Разработан органический тонкоплёночный туннельный транзистор для носимых устройств

Тонкоплёночные транзисторы (ТПТ), состоящие из тонких слоёв проводящих, полупроводниковых и изолирующих материалов, оказались особенно перспективными для гибкой и носимой электроники с большой площадью, а также позволили создавать более тонкие дисплеи и усовершенствованные датчики.

Несмотря на их потенциал, энергоэффективность, с которой эти транзисторы могут управлять электрическим током, оказалась труднодостижимой. Это связано с так называемым термоэлектронным пределом — теоретическим порогом, определяющим минимально возможное напряжение, необходимое транзистору для увеличения электрического тока в 10 раз при комнатной температуре при переключении между состояниями «выключено» и «включено».

Исследователи из Университета Сучжоу разработали новый тонкоплёночный транзистор на основе органических материалов, который может обойти это ограничение, поскольку работает ниже термоионного предела. Транзистор, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics, способен усиливать сигналы с поразительной эффективностью.

«Наша работа была обусловлена фундаментальной проблемой в области носимой электроники и интернета вещей (IoT): стремлением создать высокопроизводительные устройства со сверхнизким энергопотреблением», — рассказал  Цзяньшэн Цзе, старший автор статьи.

«Обычные органические тонкоплёночные транзисторы (ОТПТ) по своей сути ограничены механизмом термоэлектронной эмиссии, который устанавливает теоретический минимум для подпорогового размаха (SS) — ключевого показателя, определяющего эффективность переключения транзистора, — на уровне 60 мВ на декаду^-1 при комнатной температуре. Это неотъемлемое ограничение приводит к чрезмерному рассеиванию энергии во время переключения, что является серьёзным препятствием для энергоэффективной работы.»

Это недавнее исследование основано на перспективности так называемых туннельных полевых транзисторов (ТПТ) на основе неорганических полупроводников. Было установлено, что эти транзисторы преодолевают ограничения обычных транзисторов за счёт квантово-механического процесса, известного как межзонное туннелирование.

«Мы стремились применить эти преимущества в области органической электроники», — сказал Цзе. «Нашей главной целью была разработка органических тонкоплёночных туннельных транзисторов (ОТПТ), способных работать при напряжении ниже 60 мВ на декаду^-1, тем самым преодолевая фундаментальный термодинамический предел, который долгое время ограничивал возможности обычных ОТПТ.

Новый ОТПТ, разработанный исследователями, заменяет механизм термоэлектронной инжекции, который лежит в основе работы обычных тонкоплёночных транзисторов, на межзонное туннелирование. Этот процесс позволяет носителям заряда проходить через энергетический барьер напрямую и при чрезвычайно низком напряжении, что значительно повышает эффективность переключения устройств.

«Ключевое новшество заключается в конструкции гибридного гетероперехода между неорганическим и органическим источниками», — объяснил ученый.. — «Мы соединили триоксид молибдена (MoO₃), неорганический оксид металла с широкой запрещённой зоной, с монокристаллической тонкой плёнкой 2,7-диоктил[1]-бензотиено[3,2-b][1]бензотиофена (C8-BTBT), которая имеет относительно низкий энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО). Это создает выравнивание с «разрывным зазором», при котором HOMO C8-BTBT лежит выше зоны проводимости (CB) MoO₃ «.

Конфигурация транзистора команды приводит к резкому обрыву хвоста термически возбуждённых носителей, исходящих из источника MoO₃. Это, в свою очередь, эффективно подавляет классические процессы термоэлектронной эмиссии, делая межзонное туннелирование доминирующим механизмом инжекции носителей.

«Кроме того, за счёт введения молекулярного разделительного слоя (BPE-PDCTI) на границе раздела гетероструктур удалось эффективно ослабить эффект закрепления уровня Ферми и ещё больше снизить высоту туннельного барьера», — сказал Цзе.

«Такая стратегическая конструкция позволяет устройству инициировать межполосное туннелирование при чрезвычайно низком напряжении питания. В результате наши OTFTT преодолели термоионный предел в 60 мВ на декаду^-1, достигнув самого низкого значения в 24,2 ± 5,6 мВ на декаду^-1 среди существующих технологий тонкоплёночных транзисторов, а также рекордно высокой эффективности усиления сигнала в 101,2 ± 28,3 С А^-1».

«Наши ОТПТ  преодолевают фундаментальный термический предел — давний теоретический потолок для сверхпроводников (60 мВ на декаду при комнатной температуре), который десятилетиями ограничивал энергоэффективность обычных тонкопленочных транзисторов», — сказал Цзе. — «Это открытие не только расширяет границы возможностей органической электроники, но и позволяет создать новый класс устройств со сверхнизким энергопотреблением. Практическое применение имеет большое значение. Наши органические тонкоплёночные транзисторы идеально подходят для устройств с ограниченным энергопотреблением, таких как носимые медицинские мониторы, имплантируемые биосенсоры и автономные узлы Интернета вещей».

Примечательно, что технология ОТПТ , разработанная Цзе и его коллегами, совместима с существующими стратегиями обработки и производства электроники. В будущем её можно будет усовершенствовать и использовать для разработки широкого спектра высокоточных сенсорных устройств, в том числе трекеров для диагностики или мониторинга определённых заболеваний, систем мониторинга окружающей среды и нейроморфного (на основе принципов работы мозга) вычислительного оборудования.