德國馬普所Science Advances：納米柔性有機薄膜晶體管

導讀

有機薄膜晶體管(TFTs)可能用于各種柔性電子應用，包括有源矩陣顯示器、傳感器陣列和集成電路。一個重要的TFT性能參數是渡越頻率f_T，可以通過減少接觸電阻或溝道長度和柵極到觸點重疊來改善渡越頻率。溝道長度和柵極到觸點交疊的大小在很大程度上取決于圖案化過程。通常用于有機TFT制造的大多數光刻技術的分辨率限制約為1 μm，包括光刻、激光光刻和鋼網光刻。使用這些技術制作的有機TFTs顯示在剛性襯底上的傳輸頻率可達160 MHz，在柔性襯底上的傳輸頻率可達22 MHz，以及在剛性襯底上的電壓歸一化傳輸頻率高達6.5 MHz/V，在柔性襯底上的電壓歸一化傳輸頻率位7 MHz/V。電子束光刻技術是一種高分辨的圖形技術，以前曾用于制造溝道長度為10 nm的有機薄膜晶體管。然而，在這些之前的報告中，TFTs是在硅襯底上制作的，摻雜的硅作為襯底上所有TFTs的全局柵電極，這對集成電路的實現沒有幫助。此外，電子束光刻技術還從未被用于在柔性聚合物基板上制造有機TFTs。

成果掠影

近日，德國馬普所Hagen Klauk（通訊作者），在Science Advances上發表文章，題為“Nanoscale flexible organic thin-film transistors”。作者采用直寫電子束光刻技術在玻璃和柔性襯底上制備溝道長度小至200 nm，柵極到觸點重疊小至100 nm的低電壓p溝道和n溝道有機薄膜晶體管。p溝道晶體管的on/off比可以達到4×10⁹，亞閾值波動可達70 mV/devade，n溝道晶體管的on/off比可以達到10⁸，亞閾值波動可達80 mV/decade。這是迄今為止報道的納米級有機晶體管最大的on/off電流比。基于兩個溝道長度為200 nm，柵極到觸點間距為100 nm的p溝道晶體管逆變器展示了在電源電壓為1~2 V時，開關-延遲時間常數在40~80 ns之間，對應的電源電壓歸一化頻率約為6 MHz/V。這是迄今為止報道的用無掩模光刻法制作的有機晶體管的最高電壓歸一化動態性能。

核心創新點：

1. p溝道晶體管的on/off比可以達到4×10⁹，亞閾值波動可達70 mV/devade，n溝道晶體管的on/off比可以達到10⁸，亞閾值波動可達80 mV/decade。
2. 單極逆變器在電源電壓為2 V時，其特征開關延遲時間常數為40 ns，對應于電源電壓歸一化頻率約為6 MHz/V。

數據概覽

圖1. 器件結構? 2022 The Authors

有機半導體和接觸功能化的TFT橫截面和分子結構示意圖。

圖2. 柔性納米有機晶體管? 2022 The Authors

頂排：25個有機TFTs陣列的柔性PEN照片

下排：器件SEM圖

圖3. 柔性PEN基板上p溝道DPh-DNTT TFTs的電流-電壓特性? 2022 The Authors

頂排：TFT的傳輸和輸出特性（溝道長度200 nm，溝道寬度 80 um，柵極到觸點的重疊200 nm）。

下排：TFT的傳輸特性（溝道長度300 nm，500 nm，700 nm和900nm，溝道寬度 50 um，柵極到觸點的重疊100 nm）。

圖4：逆變器和動態性能? 2022 The Authors

基于兩個p溝道DPh-DNTT TFTs的偏載單極逆變器的靜態和動態特性，通道長度為200 nm，柵極到觸點的重疊100 nm。

圖5. n溝道ActivInk N1100 TFTs的傳輸和輸出特性? 2022 The Authors

溝道長度200 nm，400 nm，600nm和800 nm，溝道寬度 50 um，柵極到觸點的重疊150 nm。

成果啟示

作者采用直寫電子束光刻技術在玻璃和柔性襯底上制備溝道長度小至200 nm，柵極到觸點重疊小至100 nm的低電壓p溝道和n溝道有機薄膜晶體管。p溝道晶體管的on/off比可以達到4×10⁹，亞閾值波動可達70 mV/devade。單極逆變器在電源電壓為2 V時，其特征開關延遲時間常數為40 ns，對應于電源電壓歸一化頻率約為6 MHz/V。通過降低接觸電阻，可獲得更好的動態性能；例如，對于10 ohm·cm的接觸電阻，在2 V下的傳輸頻率可以預期在100 MHz以上。

文獻鏈接：Nanoscale flexible organic thin-film transistors. 2022, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abm9845.

本文由納米小白供稿

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