电压归一化转变频率改进的甚高频溶液加工有机场效应晶体管

《Advanced Science》：A Very-High Frequency Solution-Processed Organic Field-Effect Transistor With Improved Voltage-Normalized Frequency of Transition

　　

在有机场效应晶体管（OFET）中实现甚高频（VHF）和超高频（UHF）操作将扩展其在无线通信领域的应用。这一愿景仍然是一个重大挑战，由于接触电阻和电荷迁移率等内在限制以及制造相关的寄生效应，特别是在采用溶液处理方法时，OFET大多限于高频带宽（3–30 MHz）。研究人员报道了p型OFET在V_gs = V_ds = ?22 V时表现出高达135 MHz的转变频率（f_T），将f_T > 100 MHz的VHF有机晶体管的电压归一化f_T（f_T/V²）提高到0.28 MHz V^?2。这些器件通过直接写入和溶液加工技术的结合实现，采用了基于2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩（C8-BTBT）和聚(茚并二噻吩-共-苯并噻二唑)（C16IDT-BT）的空气稳定高迁移率半导体共混物。飞秒激光烧结实现了亚微米栅极重叠（～0.4 μm），最小化了宽度归一化寄生栅极电容（C_g/W ≈ 2.5 pF cm^?1）。直流和交流器件特性可以用紧凑模型近似，理论模拟表明这些OFET可能用于制造?3 dB截止频率为200 MHz的整流器。这些结果代表了向高速有机电子学迈出的重要一步，为通过可扩展的溶液加工工艺制造无线系统建立了途径。

有机微电子学凭借其大面积、低能耗、低成本、溶液加工和柔性兼容等优势，在医疗保健、生物传感、农业科技和航天等领域展现出广阔前景。然而，缺乏射频无线通信能力严重制约了其应用，尤其要实现面向可持续物联网和低轨道卫星通信的超高频（UHF，300 MHz–3 GHz）操作，目前仍面临重大挑战。有机场效应晶体管（OFET）作为有机电路的核心器件，其转变频率（f_T）通常仅支持高频（HF，3–30 MHz）带宽，主要受限于接触电阻、电荷迁移率以及制造相关的寄生效应，在溶液加工路线中尤为突出。此前，最高f_T记录为160 MHz，但该n型器件基于环境稳定性较差的P(NDI2OD-T2)，且工作电压高达40 V；而低电压器件虽然实现了较高的电压归一化转变频率，其绝对f_T仍局限于HF频段。因此，如何通过可扩展的溶液加工工艺制备低电压、高f_T且同时具备良好环境稳定性的p型OFET，是当前亟待解决的关键问题。

针对上述挑战，研究人员在发表于《Advanced Science》的论文中，报道了一种直接写入与溶液加工相结合的方法，成功制备出基于C8-BTBT:C16IDT-BT共混物的p型VHF OFET。通过飞秒激光烧结亚微米栅极，有效降低了寄生电容，最终在V_gs = V_ds = ?22 V下实现了高达135 MHz的f_T，并将f_T > 100 MHz的VHF有机晶体管的电压归一化转变频率（f_T/V²）提升至0.28 MHz V^?2，创下p型OFET的纪录。这一成果标志着溶液加工有机晶体管向UHF操作迈出了重要一步，为低成本无线有机微电子系统奠定了基础。

在技术方法上，研究人员采用高热导率氮化铝（AlN）衬底以缓解自热效应，并溅射300 nm二氧化硅作为保护层；底接触金电极经PFBT自组装单层修饰后，旋涂C8-BTBT:C16IDT-BT共混物并引入C60F48分子掺杂以降低接触电阻；介质层采用Teflon AF2400与Parylene-C双层结构，兼具高单位面积电容和良好鲁棒性；栅极由飞秒激光烧结银纳米颗粒墨形成，实现了约0.4 μm的重叠长度。电学表征包括直流转移/输出特性测试与S参数测量，并采用等效电路模型验证交流特性。材料来源包括AlN衬底购自MARUWA，C60F48由科罗拉多州立大学提供，银墨水购自Harima Chemicals，C16IDT-BT为内部合成。

在结果与讨论部分，研究人员依次完成了以下工作：

**器件结构与制备**：制备了顶栅底接触结构的OFET，采用AlN衬底和SiO₂界面层，底电极金厚度30 nm，沟道长度1.1 μm，宽度780 μm。飞秒激光烧结的银栅极厚度约70 nm，长度约2 μm，重叠长度约0.4 μm，总栅电容（C_g,tot）约为0.18–0.25 pF，宽度归一化栅电容约2.5 pF cm^?1，显著减小了寄生电容。

**直流特性与参数提取**：转移特性显示典型的单极p型行为，漏电流比开态电流低两个数量级。利用包含接触电阻的沟道方程进行拟合，提取了静态迁移率μ₀ = 0.6 cm² V^?1 s^?1，接触电阻低至约200 Ω cm，饱和区跨导g_m为150–200 μS。研究还发现，器件在关态下表现出类似二极管的特性，并通过附加参数准确建模。

**交流特性与转变频率**：通过S参数测量获得h21参数并去嵌入寄生贡献，最佳器件的f_T在V_gs = V_ds = ?22 V下达135 MHz。Y参数分析提取的小信号跨导（170 μS）和总栅电容（约0.2 pF）与直流测试及理论计算一致，验证了交流表征的可靠性。

**电路仿真**：基于提取的器件参数在Cadence Virtuoso中建立等效电路模型，模拟了半波整流器。仿真结果显示，该整流器的?3 dB截止频率可达200 MHz，表明此类VHF OFET在射频能量采集、无源RFID等无线通信应用中具有潜在价值。

在总结讨论部分，研究人员强调，VHF性能的突破源于多项策略的协同：高热导衬底和薄介质缓解了自热效应，高浓度分子掺杂显著降低了接触电阻，飞秒激光直接写入实现了亚微米重叠长度的栅极，从而将宽度归一化寄生电容降至极低水平。这些策略共同克服了溶液加工OFET在高频化道路上的主要技术障碍。研究结论表明：直接写入、溶液加工的C16IDT-BT:C8-BTBT共混物OFET可在?22 V下实现135 MHz的转变频率，对应的f_T/V²为0.28 MHz V^?2，创p型OFET最佳纪录，并为溶液制备UHF OFET及低成本无线有机微电子学的发展奠定了坚实基础。