近日， 南京大学何道伟副教授、王欣然教授与合作团队，通过增强金属电极与有机分子间的轨道杂化，将有机场效应晶体管（OFETs）的接触电阻（Rc）降低至14.0 Ω·cm、本征截止频率达0.36 GHz，多项关键器件性能指标优异。该成果进一步推动了高性能有机电子器件的发展，以“Ultralow contact resistance in organic transistors via orbital hybridization”为题，2023年1月19日在线发表于Nature Communications期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36006-0。

有机电子在过去的30多年得到了迅猛的发展，已应用于柔性显示、射频标签、电子纸等领域，并在生物芯片、可穿戴电子等新型电路方面展现出巨大的潜力。然而，由于有机半导体薄膜缺陷和晶界多、接触界面差等因素，有机晶体管的性能普遍很低、接触电阻比氧化物、二维材料等无机半导体高出两个数量级以上，严重制约了有机电子的发展与应用。

金属-有机半导体欧姆接触是实现高性能晶体管的关键，特别是高性能有机电路。无机半导体利用异质外延、掺杂等方法使接触电极与沟道材料化学成键，实现欧姆接触，其接触电阻接近量子极限。而有机半导体通常难以掺杂，靠载流子注入导电，需要发展全新的欧姆接触技术。与无机半导体相比，传统的金属沉积工艺涉及高能金属离子轰击有机半导体薄膜，导致较高的缺陷态，引起费米钉扎；部分有机分子有较长的烷基链，使金属与有机半导体的波函数杂化耦合较弱。因此实现有机半导体超低接触电阻具有很大的挑战，这也是长期以来限制有机高性能晶体管器件的关键瓶颈之一。

面对上述挑战，合作团队发展了无损化电极集成工艺、并提出了增强金属-有机半导体轨道杂化的新策略，在一系列有机小分子（包括C₁₀-DNTT、C₆-DNTT、C₈-BTBT和Ph-BTBT-C₁₀）场效应晶体管中实现了超低接触电阻。首先，团队通过solution-shearing 外延法在氧化物衬底上制备出厘米级单层有机半导体单晶薄膜。其次，利用无损化电极集成工艺将金属Pt集成到单层有机薄膜上使金属电极与导电沟道直接接触，接触界面具有原子级平整度。实验发现（图1），金属Pt能催化有机小分子烷基链脱氢并与其成键，导致金属-有机半导体能带杂化，大幅提升电荷转移和载流子注入效率，并通过第一性原理计算进一步证实该现象，而且该现象具有普适性。基于该工艺，团队发现，与无催化脱氢成键的Au接触相比，Pt接触器件的平均接触电阻降低了4倍、电流密度提升了20%，充分证明了Pt接触对器件性能的显著提升作用，多种有机小分子的接触电阻达到报道的记录值（图2）。大规模晶体管阵列的统计结果表明Pt接触器件的各类性能参数均呈现出优异的均一性，同时具有良好的空气稳定性。由于接触电阻的降低，亚微米沟道长度的Pt接触晶体管呈现出良好的饱和特性，开态电流密度高达28.8 μA/μm，比记录提高34%（图2），本征截止频率达到0.36 GHz。基于短沟道器件，团队制备出平面二极管整流电路，截止频率达到64MHz，是同类器件报道的最高值之一。该工作有望推动高性能有机电子的集成规模化制造。

图1. （a-b）接触电阻测量；C₁₀-DNTT/Pt（c）和C₁₀-DNTT/Au（d）接触界面的密度泛函理论计算；（e）HfO₂/C₁₀-DNTT/Pt界面高分辨STEM原子成像

图2. Pt接触OFETs接触电阻和饱和电流密度与现有技术的对比

该工作由南京大学、北京理工大学、中国人民大学、南京邮电大学和香港中文大学共同完成。南京大学何道伟副教授、王欣然教授和北京理工大学乔婧思教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划和中央高校基础研究基金等资助。