近年來，柔性電子以其獨特的柔韌性、延展性和可穿戴性，為電子領(lǐng)域帶來了全新的可能性。但隨著集成系統(tǒng)中晶體管密度的增加，其功耗逐漸成為不可忽視的問題。近日，蘇州大學(xué)張曉宏團隊創(chuàng)新性地提出了一種全新的有機薄膜隧穿晶體管，突破了低壓有機薄膜晶體管的性能瓶頸，功耗較目前報道的有機晶體管下降了一個數(shù)量級以上。相關(guān)論文已發(fā)表在《自然·電子》雜志上。

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圖為有機薄膜隧穿晶體管工作原理和器件性能。

作為一項顛覆性科學(xué)技術(shù)，柔性電子正在重塑電子設(shè)備的形態(tài)與功能，是引領(lǐng)后摩爾時代信息技術(shù)變革性發(fā)展的重要方向。有機薄膜晶體管憑借其本征柔韌性、生物相容性、功能可調(diào)以及可大面積高效加工等優(yōu)勢，是推動未來柔性顯示、腦機接口、可穿戴健康監(jiān)測、智能傳感、柔性芯片等新興領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵元器件。

要滿足柔性電子應(yīng)用需求，有機薄膜晶體管不僅需要具備足夠高的電學(xué)性能，還須能在低的工作電壓下運行。然而，如何在低電壓下維持有機薄膜晶體管的高電學(xué)性能，一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。這一難題主要歸因于傳統(tǒng)有機薄膜晶體管的亞閾值擺幅（SS）值，即將電流開關(guān)一個量級所需電壓的大小，通常受制于玻爾茲曼熱電子發(fā)射理論的限制。

針對上述難題，張曉宏教授團隊首次創(chuàng)制了一種全新的有機薄膜隧穿晶體管，研究團隊設(shè)計并利用深導(dǎo)帶的n-型金屬氧化物與p-型有機半導(dǎo)體單晶薄膜，構(gòu)建了破隙型源-溝道異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生大的空穴隧穿能量窗口。同時，團隊通過在該異質(zhì)結(jié)間引入界面分子解耦層，緩解了費米能級釘扎效應(yīng)，有效降低了隧穿注入勢壘，該設(shè)計使得器件在極低的供給電壓下即可觸發(fā)電荷的帶間隧穿。

這項研究突破了自有機薄膜晶體管發(fā)明以來，器件亞閾值擺幅長期受制于玻爾茲曼熱電子發(fā)射理論極限的現(xiàn)狀，為發(fā)展高性能、低功耗薄膜晶體管提供了全新思路。在應(yīng)用場景方面，可拓展至生物醫(yī)學(xué)信號（如腦電、肌電）的高精度放大、環(huán)境微弱信號（如微量氣體、弱光）的高靈敏探測，以及物聯(lián)網(wǎng)終端的低功耗信號處理模塊。同時，通過“保護層輔助光刻”等集成工藝，推動器件與柔性基板、傳感器陣列的一體化設(shè)計，加速低功耗有機電子系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進程。