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储能系统技术 储能系统 GaN器件 ★ 4.0

基于共聚物的横向漂移区有机薄膜晶体管在空气环境及栅极偏压应力下的阈值电压稳定性

Threshold Voltage Stability of Copolymer-Based Lateral Drift Region Organic Field-Effect Transistors Under Ambient Air Conditions and Gate-Bias Stress

作者 Haonan Lin · Jun Zhang · Xuanyu Gu · Hengdian Chang · Yabin Mou · Yiwei Ma
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年8月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 共聚物横向漂移区有机场效应晶体管 偏置稳定性 阈值电压漂移 陷阱态密度 有机功率器件
语言:

中文摘要

本文研究了偏置稳定性对共聚物横向漂移区有机场效应晶体管(LDR - OFET)阈值电压漂移的影响。所制备的LDR - OFET分别以基于二酮吡咯并吡咯的聚合物(DPPT - TT)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作为半导体层和栅极介电层。在环境空气条件下,LDR - OFET连续暴露4320小时仍能保持正常功能,无明显性能退化,显示出强大的稳定性。然而,与大气应力作用下的LDR - OFET相比,偏置应力作用下的LDR - OFET退化更为明显。值得注意的是,负偏置和正偏置对阈值电压漂移的影响不同,但对击穿电压(BV)的影响保持一致。本文重点分析了偏置应力效应,阐明了基于共聚物的LDR - OFET这种独特的退化行为。研究发现,有机介电层和有机半导体(OSC)层之间的陷阱态密度是导致器件在电应力作用下阈值电压漂移的关键因素。本研究凸显了所制备的基于共聚物OSC的器件对环境条件和栅极偏置应力引起的退化具有出色的抵抗能力,展示了其在实现可靠且具有商业可行性的有机功率器件方面的潜力。

English Abstract

The impact of bias stability on the threshold voltage shift in copolymer lateral drift region organic field-effect transistors (LDR-OFETs) is examined. The fabricated LDR-OFETs feature a diketopyrrolopyrrole-based polymer (DPPT-TT) and a poly(methyl methacrylate) (PMMA) film as the semiconductor and gate dielectric layers, respectively. Under ambient air conditions, the LDR-OFETs maintain normal functionality without significant degradation for up to 4320 h of continuous exposure, demonstrating robust stability. However, LDR-OFETs under bias stress exhibit more pronounced degradation compared with those under atmospheric stress. Notably, negative and positive biases differently impact the threshold voltage shift, while their effect on breakdown voltage (BV) remains consistent. This distinct degradation behavior of copolymer-based LDR-OFETs is analyzed and elucidated, focusing on bias-stress effects. The trap state density between the organic dielectric layer and the organic semiconductor (OSC) layer is identified as a key factor contributing to the threshold voltage shift when subjected to electrical stress. The study highlights the exceptional resilience of fabricated copolymer OSC-based devices against degradation induced by ambient conditions and gate-bias stress, showcasing their potential for achieving reliable and commercially viable organic power devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于有机场效应晶体管(OFET)阈值电压稳定性的研究具有一定的前瞻性参考价值,但距离实际应用仍存在较大距离。

该研究聚焦于共聚物基横向漂移区OFET在环境和偏置应力下的稳定性表现。其核心价值在于验证了有机半导体器件在长时间环境暴露(4320小时)下的稳定性,以及揭示了偏置应力对器件性能退化的机理。对于阳光电源而言,这类有机电子器件技术若能成熟,可能在功率电子模块的柔性化、轻量化方面带来革新机遇,特别是在分布式光伏、便携式储能等对重量和形态有特殊要求的应用场景。

然而,必须清醒认识到该技术的局限性。首先,有机半导体器件的载流子迁移率、耐压等级和功率密度远低于当前光伏逆变器和储能系统所采用的硅基或碳化硅功率器件。论文中提及的击穿电压和阈值电压漂移问题,在高功率应用中将被显著放大。其次,研究仍处于器件层面的基础验证阶段,距离模块集成、系统可靠性验证和成本优化还有漫长路径。

从技术布局角度,阳光电源可将此类技术作为长期跟踪方向,重点关注其在低功率信号处理、传感器接口电路等辅助系统中的应用可能性。短期内,公司应继续深化在宽禁带半导体(SiC/GaN)领域的技术积累,这才是当前提升产品功率密度和效率的主航道。同时,可通过产学研合作方式,低成本跟踪有机电子技术演进,为未来可能的技术突破预留战略选项。