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揭示新材料的內(nèi)秉電學(xué)特性，對(duì)新材料、新器件的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都非常重要。許多新開發(fā)的納米線、二維納米片、有機(jī)小分子或聚合物等半導(dǎo)體，都用來制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET或薄膜晶體管TFT。

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然而，由于電極功函數(shù)失配、界面缺陷態(tài)、熱損傷、各向異性輸運(yùn)、界面俘獲等因素，大量器件都偏離理想晶體管的特性，這給深入研究這些半導(dǎo)體的輸運(yùn)性質(zhì)、器件的工作狀態(tài)，都帶來很大的困難。例如，廣泛關(guān)注的“雙斜率”電導(dǎo)現(xiàn)象（即柵場(chǎng)控制下電導(dǎo)曲線具有兩個(gè)斜率），就給確定半導(dǎo)體的載流子遷移率帶來極大困難，其原因也存在多種解釋。

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要解決這個(gè)問題，則需要獲取載流子濃度、輸運(yùn)的準(zhǔn)確信息，但在這方面仍然缺乏相應(yīng)的器件理論和分析工具。

為了解決這個(gè)問題，劉川教授團(tuán)隊(duì)最近分析了晶體管器件的電勢(shì)畸變理論，建立了廣義四探針(Generalized gated-four probe)探測(cè)工具。

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這個(gè)新工具是將晶體管的漸變溝道特征和局域傳輸方程結(jié)合而推導(dǎo)得出的，可用于探測(cè)任意開態(tài)的薄膜晶體管，這也打破了以往四探針探測(cè)只適用于極小電壓區(qū)間的局限。該方法是通過原位檢測(cè)溝道內(nèi)電勢(shì)變化、排除接觸效應(yīng)，直接探測(cè)溝道中點(diǎn)的載流子積累和輸運(yùn)信息。

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研究人員首先將這個(gè)方法應(yīng)用于數(shù)值模擬器件上，驗(yàn)證了其探測(cè)載流子濃度和遷移率的準(zhǔn)確性；并發(fā)現(xiàn)，即使在含接觸電阻和大量缺陷的器件中，也同樣可以準(zhǔn)確探測(cè)出載流子遷移率的定量變化。

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而在實(shí)驗(yàn)制備器件中，研究人員制備了含不同材料和結(jié)構(gòu)的晶體管器件，并在不同操作溫度下進(jìn)行測(cè)量。揭示了晶體管內(nèi)的積累、輸運(yùn)的復(fù)雜演化過程，由此獲得電荷輸運(yùn)的內(nèi)秉信息。

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特別的是，對(duì)廣泛關(guān)注和探討的“雙斜率”電導(dǎo)現(xiàn)象，采用新方法作為診斷工具直接探測(cè)出了其產(chǎn)生的原因——即載流子的非線性積累。不但得到了半導(dǎo)體薄膜在柵場(chǎng)控制下載流子濃度、遷移率的真實(shí)演化過程，而且可由此確定采用傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取遷移率出現(xiàn)高估或低估的原因。

圖：(a) FET或TFT和探測(cè)方法的示意圖。(b) 理想晶體管的轉(zhuǎn)移特性。(c)理想晶體管的輸出特性，及工作區(qū)間劃分。(d) 非理想特性晶體管和“雙斜率”電導(dǎo)現(xiàn)象。(e) 原位探測(cè)得到的電勢(shì)和載流子濃度隨柵電壓演化的過程。(f) 獲取的遷移率隨柵電壓變化的過程（黑色為新工具測(cè)量數(shù)據(jù)，紅色為傳統(tǒng)方法測(cè)量數(shù)據(jù)）。

由于廣義四探針探測(cè)工具不受材料性質(zhì)、器件工作區(qū)間、環(huán)境溫度等條件的約束，可普遍用于有機(jī)、氧化物、低維材料等半導(dǎo)體構(gòu)成的薄膜晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究，以幫助獲得晶體管器件和半導(dǎo)體薄膜內(nèi)的電荷積累、輸運(yùn)的準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)信息。

相關(guān)研究成果以 “A general approach to probe dynamic operation and carrier mobility in field-effect transistors with non-uniform accumulation”為題，近期發(fā)表在Advanced Functional Materials?(DOI: 10.1002/adfm.201901700，中科院一區(qū)期刊，影響因子13.183)。

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中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院是第一單位和通訊單位，論文的第一作者和通訊作者為劉川教授。該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省顯示材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。

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