https://www.nature.com/articles/s41467-022-30527-w
在垂直有机场效应晶体管中，主导载流子注入的肖特基势垒的调制在很大程度上依赖于源电极。近日，福州大学陈惠鹏课题组利用超薄多孔MXene导电薄膜作为源电极，实现了具有73mv/dec的低亚阈值摆幅和饱和输出电流的垂直有机晶体管。随着制造成本的增加和短沟道效应等器件物理的限制，在平面型场效应晶体管中适用多年的摩尔定律逐渐达到了瓶颈。得益于固有的超短沟道长度，垂直有机场效应晶体管具有高工作频率、低工作电压、大电流密度等优势在下一代电子器件中引起了极大的关注。然而，受到源电极的电场屏蔽和寄生电容的影响，实现具有优异栅极调控能力和饱和输出特性的垂直场效应晶体管仍是一个巨大挑战。该工作系统地研究了垂直有机场效应晶体管中载流子的注入模型，采用超薄MXene作为源电极，制备了具有超低亚阈值摆幅并且实现饱和输出特性的垂直场效应晶体管。研究发现，超薄的多孔MXene薄膜同时具有单层石墨烯和多孔金属电极的肖特基势垒调制机制，进一步提升了器件的栅极调控能力，实现了73 mv/dec的亚阈值摆幅。同时，MXene的部分氧化形成的钝化层消除了源极和漏极之间的泄漏电流，解决了垂直场效应晶体管中常见的输出电流不饱和的问题。此外，该器件在无需额外功能层的情况下，可以实现宽光谱快速响应的光探测功能。该工作为高性能垂直场效应晶体管的研制提供了现实可行的方法，为突破摩尔定律的瓶颈提供了新的可能▲图1：文章使用的有机半导体材料的化学式以及MXene薄膜的形貌表征
MXene薄膜的形貌表征：使用SEM、TEM、光学显微镜和AFM表征了MXene薄膜的形貌，说明片状MXene的堆叠形成了连续的多孔导电薄膜，并且薄膜的厚度仅为1.7纳米。多孔和超薄的薄膜特性奠定了垂直有机场效应晶体管的工作基础。▲图2：分别采用MXene薄膜和银纳米线作为源电极的垂直有机晶体管的性能对比
与银纳米线作为源电极的垂直有机晶体管相比，MXene薄膜作为源电极提升了垂直晶体管的栅极调控能力，将垂直有机晶体管的亚阈值摆幅降低到73 mv/dec，并且实现了饱和的输出电流。▲图3：热激发模型计算垂直晶体管的等效肖特基势垒、无孔洞MXene薄膜作为源电极的垂直有机晶体管性能
器件能够具有优异的栅极调控能力实现低亚阈值摆幅的原因有以下几点：1. 超薄的MXene薄膜具有较低的粗糙度，和有机半导体之间形成了良好的接触界面。2. MXene的功函数和有机半导体的HOMO能级更为匹配，进一步降低了肖特基势垒。3. 在制备没有孔洞的MXene薄膜作为源电极时，发现晶体管依旧具有栅极调控的能力。这说明，类似于单层的石墨烯电极，超薄MXene薄膜只是部分屏蔽了栅极的电场。因此文章采用的多孔MXene薄膜在单一材料上同时具有单层石墨烯部分屏蔽栅电场的效果，又具有多孔金属电极的肖特基势垒调控机制，进一步提升了器件的栅极调控能力。▲图4：垂直晶体管的电流传输模型、COMSOL模拟仿真说明实现输出电流饱和的机制。
使用COMSOL对垂直晶体管的电场和电流分布进行模拟仿真，说明超薄的MXene薄膜降低了源极和漏极之间的电场，MXene部分氧化形成的TiO2钝化层消除了源极和漏极之间的泄露电流实现了输出电流的饱和。由于MXene部分氧化形成的MXene-TiO2组分，在无需额外功能层的情况下，器件还可以实现从紫外光到可见光的宽光谱探测功能，并且在紫外光下实现10ms的快速光响应。文章采用MXene作为垂直OFET的源电极制备了具有73 mv/dec超低亚阈值摆幅及饱和输出特性的垂直OFET。超薄的MXene薄膜同时具备单层石墨烯和多孔金属电极的肖特基势垒调制机制，进一步提升器件的栅极调控能力。此外，COMSOL仿真和实验证明MXene 的部分氧化有助于消除源极和漏极之间的泄漏电流从而实现饱和输出。该工作为高性能垂直OFET的研制提供了可行的方法，促进其实际应用。https://www.nature.com/articles/s41467-022-30527-w
