图 有机薄膜隧穿晶体管工作原理和器件性能
在国家自然科学基金项目（批准号：52225303、52173178、U24A2082）等资助下，苏州大学张晓宏教授团队在有机薄膜晶体管领域取得进展，相关研究成果以“Organic thin-film tunnel transistors”为题，于2025年9月29日在线发表于《自然•电子》（Nature Electronics）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01462-7。
柔性电子作为一项具有颠覆性的科学技术，正在重塑电子设备的形态与功能，是引领后摩尔时代信息技术变革发展的重要方向。有机薄膜晶体管凭借其本征柔韧性、生物相容性、功能可调性以及可大面积高效加工等优势，是推动未来柔性显示、脑机接口、可穿戴健康监测、智能传感、柔性芯片等新兴领域发展的关键元器件。随着集成系统中晶体管密度的增加，功耗问题日益凸显。要满足柔性电子应用的需求，有机薄膜晶体管不仅需要具备较高的电学性能，还须在低工作电压下稳定运行。然而，如何在低电压下条件下同时保持高电学性能，一直是该领域面临的核心挑战。该难题主要归因于传统有机薄膜晶体管的亚阈值摆幅（SS）值，即将电流开关一个数量级所需电压的大小，其通常受玻尔兹曼热电子发射理论的限制，导致室温下薄膜晶体管的SS值无法低于60 mV dec-1。
针对上述挑战，苏州大学张晓宏教授团队创新性地提出了一种全新的有机薄膜隧穿晶体管。研究团队设计并利用深导带的n-型金属氧化物与p-型有机半导体单晶薄膜构建了破隙型（broken gap）源-沟道异质结，从而产生大的空穴隧穿能量窗口。同时，在异质结界面引入分子解耦层以缓解费米能级钉扎效应，有效降低了隧穿势垒高度，使器件能够在极低供给电压下触发电荷的带间隧穿。该器件表现出突破理论极限的SS值（24.2 ± 5.6 mV dec-1）和创纪录的信号放大效率（101.2 ± 28.3 S A-1），其功耗较目前报道的有机晶体管降低了一个数量级以上。进一步，团队基于该有机隧穿晶体管构建了高性能放大电路，在仅0.8 nW的超低功耗下实现了超过537 V V-1的信号放大增益，并成功展示了其在可穿戴生命体征信号监测方面的应用潜力。
这研究突破了自有机薄膜晶体管发明以来器件SS值长期受玻尔兹曼热电子发射理论极限限制的瓶颈，为发展高性能、低功耗的柔性薄膜晶体管技术提供了新的可能。