Новые органические транзисторы: прорыв для носимой электроники

В стремлении удовлетворить растущие потребности гибкой и носимой электроники, такой как умные часы и биомедицинские датчики, инженеры-электронщики ищут высокопроизводительные транзисторы, способные эффективно модулировать электрический ток, сохраняя при этом механическую гибкость. Тонкопленочные транзисторы (TFT), состоящие из тонких слоев проводящих, полупроводниковых и изоляционных материалов, оказались особенно перспективными для гибкой электроники большого формата и носимых устройств, а также для создания более тонких дисплеев и передовых датчиков.

Несмотря на их потенциал, улучшить энергоэффективность переключения электрического тока этими транзисторами оказалось непросто. Это связано с так называемым термоэмиссионным пределом — теоретическим порогом, определяющим минимально возможное напряжение, необходимое для усиления электрического тока в 10 раз при комнатной температуре при переключении между состояниями «выключено» и «включено».

Исследователи из Университета Сучжоу и других институтов разработали новый TFT на основе органических материалов, который может обойти это ограничение, работая ниже термоэмиссионного предела. Разработанный транзистор, представленный в публикации в Nature Electronics, продемонстрировал замечательную эффективность усиления сигналов.

«Нас подтолкнула фундаментальная задача в носимой электронике и Интернете вещей (IoT): поиск высокопроизводительных устройств с сверхнизким энергопотреблением», — пояснил старший автор статьи Цзяньшэн Цзе. «Традиционные органические тонкопленочные транзисторы (OTFT) изначально ограничены механизмом термоэмиссии, который устанавливает теоретический минимум для субпорогового наклона (SS) — ключевого показателя, определяющего эффективность переключения транзистора — в 60 мВ/декаду при комнатной температуре. Это ограничение приводит к чрезмерному рассеянию энергии во время операций переключения, что является серьезным препятствием для энергоэффективной работы».

Данное исследование развивает недавние работы, подчеркнувшие перспективность так называемых туннельных полевых транзисторов (TFET) на основе неорганических полупроводников. Эти транзисторы преодолели ограничения традиционных транзисторов, используя квантово-механический процесс, известный как туннелирование между зонами. «Мы стремились перенести эти преимущества в область органической электроники», — сказал Цзе. «Наша главная цель заключалась в разработке органических тонкопленочных туннельных транзисторов (OTFTT), способных работать с показателем SS ниже 60 мВ/декаду, тем самым преодолевая фундаментальный термоэмиссионный предел, который долгое время определял работу традиционных OTFT. Демонстрируя такое поведение на гибкой органической платформе, пригодной для обработки в растворе, наше исследование устраняет критический пробел в технологической эволюции органической электроники и прокладывает путь к низковольтным, высокоэффективным гибким схемам для носимых устройств и приложений IoT следующего поколения».

Новый OTFTT, разработанный исследователями, заменяет механизм термоэмиссионной инжекции, лежащий в основе работы традиционных TFT, на туннелирование между зонами. Этот процесс позволяет носителям заряда проходить через энергетический барьер напрямую и при чрезвычайно низких напряжениях, значительно повышая эффективность переключения устройств.

«Ключевая инновация заключается в дизайне гибридной неорганико-органической гетероструктуры источник-канал», — объяснил Цзе. «Мы объединили оксид молибдена (MoO3), неорганический металлооксид с глубокой зоной проводимости, с монокристаллической тонкой пленкой 2,7-диоктил[1]-бензотиено[3,2-b][1]бензотиофена (C8-BTBT), обладающей относительно низким уровнем энергии высшей занятой молекулярной орбитали (HOMO). Это создает выравнивание с «разорванной зоной», где HOMO C8-BTBT находится выше зоны проводимости (CB) MoO3».

Такая конфигурация транзистора команды резко обрезает термически возбужденный хвост носителей, исходящих из источника MoO3. Это, в свою очередь, эффективно подавляет классические процессы термоэмиссии, делая туннелирование между зонами доминирующим механизмом инжекции носителей.

«Между тем, путем введения слоя молекулярного разделения (BPE-PDCTI) на границе гетероперехода, эффект привязки уровня Ферми был эффективно устранен, а высота туннельного барьера была дополнительно снижена», — сказал Цзе. «Этот стратегический дизайн позволяет устройству инициировать туннелирование между зонами заряда при чрезвычайно низком напряжении питания. В результате наши OTFTT преодолели термоэмиссионный предел SS в 60 мВ/декаду, достигнув самого низкого SS в 24,2 ± 5,6 мВ/декаду среди существующих технологий тонкопленочных транзисторов, наряду с рекордно высокой эффективностью усиления сигнала 101,2 ± 28,3 С/А».

Сверхнизкий SS, достигаемый вновь разработанным транзистором, чрезвычайно благоприятен для разработки схем усиления сигналов с низким энергопотреблением. В первоначальных тестах схемы на основе транзистора продемонстрировали усиление более 537 В/В при сверхнизком энергопотреблении менее 0,8 нВт.

«Наши OTFTT преодолевают фундаментальный термоэмиссионный предел — давний теоретический потолок SS (60 мВ/декаду при комнатной температуре), который десятилетиями ограничивал энергоэффективность традиционных тонкопленочных транзисторов», — заявил Цзе. «Этот прорыв не только переопределяет границы производительности органической электроники, но и открывает новый класс устройств со сверхнизким энергопотреблением. Практические последствия весьма существенны. Наши OTFTT идеально подходят для приложений с ограниченным энергопотреблением, таких как носимые медицинские мониторы, имплантируемые биосенсоры и самопитающиеся узлы IoT».

Важно отметить, что OTFTT, разработанный Цзе и его коллегами, совместим с существующими стратегиями обработки и производства электроники. В будущем его можно будет доработать и использовать для разработки широкого спектра высокоточных датчиков, включая трекеры для диагностики или мониторинга конкретных заболеваний, системы экологического мониторинга и нейроморфное (вдохновленное работой мозга) вычислительное оборудование.

«Сокращая разрыв между внутренними физическими ограничениями органических полупроводников и строгими требованиями к эффективности технологий следующего поколения, эта работа представляет собой критический шаг на пути к интеллектуальным, повсеместным и экологически безопасным электронным системам», — сказал Цзе. Другие исследователи в ближайшее время смогут развить дизайн команды и приступить к разработке аналогичных OTFTT. Тем временем Цзе и его коллеги планируют продолжать совершенствовать свое устройство, например, оптимизируя его производительность путем тщательного управления энергетическими уровнями на границе раздела органических материалов, на которых оно основано.

«Для этого мы выберем органические полупроводники с уменьшенными запрещенными зонами и меньшей эффективной массой носителей, а также создадим межфазные слои разделения с высокой проводимостью, которые могут повысить эффективность туннелирования и производительность транзистора», — добавил Цзе. «Мы также расширим технологию до n-типа OTFTT, чтобы обеспечить полностью органические туннельные логические схемы, устраняя текущий пробел в низковольтных органических логических приложениях. Кроме того, мы планируем использовать OTFTT для высокоточного усиления биомедицинских сигналов (например, ЭЭГ, ЭМГ), сверхчувствительного экологического мониторинга (например, обнаружение следовых газов, низкоуровневая визуализация) и низкопроизводительной обработки сигналов IoT. Наконец, мы продолжим разработку масштабируемых методов интеграции для крупномасштабного производства OTFTT на гибких подложках, стремясь ускорить промышленное внедрение высокопроизводительных, энергоэффективных органических электронных систем».