Nature：具有极高和极低功函数的掺杂高分子半导体在欧姆接触中的应用

【引言】

在制作高性能半导体器件的过程中，需要通过电极和半导体层间良好的欧姆接触注入最大的电流密度。要得到欧姆接触，就要求电极分别通过空穴和电子的注入得到高和低的功函数，这里所说的功函数，就是将电子从费米能级转移到真空环境中所需的最小能量。然而，要得到具有足够高或低功函数的导电层是极具挑战的，尤其是对基于溶液法的半导体器件。空穴注入的聚合物有机半导体具有有限但极高的功函数，不过制备具有极低功函数的电子注入材料还是很困难的。其中的关键问题就是去掺杂薄膜层的稳定以及抑制掺杂离子的迁移。

【成果简介】

近日，来自新加坡国立大学的Cindy G.Tang, Mervin C. Y. Ang, Kim-Kian Choo（共同通讯）在Nature上报道了一种通用的思路来达到去掺杂薄膜层的稳定并抑制掺杂离子的迁移。通过共轭聚合物电解质的电荷掺杂得到了基于溶液法的掺杂薄膜，其具有较宽的功函数（3.0-5.8 eV），并且，掺杂薄膜由于内部的离子交换形成了自补偿的重掺杂聚合物。聚合物骨架上的移动载流子因为共价连接的反离子而得到补偿。自补偿的掺杂聚合物仅仅在表面上像是自掺杂聚合物，其原因就在于掺杂电荷载流子的分离和自补偿，这使得可以通过使用更强的掺杂剂得到极高或极低的功函数。

实验表明，基于溶液法的欧姆接触可以用于高效有机发光二极管、太阳能电池、光电二极管和晶体管，此外，还可应用在全载流子欧姆注入的聚芴中（一种宽禁带的蓝光聚合物有机半导体发光二极管基准物质）。此外，通过掺杂的聚合电解质作用，金属电极可以转变为高效的空穴或电子注入接触，这就使得双极场效应晶体管转变为p-沟道或n-沟道晶体管成为可能。这种研究方法不仅可以在有机半导体中形成欧姆接触，也可应用于其他半导体材料中，比如钙钛矿、量子点、纳米管以及二维材料。

【图文导读】

图1 自补偿掺杂有机聚合物半导体中通过固定反离子达到掺杂物的稳定

（a）自补偿的p型（上）和n型（下）聚合物有机半导体

（b）自补偿的空穴掺杂有机半导体层（OSC-1）和相邻的有机半导体层中掺杂剂的稳定示意图

（c）自补偿的空穴掺杂有机半导体层（OSC-1）和相邻的有机半导体层中掺杂剂的稳定实验数据

图2 欧姆电荷注入和电荷收集特性

（a）具有170nm厚PFOP层的空穴二极管(ITO/HIL/PFOP/MoO3)的电流密度-电压（J-V）特性曲线

（b）具有120nm厚PFOP层的电子二极管(ITO/PEDT:PSSCs/PFOP/EIL)的电流密度-电压（J-V）特性曲线

（c）具有110nm厚DPPT2-TT层的电子二极(ITO/PEDT:PSSH/DPPT2-TT/EIL)的电流密度-电压（J-V）特性曲线

（d）具有90nm厚PBDTTPD:PCBM层的电子二极管(ITO/HCL/PBDTTPD:PCBM/Ca)的电流密度-电压（J-V）特性曲线

图3 具有极高和极低功函数电荷注入层的蓝光二极管

（a）具有90nm厚PFOP层的发光二极管(ITO/HIL/PFOP/EIL)的电流密度-电压（J-V）特性曲线和发光强度-电压（L-V）特性曲线

（b）上述发光二极管的发光效率-电压曲线

图4 具有极高和极低功函数夹层的不同电极间的区别

（a）场效应晶体管（FET）的结构示意图

（b）转移特性的线性曲线

（c）转移特性的半对数曲线

（d）互补金属-绝缘体-半导体逆变器的结构图、光学照片及其特性曲线

文献链接：Doped polymer semiconductors with ultrahigh and ultralow work functions for ohmic contacts (Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature20133)

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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