Nat. Commun.: 单层分子薄膜的超高增益晶体管及电路

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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22192-2