苏州大学张秀娟&邓伟&揭建胜教授团队研发超低功耗柔性隧道薄膜晶体管,开启可穿戴电子新纪元——Advanced Materials

近日，苏州大学张秀娟、邓伟、揭建胜教授团队报道了一种基于量子隧穿效应的柔性隧道薄膜晶体管（Tunnel TFT）。该器件成功突破传统TFT的热电子发射理论极限（~60 mV/dec），在室温下实现低至28.8 mV/dec的亚阈值摆幅（SS）和高达10⁴的本征增益，且工作电压仅为1V。该研究团队还展示了高性能的柔性放大器（增益达1000 V/V，功耗仅630 pW）和逻辑电路，为下一代超低功耗、高性能柔性电子设备（如可穿戴健康监测、可折叠显示等）奠定坚实的器件基础。该研究成果以题为“Tunnel Thin-Film Transistors for Ultralow-Power and High-Performance Flexible Electronics”在顶级期刊《Advanced Materials》上发表。

技术亮点：

²机制创新：首次在柔性TFT中引入并实现了高效的“能带间隧穿”载流子注入机制，取代传统的热电子发射机制，从根本上突破亚阈值摆幅热力学极限。

²结构创新：设计金属氧化物（MoO₃）-有机半导体（C8-BTBT）异质结，并引入高电离能BPE-PTCDI分子间隔层，有效抑制界面扩散并优化能带对齐，实现了高效隧穿。

²工艺创新：开发保护层辅助光刻（PLAP）方法，成功实现隧道TFT的高密度、高良率（98.7%）柔性阵列集成，兼容现代微电子制造技术。

²性能卓越：器件在超低电压下同时实现亚热离子开关、高本征增益、高均匀性以及卓越的机械柔韧性（可弯曲至50μm半径）。

图文分析：

传统TFT的载流子如同需要“翻山越岭”才能从源极到达沟道（图1a），其速度受限于具有热分布尾巴的载流子克服肖特基势垒的过程，导致SS存在约60 mV/dec的理论下限。而本研究提出的隧道TFT，通过精巧的能带工程设计，使得载流子可以通过量子隧穿效应“穿山而过”。如图1b所示，当栅压变化时，p型沟道的价带会被提升至n型源极的导带之上，空穴可以直接隧穿进入沟道中的空态。这一过程截断了热分布的“尾巴”，从而实现了低于热力学极限的陡峭开关特性（图1c）。

透射电镜（图2b）证实该间隔层形成清晰、无缺陷的界面。器件的转移特性曲线（图2c）显示，在1V的工作电压下，其开关比超过10⁶，最小点SS低至28.8 mV/dec。更重要的是，其SS值在180K至335K的宽温度范围内几乎保持不变（图2e），这与传统TFT的SS随温度线性增加的特性形成鲜明对比，有力地证明了其隧穿主导的工作机制。雷达图（图2f）综合对比表明，该隧道TFT在低电压性能上全面优于已报道的TFT技术。

利用PLAP工艺，团队成功制备了19×17（共323个）的柔性隧道TFT有源矩阵阵列。该阵列展现出优异的均匀性（图3c-e）和机械鲁棒性。即使弯曲到0.1mm半径（应变3.4%），器件性能也几乎无衰减（图3g）。在经历10000次弯曲循环后，SS点变化仍小于4%。更令人印象深刻的是，器件在预拉伸的弹性体上放松后，能在活性区域内形成小于50μm的弯曲半径（图3h），且仍保持优异的亚阈值开关特性，展现其在极端形变下的应用潜力。

基于隧道TFT，团队成功构建了超低功耗的柔性模拟和数字电路。柔性放大器在1V电压下即可实现200 V/V的电压增益，静态功耗仅为630皮瓦（pW），比现有最先进的TFT放大器低近两个数量级。生物信号采集将该放大器用于表面肌电信号（sEMG）采集（图4e），能将微弱的原始信号（0.55-0.92 mV）放大38-52倍，信噪比（SNR）从36.5 dB显著提升至77 dB（图4f-h），证明其在可穿戴健康监测中的巨大应用价值。

制备的逆变器、或非门（NOR）和与门（AND）在1-2V电压下工作正常，静态功耗低至皮瓦（pW）级别，为构建能量自给的可穿戴系统铺平了道路。

结论展望

该项研究在理论层面成功将量子隧穿物理与柔性电子学相结合，打破了困扰TFT领域数十年的热力学极限瓶颈，为半导体器件物理开辟了新方向。在技术层面解决了柔性电子中“高电容刚性介质”与“柔性聚合物介质低电容”之间的固有矛盾，使得采用本征柔性的低介电常数材料实现高性能、超低功耗电路成为可能。在应用层面：展示了隧道TFT在超低功耗放大器、高信噪比生物传感器和逻辑电路中的直接应用，极大地推动了高性能、长续航甚至无电池化的可穿戴设备、可折叠显示、电子皮肤和物联网终端的发展。这项研究标志着柔性电子技术迈向了一个新的里程碑，有望彻底改变我们与电子设备交互的方式。

文献来源

Dengbo Li, Yuxin Cheng, Wei Deng,et al. Tunnel Thin-Film Transistors for Ultralow-Power and High-Performance Flexible Electronics. Advanced Materials (2025).

https://doi.org/10.1002/adma.202517266

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