关键词：
二维有机晶体
有机薄膜晶体管
亚热电子
本征增益
放大器
生物传感
摘要：
由于成本低廉以及柔性性能好,有机薄膜晶体管(OTFTs)有望在印刷电子及可穿戴电子领域取得更多应用。包括物联网(IoT)、射频电子标签、可穿戴传感器等在内的多种应用,都要求电子器件可以在较低工作电压内提供足够的电流来驱动电路,或者具有很高的增益,可以用来放大信号。但是,目前要使OTFTs对于碳纳米管薄膜、二维材料和氧化物更具竞争力,依然存在着巨大的挑战。首先,有机半导体的迁移率通常低于无机半导体的迁移率。这导致较低的跨导(gm)和本征增益(Ai=gm·r0,其中r0为输出电阻)。第二,接触电阻,主要来源于一定膜厚引入的垂直电阻和传统制造工艺(如光刻和金属沉积)带入的无序态,成为其高频应用的主要限制因素。第三,OTFTs的开关通常不够理想,这会导致较大的工作电压(Vdd)。尽管付出了巨大的努力,但仍然很难保持亚阈值摆幅(SS)在一定范围内接近玻尔兹曼热电子极限(ln(10)(kBT)/q ≈ 60 mV/dec,其中q是基本电荷,kB是玻尔兹曼常数,T是温度)和Vdd低到可以实现电池/无线供电。最近,铪基铁电氧化物的负电容(NC)效应为低功耗和互补型金属—氧化物—半导体兼容电子产品提供了一种充满希望的解决方案。实验上,已经在硅、锗和二维材料上实现了 NC晶体管,展示了明显的亚60 mV/dec开关和gm增强的特征。此外,理论和实验都报导了 NC晶体管中漏致势垒降低(DIBL)由负到正的转变。这将导致在过渡区域附近产生无穷大的r0和本征增益,有利于实现高增益模拟放大器。但是,到目前为止,NC晶体管的这一独特优势尚未得到充分利用。在本文中,我们将结合液相法二维有机晶体与铁电HfZrOx(HZO)栅,展示柔性亚热电子有机晶体管以及超高增益放大器电路。我们进一步展示了电池供电的集成可穿戴心电图、肌电图和脉搏传感器,它们可以高保真地放大人类生理信号。论文的主要内容如下:1)通过溶液剪切法,在硅、石英和聚酰亚胺等多种基板上生长晶圆尺寸的均匀单层2,9-二癸基二萘并[2,3-b:2’,3’-f]噻吩并[3,2-b]噻吩(C10-NDTT)薄膜。有机薄膜的单晶尺寸可以达到毫米级,并且每个晶畴的取向都接近。同时,成功开发了大面积单层有机半导体晶体(OSC)的转移技术,该技术可以在不造成任何损伤的前提下将超薄OSC从原始衬底转移到目标衬底。2)基于单层C10-NDTT薄膜,铁电HZO栅和无损范德华(vdW)金属转移技术,我们制备了亚热电子有机薄膜晶体管(ST-OTFT)。我们的技术具有几个独特的功能。首先,单层有机晶体薄膜可确保器件具有出色的栅极控制能力,同时保持高达10.4 cm2V-1s-1的高迁移率。其次,铁电栅的双井能量图和NC效应打破了SS(60 mV/dec)和跨导效率(38.7 S/A)的玻尔兹曼极限,同时通过减少电压损耗提高了开态电流和gm。第三,薄膜的均匀形貌和vdW金属集成工艺确保了金属电极与沟道的直接且无损接触,实现了低于60 Ω·cm的接触电阻。3)室温下,单层ST-OTFT展示出了很高的空气稳定性,良好的偏压稳定性和稳定的开关特性。此外,单层ST-OTFT具有4.7×104的超高本征增益,比超薄氧化铟锡和肖特基势垒FET高出一个数量级以上,比二维材料和金属氧化物FET高出两个数量级以上。除了gm之外,亚阈值区域中的几乎为零的DIBL引入的超大r0(～1010Ω)是实现超高Ai的另一个重要原因。从负DIBL到正DIBL过渡,导致转变区域的r0无限大。为了进一步理解ST-OTFT的器件物理,我们使用等效电路模型进行了定量建模分析。4)通过设计合适的电极图案,我们可以利用局域背栅器件构建功能电路,如反相器和逻辑门。反相器可以在接近零输入电压时实现完全电压翻转,峰值功率约为50 nW。值得注意的是,在Vdd=-1 V(-3 V)下,我们获得了 4.1×103(1.1×104)的巨大电压增益(Av)。相对于基于有机物,金属氧化物,二维材料和碳纳米管的同类放大器结构,我们的器件增益高出了几个数量级,且保持了较低的Vdd。此外,我们展示了柔性衬底的上ST-OTFTs和有机电路。重要的是,ST-OTFTs在聚酰亚胺衬底上保留了陡峭的SS和高增益,这为可穿戴电子产品和IoT应用提供了希望。5)我们进一步展示了电池供电的,集成的可穿戴式心电图、肌电图和脉搏等生物传感器,它们可以高保真地将人体生理信号放大900倍。传感器能够检测到临床设备也难以检测的微弱心电图波,并可诊断心律不齐和房颤症状。我们的ST-OTFT有望用于电池/无线供电但性能要求很高的应用,例如电子皮肤,射频识别标签等。
