中科院长春应化所王海波Adv.Mater.：二维电子气实现高迁移率有机晶体管

【引言】

得益于研究者们对新型有机半导体的长期探索，有机电子器件在近十年取得了重要的成就，其中一些已经成为商业化产品，比如OLED。近期研究者们通过霍尔效应和光电子能谱手段证实了有机薄膜晶体中的带状传输模型具有高的载流子迁移率，这为发展光电特性可调的有机新型电子设备创造了机会。在传统的无机半导体领域，利用能带工程来调节半导体器件的光电性能是一个重要的研究方向。比如结合两种不同带隙材料形成异质结作为电子传输通道的高电子迁移率晶体管，该类器件中的载流子在三角势阱内积累形成二维电子气，使得器件能够在高频下进行工作，典型的就是AlGsAs/GaAs异质结。在这基础上进一步发展出了赝高电子迁移率晶体管，这种晶体管用低带隙材料作为无掺杂层和势阱层，两层宽带隙材料作为势垒阻挡层，从而构建出量子阱结构，由于量子阱内的能级量子化自然而然的了形成二维电子气，这种双层势垒结构更进一步的提升了载流浓度和迁移率。因此，构造量子阱来形成二维电子气是一种重要的方法。最近，共振隧穿有机量子阱也证明，这使得利用量子化能级来实现有机二维电子气成为可能。

【成果简介】

近日，中国科学院长春应化所王海波教授在Adv.Mater.上发表了一篇题为“Organic High Electron Mobility Transistors Realized by 2D Electron Gas”的文章。该研究首次提出了有机二维电子气的新概念。利用宽带隙的有机材料p-6P作为势垒层，窄带隙材料有机VOPc作为势阱层，成功将有机量子阱集成在场效应管内，使得器件的电子迁移率高达10cm²V^-1s^-1。

【图文简介】

图1、p-6P沉积在VOPc衬底上的UPS谱图

生长在VOPc衬底上的p-6P的UPS谱图；插图为p-6P/VOPc异质结结构根据UPS图谱获得的界面电子示意图；右侧面板中的橙色线，酒色线和蓝色线分别代表的是VOPc、p-6P的UPS谱和拟合结果。

图2、吸收谱和I-V曲线    

(a) 不同VOPc厚度的 p-6P/VOPc/p-6P薄膜的吸收谱；

(b) 不同VOPc厚度晶体管的I-V曲线；插图为器件结构图。

图3、AFM和传输特性曲线

(a) 双层p-6P薄膜和生长在15nmVOPc衬底上的p-6P薄膜的AFM图像；

(b) OHJFET和OWFETs的传输特性曲线，V_DS=100V；

(c) QWFETs在不同温度下的传输特性曲线和电子迁移率。

图4、VOPc层的载流子分布和C-V特性

(a) QWFETs和HJFETs的VOPc层的载流子浓度分布函数；插图为载流子浓度在器件中VOPc层的分布示意图；

(b) 生长在Si上的量子阱器件的C-V曲线，插图为器件的结构图。

 图5、QWFETs在不同偏压下的载流自分布和工作原理示意图

(a) V_GS=0V，费米能级远离量子化能级，只有少许电子填充，器件处于关闭状态；

(b) V_GS＞V_Th，费米能级接近量子化能级，有大量电子填充，二维电子气已形成，器件处于打开状态；

(c) V_GS≫V_Th，量子化能级被填满，三维电子运输成为主导，导致电子的导电性和迁移率下降。

【小结】

本文提出了一种有机二维电子的新概念，制备出了有机量子阱场效应晶体管。该有机二维电子气可以通过调节栅极电压来控制量子阱的量子化水平，从而避免了界面散射和缺陷态，电子迁移率高达10cm²V^-1s^-1。这项工作表明了可以通过能带工程来实现提升有机电子器件的性能。

文献链接：Organic High Electron Mobility Transistors Realized by 2D Electron Gas(Adv.Mater. ,2017,DOI: 10.1002/adma.201702427)

本文由材料人新人编辑部刘于金编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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