【材料】通过轨道杂化实现有机场效应晶体管的超低接触电阻- 大数跨境

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2023-01-29

导读：南京大学何道伟副教授、王欣然教授与合作团队，通过增强金属电极与有机分子间的轨道杂化，将有机场效应晶体管（OFETs）的接触电阻（Rc）降低至14.0 Ω•cm、本征截止频率达0.36 GHz

近日，南京大学何道伟副教授、王欣然教授与合作团队，通过增强金属电极与有机分子间的轨道杂化，将有机场效应晶体管（OFETs）的接触电阻（Rc）降低至14.0 Ω•cm、本征截止频率达0.36 GHz，多项关键器件性能指标优异。该成果进一步推动了高性能有机电子器件的发展，相关论文近日在线发表于Nature Communications 期刊。

有机电子在过去的30多年得到了迅猛的发展，已应用于柔性显示、射频标签、电子纸等领域，并在生物芯片、可穿戴电子等新型电路方面展现出巨大的潜力。然而，由于有机半导体薄膜缺陷和晶界多、接触界面差等因素，有机晶体管的性能普遍很低、接触电阻比氧化物、二维材料等无机半导体高出两个数量级以上，严重制约了有机电子的发展与应用。

金属-有机半导体欧姆接触是实现高性能晶体管的关键，特别是高性能有机电路。无机半导体利用异质外延、掺杂等方法使接触电极与沟道材料化学成键，实现欧姆接触，其接触电阻接近量子极限。而有机半导体通常难以掺杂，靠载流子注入导电，需要发展全新的欧姆接触技术。与无机半导体相比，传统的金属沉积工艺涉及高能金属离子轰击有机半导体薄膜，导致较高的缺陷态，引起费米钉扎；部分有机分子有较长的烷基链，使金属与有机半导体的波函数杂化耦合较弱。因此实现有机半导体超低接触电阻具有很大的挑战，这也是长期以来限制有机高性能晶体管器件的关键瓶颈之一。

面对上述挑战，合作团队发展了无损化电极集成工艺、并提出了增强金属-有机半导体轨道杂化的新策略，在一系列有机小分子（包括C₁₀-DNTT、C₆-DNTT、C₈-BTBT和Ph-BTBT-C₁₀）场效应晶体管中实现了超低接触电阻。首先，团队通过solution-shearing 外延法在氧化物衬底上制备出厘米级单层有机半导体单晶薄膜。其次，利用无损化电极集成工艺将金属Pt集成到单层有机薄膜上使金属电极与导电沟道直接接触，接触界面具有原子级平整度。实验发现（图1），金属Pt能催化有机小分子烷基链脱氢并与其成键，导致金属-有机半导体能带杂化，大幅提升电荷转移和载流子注入效率，并通过第一性原理计算进一步证实该现象，而且该现象具有普适性。基于该工艺，团队发现，与无催化脱氢成键的Au接触相比，Pt接触器件的平均接触电阻降低了4倍、电流密度提升了20%，充分证明了Pt接触对器件性能的显著提升作用，多种有机小分子的接触电阻达到报道的记录值（图2）。大规模晶体管阵列的统计结果表明Pt接触器件的各类性能参数均呈现出优异的均一性，同时具有良好的空气稳定性。由于接触电阻的降低，亚微米沟道长度的Pt接触晶体管呈现出良好的饱和特性，开态电流密度高达28.8 μA/μm，比记录提高34%（图2），本征截止频率达到0.36 GHz。基于短沟道器件，团队制备出平面二极管整流电路，截止频率达到64 MHz，是同类器件报道的最高值之一。该工作有望推动高性能有机电子的集成规模化制造。

图1. （a-b）接触电阻测量；C₁₀-DNTT/Pt（c）和C₁₀-DNTT/Au（d）接触界面的密度泛函理论计算；（e）HfO₂/C₁₀-DNTT/Pt界面高分辨STEM原子成像

图2. Pt接触OFETs接触电阻和饱和电流密度与现有技术的对比

该工作由南京大学、北京理工大学、中国人民大学、南京邮电大学和香港中文大学共同完成。南京大学何道伟副教授、王欣然教授和北京理工大学乔婧思教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划和中央高校基础研究基金等资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ultralow contact resistance in organic transistors via orbital hybridization

Junpeng Zeng, Daowei He, Jingsi Qiao, Yating Li, Li Sun, Weisheng Li, Jiacheng Xie, Si Gao, Lijia Pan, Peng Wang, Yong Xu, Yun Li, Hao Qiu, Yi Shi, Jian-Bin Xu, Wei Ji, and Xinran Wang

Nat. Commun., 2023, 14, 324, DOI: 10.1038/s41467-023-36006-0

导师介绍

王欣然

https://www.x-mol.com/university/faculty/53917