器件性能的前提下通过改变费米能级随温度的变化趋势有效调控阈值电压随温度的变化情况，使阈值电压与迁移率可以相互补偿，从而在有机场效应晶体管中实现零温度系数点行为。当器件工作于零温度系数点，可实现温度不敏感的源漏电流，有效提高了有机场效应晶体管的温度稳定性。

图1 添加微量纳米颗粒前后的有机场效应晶体管器件模型及相应的电学性能

为了探究掺杂纳米颗粒的有机场效应晶体管存在零温度系数点行为的原因，作者通过缺陷态密度的计算以及变温紫外光电子能谱等表征证明了纳米颗粒可以有效预填充有机半导体的深缺陷能级，进而改变有机半导体费米能级随温度的变化趋势，从而产生了零温度系数点现象。作者通过理论推导进一步阐明了阈值电压与迁移率的温度系数相等是有机场效应晶体管中零温度系数点产生的必要条件。以上结论有助于零温度系数点理论体系的完善及后续应用的推广。

图2 有机场效应晶体管中零温度系数点行为的机制分析

最后，作者证明了有机场效应晶体管零温度系数点行为具有普适性，并在超过50000秒的变温偏压测试中实现了不同温区内稳定的输出电流。该工作为实现温度不敏感有机场效应晶体管提供了一种有效的解决方案。

图3 零温度系数点行为在实现温度不敏感有机场效应晶体管中的应用

以上工作相关论文近期发表于Advanced Materials期刊 (DOI: 10.1002/adma.202400089)。天津大学分子聚集态科学研究院李立强教授和陈小松副教授主持了该工作，为论文通讯作者，中国科学院微电子研究所毕津顺教授为共同通讯作者。天津大学分子聚集态科学研究院博士研究生戚建楠、硕士研究生铁凯以及中国科学院微电子研究所博士研究生马越为该论文的共同第一作者。天津大学有机集成电路教育部重点实验室、天津市分子光电科学重点实验室胡文平教授对本研究提供了支持和指导。该研究工作得到了国家重点研发计划，国家杰出青年科学基金，国家自然科学基金，天津市自然科学基金的资助，并获得苏州纳米真空互联实验站（Nano-X）的技术支持。

论文信息：

https://doi.org/10.1002/adma.202400089

Jiannan Qi, Kai Tie, Yue Ma, Yinan Huang, Wenbing Gong, Shougang Sun, Zhongwu Wang, Zhiyun Li, Rong Huang, Jinshun Bi*, Liqiang Li*, Xiaosong Chen* and Wenping Hu, Achieving Zero-Temperature Coefficient Point Behavior by Defect Passivation for Temperature-Immune Organic Field-Effect Transistors. Adv. Mater. 2024, 2400089.

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