2023年1月19日，電子科技大學(xué)測試技術(shù)與儀器研究所程玉華教授課題組在全球頂級(jí)科研期刊Nature（《自然》）上以“Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits”為題，發(fā)表了在有機(jī)電化學(xué)晶體管及其互補(bǔ)電路方面的最新研究成果。該研究針對(duì)測試數(shù)據(jù)的源頭基礎(chǔ)器件，首次提出了一種基于紫外光固化溝道的新型垂直結(jié)構(gòu)，破解了電化學(xué)晶體管大規(guī)模可靠制備的世界性難題，是新型傳感和精密測試領(lǐng)域的重大突破。電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)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(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院為第一完成單位，美國西北大學(xué)、云南大學(xué)、浙江大學(xué)等為合作參與單位。

研究背景

有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）及其電路得益于其超低的驅(qū)動(dòng)電壓（《1 V）、低功耗（《1》10 mS）及生物相容性等優(yōu)勢，能廣泛應(yīng)用于下一代智能傳感、生物電子、可穿戴電子和人工神經(jīng)態(tài)電子中。然而，當(dāng)前基于常規(guī)平面結(jié)構(gòu)的OECT尚存在一系列問題，包括較差的器件穩(wěn)定性、較慢的電化學(xué)反應(yīng)及開關(guān)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(jìn)一步的發(fā)展與集成應(yīng)用。

圖1. 常規(guī)平面結(jié)構(gòu)示意圖及本文垂直結(jié)構(gòu)及垂直堆疊電路示意圖

研究內(nèi)容與意義

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用納米限域下離子偏移增強(qiáng)的新機(jī)制，采用一種獨(dú)創(chuàng)的垂直結(jié)構(gòu)，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(xué)活性的聚合物半導(dǎo)體和另一種電化學(xué)穩(wěn)定且可光刻的聚合物絕緣體復(fù)合構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了可大規(guī)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(jié)構(gòu)表征及其性能與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

該種垂直型OECT（vOECT）在低于0.7 V的驅(qū)動(dòng)電壓下具有高于1 kA/cm2的電流密度、高達(dá)0.4 S的跨導(dǎo)、快于1 ms的開關(guān)速率及超過5萬次的穩(wěn)定循環(huán)，在器件性能指標(biāo)上全面超越了現(xiàn)有OECT。基于此，可進(jìn)一步構(gòu)建三維垂直堆疊的互補(bǔ)電路，在更小的單位尺寸上進(jìn)一步提升電路集成密度；且其具有在0.7 V驅(qū)動(dòng)電壓下近150的電壓增益，遠(yuǎn)高于當(dāng)前報(bào)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(fù)雜的電路中。

圖3. 基于本文vOECT構(gòu)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(shí)現(xiàn)了跨導(dǎo)10多倍和近1000倍的指標(biāo)提升，且將N型OECT中最高千次的循環(huán)穩(wěn)定性提升到了五萬次以上，并實(shí)現(xiàn)了P/N型OECT在跨導(dǎo)、穩(wěn)定性、開關(guān)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(xiàng)研究成果將為眾多應(yīng)用開辟全新的檢測/監(jiān)測/處理手段和系統(tǒng)解決方案，在亟需小體積、高跨導(dǎo)、低功耗智能傳感元件的領(lǐng)域（如疾病早期診斷、健康管理、腦機(jī)接口、可植入可穿戴電子、機(jī)能修復(fù)與增強(qiáng)以及柔性智能機(jī)器人等）發(fā)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(shè)計(jì)理念。

此項(xiàng)成果依托于電子科技大學(xué)測試技術(shù)與儀器研究所，該研究所是國家電子測試儀器的定點(diǎn)骨干研制單位，通用電子測試儀器國家標(biāo)準(zhǔn)的制定單位。團(tuán)隊(duì)在王厚軍教授和黃建國教授的帶領(lǐng)下，通過產(chǎn)學(xué)研一體化自主創(chuàng)新體系，已形成從器件、整機(jī)到系統(tǒng)的完整測試技術(shù)鏈，產(chǎn)生了多項(xiàng)國際先進(jìn)并填補(bǔ)國內(nèi)空白的先進(jìn)技術(shù)成果。近年來，團(tuán)隊(duì)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(jí)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表重要原創(chuàng)性成果，獲得了包括國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)、何梁何利科技創(chuàng)新獎(jiǎng)、科學(xué)探索獎(jiǎng)在內(nèi)的多項(xiàng)重要科技獎(jiǎng)勵(lì)，并入選國家級(jí)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。本項(xiàng)研究進(jìn)一步解決了我國有機(jī)電化學(xué)晶體管設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域的卡脖子關(guān)鍵技術(shù)，是新型傳感器件領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，彰顯出學(xué)校和團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的國際引領(lǐng)作用。

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

審核編輯 ：李倩