可穿戴电子设备面临的关键问题是需要同时实现柔性、低功耗以及微弱信号的放大。有机分子由于材料的可设计性和本征柔性,一直是可穿戴电子的有力竞争者。制备高性能、高增益、低功耗的有机晶体管及电路是有机电子领域的难点。
在过去的几十年里,从材料设计合成到器件和集成电路,有机电子都取得了显著的进展。目前,OLED已经广泛应用于商业化的移动终端显示。
然而,仍然存在多个挑战阻碍了有机电子器件的进一步发展与应用。第一,有机半导体的迁移率普遍低于无机半导体,导致晶体管跨导和开态电流较低;第二,垂直方向的电荷传输和传统加工工艺引入的较高接触电阻,使得其难以应用于高频领域;第三,非理想的器件开关性能,限制了有机器件在电池和无线供电等低功耗场景的应用。 南京大学王欣然教授课题组与香港大学陈国梁教授课题组合作,结合液相法制备的大面积单层有机薄膜、具有负电容效应的铁电栅介质和无损伤的范德华集成工艺,成功制备了本征增益达5.3×104的有机薄膜晶体管。
在此基础上制备了反相器和逻辑门等功能性电路,其中反相器的电压增益在3V工作电压下达到了1.1×104,是目前报道的最高值。进一步,集成实现了钮扣电池供电的柔性放大器芯片,可用于人体心电信号的检测与放大。该芯片可以将人体心电信号放大超过300倍,并保持高保真度,其检测微弱心电信号(如房颤波)的能力甚至超过当前医用的临床设备。该研究成果于2021年3月26日以“Sub-thermionic, ultra-high-gain organic transistors and circuits”为题发表于Nature Communications。
图1:基于晶圆尺寸单层有机分子薄膜的亚热电子晶体管。
与二维层状原子晶体相似,由于层间和层内分子之间相互作用的各向异性,许多有机晶体也具有层状结构。研究团队通过优化溶液剪切法,成功地获得了晶圆尺寸均匀的单层有机薄膜(图1a,b)。该工艺与柔性衬底完全兼容,有助于大面积制造柔性有机器件与电路。
研究团队开发出了一种无溶剂、低损耗的器件制备工艺,可以简单地将图形化的金属电极转移到有机薄膜上。与传统的图形化和金属蒸发工艺不同,该工艺可以保护相对脆弱的有机薄膜免受溶剂、高能金属颗粒和电子束辐射的影响,实现了高质量的金属-有机半导体界面和小于60Ωcm的超低接触电阻。
降低晶体管功耗的关键是降低工作电压,这最终受限于“开”态和“关”态之间过渡区域的陡峭程度,即亚阈值摆幅(SS)。由于玻尔兹曼极限的限制,室温下常规晶体管的SS被限制在60mV/dec之上。针对这个问题,研究团队将铁电氧化物引入有机晶体管结构中。负电容效应可以突破玻尔兹曼极限,并实现亚热电子(低于60mV/dec)开关(图1d,e)。此外,负电容效应理论上可提供无限大的输出电阻,这是有助于实现超高本征增益(与输出电阻和跨导成正比)的关键参数。
图2:超高增益有机放大器。
基于亚热电子单层有机晶体管,研究团队还制备了功能性的反相器和逻辑门。在3V工作电压下,反相器电压增益超过1.1×104,打破了使用不同材料的类似器件的记录(图2)。
图3:基于低功耗、高增益有机电路的集成式生物传感。
研究团队还成功实现了超高增益有机晶体管和放大器的柔性化(图3a),其性能随弯曲不发生显著退化。基于该技术,研究团队集成化了1.5V钮扣电池供电的柔性放大器芯片(图3b),并成功应用于人体心电、脉搏等微弱信号的放大与检测。该芯片可以将心电信号放大超过300倍,并保持高保真度,在临床实验中检测出了微弱的房颤波信号,甚至优于当前医用的临床设备(图3e)。在人体脉搏信号的检测中,该芯片将脉搏信号放大900倍以上,在低电压下展现了优异的模拟信号放大性能。
该研究表明,亚热电子有机晶体管技术有望应用于电池供电的连续健康监测,未来可以通过集成无线数据传输,进行云端的实时诊断。南京大学王欣然教授与香港大学陈国梁教授为论文的共同通讯作者。南京大学罗中中博士、香港大学彭博宇博士、南京大学博士生曾俊鹏和于志浩博士为论文的共同第一作者。此外,该研究还得到了中国科学院微电子研究所刘明院士、李泠研究员,清华大学冯雪教授,南京大学施毅教授、潘力佳教授、何道伟副教授,南京大学附属鼓楼医院谢峻主任、史冬泉主任,天津大学黄显教授,香港城市大学陆洋教授等给予的大量支持和帮助。
原文标题:Nat. Commun.: 单层分子薄膜的超高增益晶体管及电路
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