ACS Nano：可伸缩全碳碳晶体管在可伸缩电子器件应用中限制因素的研究

【引语】

可伸缩特性可使电子设备构成不规则的3D结构，而这些可伸缩器件具备有高表面覆盖率，耐用性明显改善和加工成本降低的优点。可伸缩电子设备的实现需要本身具备可伸缩的导体、半导体、电介质以及层间作用的优化。薄膜材料需要克服多相材料间的粘连问题以及层间的模量不匹配等问题。一维（1D）薄膜材料中，具有高长径比的单壁碳纳米管（SWNT）表现出低渗透阈值，因而电导率对应变有较小的依赖性。目前可用于可伸缩晶体管的电介质有离子凝胶电介质、离子极化电介质。这些电介质的厚度与电容量具有不相干性，可简化电子器件的制备。然而，这些电介质也存在滞缓现象明显、反应时间慢以及对环境条件敏感等问题。通过采用偶极子浓度极低的电介质如非极性苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）氢化弹性体实现离子传导最小化和消除滞缓现象。

【成果简介】

近日，斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）在ACS Nano发表了“Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics” 的文章。研究人员设计和构建了由SWNT半导体电极和非极性弹性体电介质组成的可伸缩晶体管。非极性弹性体电介质的使用可有效改善器件的无滞后特性。与SiO₂介质器件相比，非极性电介质可伸缩器件在环境条件下因没有掺杂水而表现出较低的移动率。通过使用不同SWNT源作半导体，研究SWNT带隙对器件特性的影响。大带隙SWNT表现出由电介质的低电容引起阱缺陷。相比之下，基于较小带隙的SWNT大电流器件则受到接触电阻的限制。在所有SWNT测试源中，最大直径为1.5 nm的SWNT可伸缩晶体管具备最佳性能，其迁移率为15.4 cm²/Vs，开/关比> 10³。大带隙器件对应力具有更高的灵敏度，且依赖于电介质的厚度；而接触受限器件则明显表现出较小的应力依赖性。

【图文导读】

图1 连续转移法制备电子器件

（a）通过连续转移法制备电介质为SEBS的电子器件；

（b）通过光刻印刷技术制作SWNT电极器件影像；

（c）沟道区域的SEM图表明高密度的大带隙SWNT；

（d）在低电场和相对低电压条件下，电子器件通道长度为20 µm时的转移特性曲线（最大E_GS= 7.5 V/µm）；

（e）由PD半导体制备可伸缩晶体管的转移曲线，V_DS= -10 V,且每个通道的长径比（W/L）为20，通过使用较低的通道密度优化电子器件，以实现短通道长度的器件具有大开/关比，因此相对后面的图表现出更低的电流。

图2 由PD半导体组成全碳SEBS晶体管的重现性统计

电介质为300 nm SiO₂的刚性电子器件的（a）转移特性曲线和（b）迁移率统计；

电介质为1µm SEBS的可伸缩电子器件的（c）转移特性曲线，（d）迁移率统计，（e）开/关比，以及（f）阈值电压。测试结果来自在同一个基底上，对28个电子器件同时进行测试以确定器件间的基底内部差异， 所有电子器件的W/L为400/50 µm。

图3 SEBS电介质的性能

（a）SEBS弹性体中苯乙烯含量与杨氏模量和滞后的函数关系；

（b）不同厚度SEBS对应的累积击穿和击穿场提取；

（c）轮廓仪测量源极和漏极转移后留在Si衬底上残留的SWNT，苯乙烯含量降低（伴随模量降低）促使SWNT源极和漏极的转移更加完全；

（d）正向和反向扫描表明SWNT器件在等离子体放电源中滞后消失，V_DS为 -30 V。

图4 不同种类电介质对电子器件性能的影响

（a）全碳晶体管对器件电阻的贡献曲线图。黑色线表示金属SWNT电极，而红线表示s-SWNT通道；

（b）以通道长度为200 μm，通道宽度为4 mm的电子器件为例，其对应的转移特性曲线，V_DS为-40 V。通过根据迁移率最接近每种SWNT平均值的电子装置来选择单独的转移特性曲线；

（c）不同种类s-SWNT的迁移率与开/关比曲线图。每个点描述一个基底。误差条表示标准偏差。对于每个SWNT源，通过改变密度和通道长度以得到数据结果；

（d）刚性和可伸缩电子器件的迁移率与SWNT直径的关系曲线图；

（e）与刚性器件相比，可伸缩电子器件的相对迁移率。

图5 环境暴露程度对可伸缩电子器件的影响

（a）环境暴露对RTFTs的影响；

（b）环境暴露对含有SEBS电介质的STFTs的影响；

（c）使用的TLM方法（V_DS= -0.1 V）的SiO₂电介质上的TFTs进行提取R_C，通道电阻对应的是200 μm通道；

（d）使用TLM方法（V_DS= -1 V）对SEBS电介质上的可拉伸TFTs进行R_C提取。 通道电阻为200μm通道。

图6 电介质厚度对可伸缩电子器件的影响

（a）对于不同SWNT来源，归一化饱和迁移率与不同介电厚度的函数关系；

（b）栅极源在超速场中为恒定值的条件下，I_D是介电厚度的函数，为了不同种类的半导体能提供相似的I_D，含有HiPCO半导体器件的通道长度为200 μm，通道宽度为4000 μm，而含有PD和AD半导体的器件的通道长度为200 μm，通道宽度为400 μm。

图7 温度对可伸缩电子器件的影响

（a）在不同测试温度下，VGS与饱和迁移率的函数关系；移动性被归一化为最大的值，以更有效地比较曲线的形状；

（b）指数γ是1000/T的函数；

（c）不同温度下的I_OFF，为提供相似的电流值，HiPCO和Tuball器件的W/L为4000/200 μm，而PD和AD器件的W/L均为400/200 μm。所有的电子器件的介电面积电容均为1.01 nF/cm²。

图8 拉伸应变和伸缩次数对可伸缩电子器件的影响

（a）未发生形变的电子器件。

（b）电子器件受拉伸作用发生60％应变；

（c）第一次（预处理）伸缩循环，I_ON与应变的归一化；

（d）第二个拉伸周期，I_ON与应变的归一化；

（e）阈值电压随应变偏移。为产生相似的电流。（a，b）为通道长度20 μm和通道宽度400 μm的电子器件，（c-e）是通道200 μm的电子器件。其中，HiPCO器件的通道宽度为4000 μm，PD和AD器件的通道宽度为400 μm。

（f，g）AD半导体器件的I_ON和V_t与循环次数的归一化用于用。W/L为400/200 μm。

【小结】

研究人员通过利用连续转移技术制备全碳可伸缩晶体管。使用SEBS电介质实现滞后和偏压应力效应最小化。具有不同带隙的SWNT被用作半导体材料。等离子放电SWNTs电子器件的迁移率高达〜15.4 cm²/Vs，开/关比>10³。光刻印刷术的源极和漏极使电子器件可在20 V栅极电压范围内运行时，同时仍能实现开/关比> 10⁴，表明其具备在可穿戴兼容设备中的潜力应用。大带隙器件对应力具有更高的灵敏度，且依赖于电介质的厚度；而接触受限器件则明显表现出较小的应力依赖性。因此，提高电子器件性能的方法包括研发更为稳定的空气掺杂法和提高SWNTs的长度和质量。此外，通过增加SWNTs和基底的粘附力可实现提高可伸缩电子器件的循环性能。

文献链接：Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics（ACS Nano 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02458）

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