天津理工大学最新研究成果，可助力有机单晶电学参数评估规范化

作者：爱集微 2024-09-03

来源：TUT集成电路科学与工程学院 #天津理工大学# #天津理工#

有机半导体单晶材料因其固有的机械柔韧性、出色的光吸收、低缺陷密度为构筑备高性能柔性光电子器件提供了新的机遇。目前，通常利用场效应晶体管（OFETs）架构对有机单晶材料的电学参数进行评估，即可利用经典的MOSFET模型的转移或输出特性曲线来提取器件/材料场效应迁移率（μ），阈值电压（VT）等重要指标。然而，传统OFETs制备技术在电极/半导体和半导体/介电界面会引入诸多不良因素，导致有机单晶器件表现出非理想的电流-电压（I-V）曲线，从而引发对材料性能的误判。

近日，天津理工大学郑磊，张楷亮团队联合天津大学胡文平教授研究团队系统地论证了传统OFET制备技术中引入的界面电阻、载流子陷阱、散射效应等不良影响，并进一步提出了一种高效的界面协同策略来获得具有理想I-V曲线的有机单晶OFETs器件，该项工作不仅为提升单晶OFETs性能提供了有效的解决方案，还为有机半导体材料的准确评估和商业化应用打下了坚实的基础。该研究以题为“Interface Collaborative Strategy for High Mobility Organic Single-Crystal Field-Effect Transistors with Ideal Current–Voltage Curves”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

传统MOSFET提取模型的不适性：这项研究工作中首先基于传统的热蒸镀电极技术制备了非理想I-V曲线的有机单晶OFETs，随后分别利用栅四探针技术 (gFPP)和传统MOSFET模型提取了器件的迁移率，其中gFPP技术是一种不受器件接触电阻影响的复杂测试架构。结果表明传统MOSFET提取方法由于传统电极制备技术引入的接触电阻等影响，会对这类非理想器件的迁移率进行错误的评估（高估）。

图1：传统MOSFET参数模型局限性

电极-有机单晶半导体界面加工技术研究与改进：为了更好的说明上述问题和改进现有电极-有机半导体界面加工技术以获得理想的有机OFETs，我们利用物理气相沉积技术制备了三种不同功函数的高质量有机单晶材料。首先在同一块2,6-二(蒽-2-基)萘(2,6-DAN, HOMO≈5.37 eV)单晶上依次利用被广泛研究地可转移技术和热蒸镀技术制备了金源漏（Ff ≈ 5.2 eV）电极。基于XRD, 缺陷态密度和界面势垒等参数表征和提取，发现传统热蒸镀技术会在电极-有机半导体界面引入晶格缺陷和无序，费米钉扎等不良效应，因此器件往往呈现出较高的接触电阻和缺陷态影响，进而引起非理想的电学行为和电学参数的错误评估。相较而言，可转移电极技术因其“非创伤”的电极-半导体界面可以高效地避免界面接触电阻影响和额外引入地材料缺陷，在获得理想的单晶器件更具优势。

图2：传统电极-有机单晶界面加工技术诱发的电学参数错误评估

图3：可转移掺杂电极技术助力实现理想的有机单晶OFET

然而，随着单晶材料多样化的发展需求，其功函数跨度较大，因此Au, Ag等常规电极材料难以与有机材料实现良好功函匹配, 进而引入高的接触电阻造成器件的非理想性。为了解决上述问题，我们发展了一种可转移的掺杂电极概念有望解决电极-有机半导体界面诱发的非理想器件。该策略在转移电极技术的基础上（图中为本工作中采用的湿法转移技术，亦课拓展到干法转移技术），进一步利用了掺杂效应（MoO3等）对电极进行功函数的精准调制，有望拓展现有转移电极技术的应用广度。具体研究中基于2,7-二(蒽-2-基)萘(2,7-DAN, HOMO≈5.5 eV)和1,5-二(蒽-2-基)萘(1,5-DAN, HOMO≈5.9 eV)有机单晶，进一步利用不同MoO3掺杂厚度的金电极构筑了上述单晶器件，印证了该方案的可行性和高效性。

绝缘层-有机单晶半导体界面匹配性研究：基于优化后的电极-半导体界面加工技术，我们进一步量化研究了绝缘层界面参量对器件理想性的影响。实验中采用干净的SiO2，OTS，OTMS，PMMA修饰的SiO2，共4种绝缘层，随后在上述绝缘层上批量制备了2,7-DAN有机单晶器件。基于偏压应力测试，各电学参数提取、电学曲线测量，接触角测试，界面极性分量，表面能等界面参数表征，结果表明绝缘层表面极性（γsp）对单晶OFETs理想性的“双刃剑”效应，即具有较低γsp的绝缘层界面（例如OTS和OTMS修饰的器件）可以提高迁移率，但γsp过低会导致由于电荷散射效应显著而降低器件的理想特性（尤其是在高迁移率的单晶器件中）。此外，过高的γsp会引起显著的界面陷阱效应和接触电阻影响，因此，采用适宜的界面极性的绝缘层是构建理想的单晶OFETs的另一要素。