有机HEMT晶体管

The HEMT device is a typical example of band engineering of inorganic semiconductors. Electrons distribute in a very thin layer due to the limit of energy well, and form a two dimensional electron gas (2DEG). By using the 2DEG as transport channel, HEMT shows a high mobility. If we want to realize the band engineering of organic semiconductors, the following points are necessary. First, the band transport of charge carrier. Many experiments have demonstrated the band or band-like transport for organic semiconductors with the high mobility. Second, sharp interfaces can reduce the scattering, and is benefit to the 2DEG transport. Organic weak epitaxy growth can fabricate the smooth thin films at the molecular degree, and then will obtain the sharp interfaces. Therefore, the band engineering of organic semiconductors is possible in theory and technology. This project will fabricate HEMT devices by using organic 2DEG as transport channel, and will also explore the relationship of between the formation of 2DEG and the match of energy levels, and reveal the features of 2DEG.

HEMT器件是无机半导体能带工程的典型运用。受到能量势阱限制的电子分布在一个很薄的区域内，形成准二维电子气体（2DEG）。利用2DEG作为传输沟道制备的晶体管（HEMT）具有很高的载流子迁移率。如果要在有机半导体中实现能带工程制备高迁移率的HEMT器件，需满足两个基本条件。第一，载流子的能带传输。实验已经证明高迁移率半导体具有能带或者类能带的传输特性，这为能带工程的实现提供了可能。第二，制备规整的界面，减少散射，利于2DEG的高效传输。有机弱外延生长技术能够制备表面达到分子级的平滑程度的有机薄膜，从而能够获得规整的有机界面。因此，有机半导体在理论和技术上的成熟为实现其能带工程提供了机会。本项目拟利用有机2DEG作为传输沟道制备HEMT晶体管，并将探讨有机2DEG的形成与材料能级匹配的关系，以及揭示有机2DEG的特性。

在无机半导体中，高电子迁移率晶体管(HEMT)是利用二维电子气(2DEG)做为传输沟道，由于载流子在二维内受限传输能够获得较高迁移率。我们借鉴这个无机半导体能带工程的思想，在有机电子学中采用有机量子阱结构制备了HEMTs。我们采用方形势阱和三角形势阱两种方法来实现有机HEMT晶体管。利用方形量子阱结构（p-6P/VOPc/p-6P）对载流子的束缚效应，将高浓度的电子束缚在量子阱内的分立化能级上，形成二维电子气。利用该二维电子气作为传输沟道，最高电子迁移率达到了10 cm2/Vs。我们采用光学吸收和共振隧穿二极管等手段证明了量子分立化能级和二维电子气的存在。相比于传统的场效应晶体管，有机二维电子气的优势在于其高密度载流子的二维高效传输，另外，其传输沟道位于有机半导体层的内部，远离有机/绝缘层界面，避免了界面缺陷和杂质散射等影响。我们也说明了有机HEMT工作机制，并建立了工作模型。另外，利用修饰层对界面电子结构的调节作用，我们采用低功耗的金属氧化物修饰界面，导致了VOPc薄膜内较深的三角形势阱和大量的电子累积，从而制备了三角形势阱的有机HEMT器件,电子迁移率达到 8 cm2/Vs. 我们的工作将半导体能带工程的思想引入到有机电子学领域，说明了有机半导体也能够采用能带工程的方法制备新型器件。这为有机电子学的进一步发展奠定了基础，提供了新的契机。