高增益晶体管在低功率电路、存储器和高灵敏度传感器等领域具有广阔的应用前景。然而，普通有机薄膜晶体管通常只有几十到几百的低本征增益，严重影响器件和电路的放大能力及应用。为了获得高增益，文献中报道了一些具有不同工作模式的晶体管，包括亚阈值晶体管和源栅晶体管，但是亚阈值晶体管的操作电压被限制在狭窄的亚阈值区，而不是常规操作的开态区。另一方面，很多高增益晶体管存在势垒难以调控和复杂的界面问题，如费米能级钉扎和界面化学无序等。
天津大学|新莆京·7906app李立强-陈小松课题组报道了一种基于金属-势垒层-半导体（Metal-barrier interlayer-semiconductor，MBIS）范德华结的有机薄膜晶体管（MBIS-OTFT），其本征增益高达104，这是已报道的最高值之一。相比于传统的薄膜晶体管，该有机薄膜晶体管的本征增益获得了数量级的提升。更重要的是，这种高增益有机薄膜晶体管可以在开态区操作，这是薄膜晶体管的典型操作区域。此外，该器件的先进特征还包括：低饱和电压、低迟滞、可调节的势垒以及优异的稳定性。
图1. 超高增益有机薄膜晶体管（MBIS-OTFT）和本征增益统计图。图片来源：Sci. Adv.
在MBIS-OTFT器件中，特殊的液态金属（镓铟合金，EGaIn）电极在中间层势垒调节和高质量范德华界面的形成中发挥着关键作用。一方面，高质量的MBIS范德华结突破了金属-半导体接触界面的限制。作为势垒中间层的宽带隙氧化镓可以通过控制液态金属电极的原位氧化来实现势垒高度的调节。另一方面，高质量的范德华界面主要归因于通过低能量的微流控技术制备的液态金属源漏电极，从而有效避免了费米钉扎和界面化学无序。这种高质量MBIS范德华结有利于载流子以热电子发射模式通过势垒，从而产生超高增益、高输出电阻以及低饱和电压。
图2. MBIS-OTFT的电学性质。图片来源：Sci. Adv.
作者还通过一系列原位实验和器件模拟进一步揭示了势垒与器件性能之间的内在关系。由于MBIS-OTFT器件具有超高的本征增益，因此电流源反相器也获得了超高本征增益（5130）。此外，本工作还展示了一种高性能的稳流器。在20 V电压范围波动情况下，单个MBIS-OTFT即可实现电流的稳定输出，而无需复杂的电路设计。这种超高增益的有机晶体管有望应用于低成本、低功耗的可穿戴电子设备等领域。
图3. 高性能的电路应用：高增益反相器和稳流器。图片来源：Sci. Adv.
以上工作相关论文近期在线发表于Science Advances期刊。天津大学|新莆京·7906app分子聚集态科学研究院李立强教授和陈小松副教授主持了该工作，为论文通讯作者，上海交通大学|新莆京·7906app电子信息与电气工程学院|新莆京·7906app郭小军教授为共同通讯作者。天津大学|新莆京·7906app分子聚集态科学研究院助理研究员、博士后王曙光为该论文的第一作者。天津大学|新莆京·7906app有机集成电路教育部重点实验室、天津市分子光电科学重点实验室胡文平教授对本研究提供了支持和指导。该研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，天津市自然科学基金，海河实验室的资助。
论文信息：
Ultrahigh-gain Organic Transistors Based on van der Waals Metal-barrier interlayer-semiconductor Junction
Shuguang Wang, Lei Han, Ye Zou, Bingyao Liu, Zhi-hao He, Yinan Huang, Zhongwu Wang, Lei Zheng, Yong-xu Hu, Qiang Zhao, Yajing Sun, Zhi-qing Li, Peng Gao, Xiaosong Chen*, Xiaojun Guo*, Liqiang Li * and Wenping Hu.
Science Advances, 2023, 9, eadj4656, DOI: 10.1126/sciadv.adj4656.
原文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj4656
