一種基于紫外光固化溝道的新型垂直結構

2023年1月19日，電子科技大學測試技術與儀器研究所程玉華教授課題組在全球頂級科研期刊Nature（《自然》）上以“Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits”為題，發表了在有機電化學晶體管及其互補電路方面的最新研究成果。該研究針對測試數據的源頭基礎器件，首次提出了一種基于紫外光固化溝道的新型垂直結構，破解了電化學晶體管大規?？煽恐苽涞氖澜缧噪y題，是新型傳感和精密測試領域的重大突破。電子科技大學自動化工程學院黃偉為該文第一作者，程玉華、Tobin J. Marks及Antonio Facchetti等為共同通訊作者，電子科技大學自動化工程學院為第一完成單位，美國西北大學、云南大學、浙江大學等為合作參與單位。

研究背景

有機電化學晶體管（OECT）及其電路得益于其超低的驅動電壓（《1 V）、低功耗（《1》10 mS）及生物相容性等優勢，能廣泛應用于下一代智能傳感、生物電子、可穿戴電子和人工神經態電子中。然而，當前基于常規平面結構的OECT尚存在一系列問題，包括較差的器件穩定性、較慢的電化學反應及開關速度、較低的集成密度和極差的N型器件性能，因此極大限制了其進一步的發展與集成應用。

圖1. 常規平面結構示意圖及本文垂直結構及垂直堆疊電路示意圖

研究內容與意義

面對上述挑戰，研究團隊利用納米限域下離子偏移增強的新機制，采用一種獨創的垂直結構，即垂直堆疊的致密源漏金電極間的溝道由一種具有電化學活性的聚合物半導體和另一種電化學穩定且可光刻的聚合物絕緣體復合構成，實現了可大規模制備的具有高度匹配P/N型性能的OECT，有效攻克了前述OECT存在的一系列問題。

圖2. 本文vOECT器件結構表征及其性能與文獻數據的對比

該種垂直型OECT（vOECT）在低于0.7 V的驅動電壓下具有高于1 kA/cm2的電流密度、高達0.4 S的跨導、快于1 ms的開關速率及超過5萬次的穩定循環，在器件性能指標上全面超越了現有OECT?；诖?，可進一步構建三維垂直堆疊的互補電路，在更小的單位尺寸上進一步提升電路集成密度；且其具有在0.7 V驅動電壓下近150的電壓增益，遠高于當前報道的各類基于OECT的反相器；該vOECT還可以集成到振蕩器、各類邏輯門等更加復雜的電路中。

圖3. 基于本文vOECT構建的垂直電路及其輸出特性

該研究分別在P型及N型OECT中實現了跨導10多倍和近1000倍的指標提升，且將N型OECT中最高千次的循環穩定性提升到了五萬次以上，并實現了P/N型OECT在跨導、穩定性、開關速率、集成密度、制備成本及工藝可靠性方面的全面超越。該項研究成果將為眾多應用開辟全新的檢測/監測/處理手段和系統解決方案，在亟需小體積、高跨導、低功耗智能傳感元件的領域（如疾病早期診斷、健康管理、腦機接口、可植入可穿戴電子、機能修復與增強以及柔性智能機器人等）發揮重要作用，并為拓展下一代柔性可拉伸集成電路提供新的設計理念。

此項成果依托于電子科技大學測試技術與儀器研究所，該研究所是國家電子測試儀器的定點骨干研制單位，通用電子測試儀器國家標準的制定單位。團隊在王厚軍教授和黃建國教授的帶領下，通過產學研一體化自主創新體系，已形成從器件、整機到系統的完整測試技術鏈，產生了多項國際先進并填補國內空白的先進技術成果。近年來，團隊努力開辟新型傳感器方向，該方向面向國家重大需求不斷催生高顯示度研究成果，多次在國際頂級學術期刊發表重要原創性成果，獲得了包括國家技術發明獎、何梁何利科技創新獎、科學探索獎在內的多項重要科技獎勵，并入選國家級科技創新團隊。本項研究進一步解決了我國有機電化學晶體管設計與制備領域的卡脖子關鍵技術，是新型傳感器件領域的一項重大突破，彰顯出學校和團隊在該領域的國際引領作用。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05592-2

審核編輯 ：李倩