德国马普所Hagen Klauk采用直写电子束光刻技术在玻璃和柔性衬底上制备沟道长度小至200 nm，栅极到触点重叠小至100 nm的低电压p沟道和n沟道有机薄膜晶体管。p沟道晶体管的on/off比可达4×109，亚阈值摆幅可达70 mV/devade，n沟道晶体管的on/off比可达108，亚阈值摆幅可达80 mV/decade，这是迄今为止报道的纳米级有机晶体管最大的on/off电流比。基于两个沟道长度为200 nm，栅极到触点间距为100 nm的p沟道晶体管逆变器展示了在电源电压为1~2 V时，开关-延迟时间常数在40~80 ns之间，对应的电源电压归一化频率约为6 MHz/V，这是迄今为止报道的用无掩模光刻法制作的有机晶体管的最高电压归一化动态性能。该工作发表于Science Advances，题为“Nanoscale flexible organic thin-film transistors”。
技术亮点：
p沟道晶体管on/off比可达4×109，亚阈值波动可达70 mV/devade，n沟道晶体管on/off比可达108，亚阈值波动可达80 mV/decade；
单极逆变器在电源电压为2 V时，其特征开关延迟时间常数为40 ns，对应于电源电压归一化频率约为6 MHz/V。
图文分析：
传输频率与TFT参数的关系
图1显示对于大于约100 ohm·cm的接触电阻，固有信道迁移率对传输频率的影响相对较弱，而接触电阻（RCW）和关键TFT尺寸（L和Lov）相当可观。因此，通过减少接触电阻或通道长度以及栅极与触点重叠可以预期提高传输频率。
器件结构
图2为TFT横截面示意图和有机半导体的分子结构以及用于接触功能化的分子示意图。TFT 采用底部栅极、底部接触结构制造。通过电子束光刻和剥离对铝栅电极和金源漏极接触进行图案化。栅极电介质是一堆等离子体生长的氧化铝（AlOx）和膦酸自组装单层（SAM），厚度为8 nm，单位面积电容为0.7μF/cm2。两种不同的真空沉积小分子有机半导体，即2,9-二苯基-二萘并[2,3-b:2′，3′-f]噻吩并[3,2-b]噻吩（DPh-DNTT）和ActivInk N1100，分别用于p沟道和n沟道TFT。在沉积有机半导体之前，源极和漏极接触的表面用五氟苯硫醇（PFBT）或苯甲硫醇（BM）的化学吸附单层官能化，以分别最小化p沟道和n沟道TFT中的接触电阻。
柔性纳米有机薄膜晶体管
图3显示了TFT PEN基板照片、PEN基板上25个有机TFT阵列、TFT扫描电子显微镜（SEM）图像以及DPh DNTT TFT的部分沟道区域的SEM图像，该TFT的沟道长度为300 nm，栅极与接触重叠为100 nm，还显示了真空沉积的DPh-DNTT薄膜的特征薄膜形态。所有TFT的源极和漏极触点均采用梳状布局设计（该方法消除了电子束光刻过程中对邻近效应校正的需要），接触指宽度为1μm，指对指间距为1μm。TFT的沟道宽度在这里被定义为两个最外指状物的最外边缘之间的距离。由于大部分漏极电流预计会在每对接触指边缘所界定的区域内流动，将沟道宽度定义为两个最外指之间的距离将导致对沟道宽度-归一化跨导（gm/W）的低估和对沟道宽度-归一化接触电阻（RCW）的高估，高估幅度略小于2倍。然而一部分漏极电流在接触边缘定义的边界外流动，因此根据这些边缘电流对漏极电流的贡献程度，gm/W的低估和RCW的高估将小于2倍。
柔性PEN衬底上制造的p沟道DPh-DNTT TFT电流-电压特性
图4总结了在柔性PEN基板上制造的沟道长度为200至900 nm、栅极与触点重叠为100或200 nm的p沟道DPh DNTT TFT的测量电流-电压特性。传输特性表明，开/关电流比在1×108和4×109之间，亚阈值摆动在80和150 mV/decade之间，导通电压在0.0和0.4 V之间，沟道宽度归一化跨导（gm/W）高达0.7 S/m。这里观察到的小截止状态漏极电流、接近零的导通电压、大的导通/截止电流比和小的亚阈值摆动证实，只要栅极电介质厚度比沟道长度小至少10到20倍，在具有纳米级沟道长度的柔性有机TFT中确实可以获得有用的静态性能。考虑到移动或可穿戴系统对低压设备操作和超低功耗的严格要求，小截止状态漏电流和小亚阈值摆动至关重要。
低压TFT操作
图5显示了在柔性PEN基板上制造的沟道长度为600 nm、栅接触重叠为400 nm的p沟道DPh DNTT TFT在最大栅源极和漏源极电压为-1 V时的测量传输和输出特性。传输特性表明导通电压为0.0 V，亚阈值摆幅为70 mV/decade，导通/截止电流比为3×108；这是迄今为止报道的有机TFT在0至±1V或更低的栅源电压范围内的最大开/关电流比。
逆变器和动态性能
图6显示了逆变器的电路原理图和测量的静态和动态特性，以及具有（L=200nm，Lov=100nm）器件尺寸的单个TFT的传输特性。TFT特性表明，开/关电流比为4×107，亚阈值摆幅为70 mV/decade，导通电压为-0.1 V，沟道宽度归一化跨导为0.2 S/m，有效电荷载流子迁移率（μeff）为0.1 cm2/Vs。从逆变器的静态传输曲线中，提取了2.7的小信号增益。
在玻璃基板上制造的 n 沟道 ActivInk N1100 TFT 的传输和输出特性
除p沟道TFT（基于DPh-DNTT作为半导体）外，还使用Polyera ActivInk N1100作为半导体制造n沟道有机TFT。图7总结了在玻璃基板上制造的沟道长度为200至800 nm、栅极与接触重叠为150 nm的n沟道N1100 TFT的测量电流-电压特性。传输特性表明，开/关电流比高达108，亚阈值摆动小至80 mV/decade，导通电压在0.1至-0.5 V之间，沟道宽度归一化跨导（gm/W）高达0.2 S/m。这是首次报道沟道长度低于1μm的n沟道有机TFT的开/关电流比高于107或亚阈值摆动低于100mV/decade。
结论展望
本文报道的纳米级TFT和反相器是使用电子束光刻技术制造的。虽然电子束光刻的主要缺点是其低吞吐量，但这并不排除使用电子束光刻在更大规模上制造有机TFT和电路的潜力。正如其他无掩模图案化技术（如激光光刻和喷墨印刷）的吞吐量可以通过实施多束或多个喷嘴大大提高一样，电子束光刻的效率也可以通过实施可单独寻址的电子束阵列大大提高。尽管本工作主要目的不是建议电子束光刻作为大规模生产有机TFT的方法，而是确认在柔性塑料基板上制造的沟道长度和栅极接触重叠在几百纳米范围内的有机TFT可以提供有用的静态性能，包括接近零的开启电压以及关断状态的漏极电流、开/关电流比和亚阈值摆动，与长沟道有机TFT的最佳值相当。
文献来源
Nanoscale flexible organic thin-film transistors. Science Advances(2022).
https://doi.org/10.1126/sciadv.abm9845
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