https://www.nature.com/articles/s41467-022-30527-w
在垂直有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，主導(dǎo)載流子注入的肖特基勢(shì)壘的調(diào)制在很大程度上依賴于源電極。近日，福州大學(xué)陳惠鵬課題組利用超薄多孔MXene導(dǎo)電薄膜作為源電極，實(shí)現(xiàn)了具有73mv/dec的低亞閾值擺幅和飽和輸出電流的垂直有機(jī)晶體管。隨著制造成本的增加和短溝道效應(yīng)等器件物理的限制，在平面型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中適用多年的摩爾定律逐漸達(dá)到了瓶頸。得益于固有的超短溝道長(zhǎng)度，垂直有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有高工作頻率、低工作電壓、大電流密度等優(yōu)勢(shì)在下一代電子器件中引起了極大的關(guān)注。然而，受到源電極的電場(chǎng)屏蔽和寄生電容的影響，實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異柵極調(diào)控能力和飽和輸出特性的垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。該工作系統(tǒng)地研究了垂直有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中載流子的注入模型，采用超薄MXene作為源電極，制備了具有超低亞閾值擺幅并且實(shí)現(xiàn)飽和輸出特性的垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管。研究發(fā)現(xiàn)，超薄的多孔MXene薄膜同時(shí)具有單層石墨烯和多孔金屬電極的肖特基勢(shì)壘調(diào)制機(jī)制，進(jìn)一步提升了器件的柵極調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)了73 mv/dec的亞閾值擺幅。同時(shí)，MXene的部分氧化形成的鈍化層消除了源極和漏極之間的泄漏電流，解決了垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管中常見的輸出電流不飽和的問題。此外，該器件在無需額外功能層的情況下，可以實(shí)現(xiàn)寬光譜快速響應(yīng)的光探測(cè)功能。該工作為高性能垂直場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研制提供了現(xiàn)實(shí)可行的方法，為突破摩爾定律的瓶頸提供了新的可能▲圖1：文章使用的有機(jī)半導(dǎo)體材料的化學(xué)式以及MXene薄膜的形貌表征
MXene薄膜的形貌表征：使用SEM、TEM、光學(xué)顯微鏡和AFM表征了MXene薄膜的形貌，說明片狀MXene的堆疊形成了連續(xù)的多孔導(dǎo)電薄膜，并且薄膜的厚度僅為1.7納米。多孔和超薄的薄膜特性奠定了垂直有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作基礎(chǔ)。▲圖2：分別采用MXene薄膜和銀納米線作為源電極的垂直有機(jī)晶體管的性能對(duì)比
與銀納米線作為源電極的垂直有機(jī)晶體管相比，MXene薄膜作為源電極提升了垂直晶體管的柵極調(diào)控能力，將垂直有機(jī)晶體管的亞閾值擺幅降低到73 mv/dec，并且實(shí)現(xiàn)了飽和的輸出電流。▲圖3：熱激發(fā)模型計(jì)算垂直晶體管的等效肖特基勢(shì)壘、無孔洞MXene薄膜作為源電極的垂直有機(jī)晶體管性能
器件能夠具有優(yōu)異的柵極調(diào)控能力實(shí)現(xiàn)低亞閾值擺幅的原因有以下幾點(diǎn)：1. 超薄的MXene薄膜具有較低的粗糙度，和有機(jī)半導(dǎo)體之間形成了良好的接觸界面。2. MXene的功函數(shù)和有機(jī)半導(dǎo)體的HOMO能級(jí)更為匹配，進(jìn)一步降低了肖特基勢(shì)壘。3. 在制備沒有孔洞的MXene薄膜作為源電極時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶體管依舊具有柵極調(diào)控的能力。這說明，類似于單層的石墨烯電極，超薄MXene薄膜只是部分屏蔽了柵極的電場(chǎng)。因此文章采用的多孔MXene薄膜在單一材料上同時(shí)具有單層石墨烯部分屏蔽柵電場(chǎng)的效果，又具有多孔金屬電極的肖特基勢(shì)壘調(diào)控機(jī)制，進(jìn)一步提升了器件的柵極調(diào)控能力。▲圖4：垂直晶體管的電流傳輸模型、COMSOL模擬仿真說明實(shí)現(xiàn)輸出電流飽和的機(jī)制。
使用COMSOL對(duì)垂直晶體管的電場(chǎng)和電流分布進(jìn)行模擬仿真，說明超薄的MXene薄膜降低了源極和漏極之間的電場(chǎng)，MXene部分氧化形成的TiO2鈍化層消除了源極和漏極之間的泄露電流實(shí)現(xiàn)了輸出電流的飽和。▲圖5：MXene垂直有機(jī)晶體管的光探測(cè)性能。
由于MXene部分氧化形成的MXene-TiO2組分，在無需額外功能層的情況下，器件還可以實(shí)現(xiàn)從紫外光到可見光的寬光譜探測(cè)功能，并且在紫外光下實(shí)現(xiàn)10ms的快速光響應(yīng)。文章采用MXene作為垂直O(jiān)FET的源電極制備了具有73 mv/dec超低亞閾值擺幅及飽和輸出特性的垂直O(jiān)FET。超薄的MXene薄膜同時(shí)具備單層石墨烯和多孔金屬電極的肖特基勢(shì)壘調(diào)制機(jī)制，進(jìn)一步提升器件的柵極調(diào)控能力。此外，COMSOL仿真和實(shí)驗(yàn)證明MXene 的部分氧化有助于消除源極和漏極之間的泄漏電流從而實(shí)現(xiàn)飽和輸出。該工作為高性能垂直O(jiān)FET的研制提供了可行的方法，促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用。https://www.nature.com/articles/s41467-022-30527-w
