【顶刊】刘川教授Adv. Funct. Mater. 探测晶体管运作和迁移率的普适方法

（内容来源顶级出版社“Wiley威立 ”← 关注它）

揭示新材料的內秉电学特性，对新材料、新器件的基础研究和应用研究都非常重要。许多新开发的纳米线、二维纳米片、有机小分子或聚合物等半导体，都用来制备场效应晶体管FET或薄膜晶体管TFT。

然而，由于电极功函数失配、界面缺陷态、热损伤、各向异性输运、界面俘获等因素，大量器件都偏离理想晶体管的特性，这给深入研究这些半导体的输运性质、器件的工作状态，都带来很大的困难。例如，广泛关注的“双斜率”电导现象（即栅场控制下电导曲线具有两个斜率），就给确定半导体的载流子迁移率带来极大困难，其原因也存在多种解释。

要解决这个问题，则需要获取载流子浓度、输运的准确信息，但在这方面仍然缺乏相应的器件理论和分析工具。

为了解决这个问题，刘川教授团队最近分析了晶体管器件的电势畸变理论，建立了广义四探针(Generalized gated-four probe)探测工具。

这个新工具是将晶体管的渐变沟道特征和局域传输方程结合而推导得出的，可用于探测任意开态的薄膜晶体管，这也打破了以往四探针探测只适用于极小电压区间的局限。该方法是通过原位检测沟道内电势变化、排除接触效应，直接探测沟道中点的载流子积累和输运信息。

研究人员首先将这个方法应用于数值模拟器件上，验证了其探测载流子浓度和迁移率的准确性；并发现，即使在含接触电阻和大量缺陷的器件中，也同样可以准确探测出载流子迁移率的定量变化。

而在实验制备器件中，研究人员制备了含不同材料和结构的晶体管器件，并在不同操作温度下进行测量。揭示了晶体管内的积累、输运的复杂演化过程，由此获得电荷输运的內秉信息。

特别的是，对广泛关注和探讨的“双斜率”电导现象，采用新方法作为诊断工具直接探测出了其产生的原因——即载流子的非线性积累。不但得到了半导体薄膜在栅场控制下载流子浓度、迁移率的真实演化过程，而且可由此确定采用传统测量方法获取迁移率出现高估或低估的原因。

图：(a) FET或TFT和探测方法的示意图。(b) 理想晶体管的转移特性。(c)理想晶体管的输出特性，及工作区间划分。(d) 非理想特性晶体管和“双斜率”电导现象。(e) 原位探测得到的电势和载流子浓度随栅电压演化的过程。(f) 获取的迁移率随栅电压变化的过程（黑色为新工具测量数据，红色为传统方法测量数据）。

由于广义四探针探测工具不受材料性质、器件工作区间、环境温度等条件的约束，可普遍用于有机、氧化物、低维材料等半导体构成的薄膜晶体管或场效应晶体管研究，以帮助获得晶体管器件和半导体薄膜内的电荷积累、输运的准确动态信息。

相关研究成果以 “A general approach to probe dynamic operation and carrier mobility in field-effect transistors with non-uniform accumulation”为题，近期发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201901700，中科院一区期刊，影响因子13.183)。

中山大学电子与信息工程学院是第一单位和通讯单位，论文的第一作者和通讯作者为刘川教授。该项工作得到国家自然科学基金面上项目、光电材料与技术国家重点实验室、广东省显示材料重点实验室的大力支持。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201901700