特別說明：本文由學研匯技術 中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。研究背景
有機電化學晶體管(OECTs)由于其低驅動電壓（＜ 1V）、低功耗（＜ 1 uW）、高跨導（＞ 10 mS）和易于在機械柔性平臺上集成，在生物電子學、可穿戴電子學和神經形態電子學中具有極大的吸引力。
關鍵問題
1、與空穴傳輸(p型)相比，電子傳輸(n型)OECT性能較差。大約是跨導和電流密度的1000倍，阻礙了生物傳感器開發中對體內相關分析物陽離子(例如Na+，K+，Ca2+，Fe3+和Zn2+)的互補邏輯和敏感性的發展。最先進的傳統OECTs (cOECTs)具有平面源漏電極結構，需要最多10μm的小通道長度(L)，以及精確的半導體層和無源材料電極涂層，以實現高跨導(gm)和快速開關(大約在毫秒范圍內)，因此需要復雜的制造方法。3、OECT的應用范圍十分有限，需要創新的材料設計目前所報道的OECT具有時間和/或操作的不穩定性，這阻礙了所有可能的應用；3、不平衡的p型和n型OECT性能阻止集成到互補電路；緩慢的氧化還原過程導致開關緩慢。因此需要新的材料設計來實現新器件架構。
新思路
有鑒于此，電子科技大學測試技術與儀器研究所程玉華教授課題組展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通過將氧化還原活性半導體聚合物與氧化還原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成離子滲透半導體通道，實現在一個簡單的、可伸縮的垂直結構中，該結構具有密集的、不透水的頂部接觸。第一個垂直堆疊互補垂直OECT邏輯電路實現了在小于±0.7 V時超過1ka cm?2的足跡電流密度、0.2-0.4 S的跨導、小于1ms的短瞬態時間和超穩定的開關(>50,000次循環)。
1、通過垂直器件結構來演示高性能的p型和n型OECT和互補電路。該結構易于通過熱蒸發和遮蔽不滲透和密集的金源-漏電極以及離子導電的自旋涂層和光模壓制成半導體通道。兩種器件的離子/電流關閉(IOFF)比都令人印象深刻(≥106)，這完全是由于較高的離子和較低的IOFF。目前的p型vOECTs表現出迄今為止報道的最高gm,A和ION,A值。超過50,000個穩定的開關周期，這比OECTs的文獻值高一個數量級。目前的vOECT結構也減少了占地面積，因為接觸線也可以作為源極和漏極接觸點，消除了與cOECTs所需的通道材料重疊的額外源極-漏極墊的需要。
技術細節
該過程的關鍵是使用氧化還原活性的p型(gDPP-g2T)或n型(Homo-gDPP)半導體聚合物與氧化還原惰性光固化聚合物混合作為OECT通道。在對照實驗的基礎上發現最佳半導體聚合物:Cin-Cell的重量比為9:2。vOECT幾何截面和選定的光學和掃描電子顯微鏡(SEM)圖像表明通道長度(L)是半導體層厚度(約100 nm)，底部和頂部電極的寬度分別定義了半導體的通道寬度(W)和標稱深度(d)。使用無離子導電乙二醇側鏈聚合物的cOECTs和vOECTs也被制成作為對照。
vOECT和cOECT轉移特性和相應的SS點展示非凡的性能，實現最大消耗電流(8.2±0.5)×10?2 A和gm值分別高達384.1±17.8和251.2±7.6 mS。盡管通道長度超小(L≈100 nm)，但兩種器件的離子/電流關閉(IOFF)比都令人印象深刻(≥106)，這完全是由于較高的離子和較低的IOFF。目前的p型vOECTs表現出迄今為止報道的最高gm,A和ION,A值，甚至超過了重摻雜和/或耗盡模式聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS) cOECTs。此外，目前的n型vOECT性能在gm、A和ION/IOFF方面超過了所有先前報道的OECTs(包括p型oect)。重要的是，目前的vOECT結構也減少了占地面積，因為接觸線也可以作為源極和漏極接觸點，消除了與cOECTs所需的通道材料重疊的額外源極-漏極墊的需要。
對于p型和n型vOECTs，都記錄了超過50,000個穩定的開關周期，這比OECTs的文獻值高一個數量級。與cOECT架構相比，普遍存在的PEDOT:PSS在耗盡模式vOECTs中的穩定性也大大穩定。此外，兩種器件的vOECT開啟瞬態時間(τON)都小于0.5 ms，與相應的精確模式cOECTs相當。對cOECTs和vOECTs進行了帶寬和電化學阻抗譜(EIS)測量。分別對p型和n型vOECTs測量了約500和約1200 Hz的截止頻率(fc)。而基于垂直構型的EIS也表現出標準雙電極構型的典型2R1C行為。
圖 vOECT穩定性，開關時間和頻率相關的跨導(帶寬)特性
展望
總之，這項工作報告了在p型和n型操作模式下都表現出前所未有的性能的vOECTs。這里展示的器件結構是通過合成新的電活性和離子滲透性半導體聚合物以及電活性共混層的界面工程實現的。該器件可通過常規制造工藝獲得，并提供高保真和穩定的性能特征。它們為各種應用中的全新系統設計提供了機會，包括低成本診斷、腦機接口、可植入和可穿戴設備、假肢和智能軟機器人，對于這些應用來說，小的有效占地面積以及高gm和低驅動電壓指標是基本要求。此外，vOECTs為柔性和可拉伸的互補器件和相關邏輯電路提供了一種新的設計范式。Huang, W., Chen, J., Yao, Y. et al. Vertical organic electrochemical transistors for complementary circuits. Nature 613, 496–502 (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05592-2https://doi.org/10.1038/s41586-022-05592-2
