상보회로용 수직형 유기 전기화학 트랜지스터

Nature 613권, 496~502페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

유기 전기화학 트랜지스터(OECT) 및 OECT 기반 회로는 매우 낮은 구동 전압(<1V), 낮은 전력 소비(<1μW), 높은 트랜스컨덕턴스(>10 mS) 및 생체 적합성1,2,3,4,5. 그러나 중요한 보완 논리 OECT의 성공적인 실현은 현재 시간적 및/또는 작동 불안정성, 느린 산화환원 프로세스 및/또는 스위칭, 고밀도 모놀리식 통합과의 비호환성 및 열등한 n형 OECT 성능6,7,8로 인해 제한됩니다. 여기에서는 산화환원 활성 반도체 폴리머와 산화환원 비활성 광경화성 및/또는 광패턴 가능 폴리머를 혼합하여 이온 투과성 반도체 채널을 형성함으로써 균형 잡힌 초고성능의 p형 및 n형 수직 OECT를 시연합니다. 조밀하고 불투과성인 상단 접점을 갖춘 확장 가능한 수직 아키텍처입니다. ±0.7V 미만에서 1kA cm−2를 초과하는 풋프린트 전류 밀도, 0.2~0.4S의 상호 컨덕턴스, 1ms 미만의 짧은 과도 시간 및 매우 안정적인 스위칭(>50,000사이클)이 우리가 아는 한 다음에서 달성됩니다. 최초의 수직 적층 상보형 수직 OECT 논리 회로. 이 아키텍처는 거시적인 전해질 접촉 없이 나노크기로 제한된 공간에서 유기 반도체 산화환원 화학 및 물리학에 대한 기초 연구는 물론 웨어러블 및 이식형 장치 응용 분야에 대한 많은 가능성을 열어줍니다.

유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 낮은 구동 전압, 낮은 전력 소비, 높은 트랜스컨덕턴스 및 기계적으로 유연한 플랫폼1,2,3,5,9,10,11에서의 손쉬운 통합으로 인해 생체전자공학, 웨어러블 전자공학 및 뉴로모픽 전자공학에 매력적입니다. 그러나 OECT의 추가적인 발전은 어려움에 직면해 있습니다. (1) 진전에도 불구하고8, 정공 수송(p형) OECT 성능에 비해 열악한 전자 수송(n형) OECT 성능(약 1,000배 낮은 상호 컨덕턴스 및/또는 전류 밀도)6,7,12은 다음의 개발을 방해합니다. 바이오센서 개발을 위한 생체 내 관련 분석물 양이온(예: Na+, K+, Ca2+, Fe3+ 및 Zn2+)에 대한 보완적 논리 및 민감도. (2) 시간적 및/또는 운영상의 불안정성은 가능한 모든 적용을 방해합니다. (3) 불균형한 p형 및 n형 OECT 성능으로 인해 보완 회로에 통합되지 않습니다. (4) 느린 산화환원 과정은 느린 전환을 가져온다. (5) 평면 소스-드레인 전극 구조를 갖는 최첨단 기존 OECT(cOECT)는 정밀하게 패턴화된 반도체 층 및 수동 재료를 사용한 전극 코팅과 함께 최대 10μm의 작은 채널 길이(L)를 필요로 합니다. 높은 트랜스컨덕턴스(gm) 및 빠른 스위칭(대략 밀리초 범위)을 위해 복잡한 제조 방법이 필요합니다. 기존의 포토리소그래피는 1μm보다 큰 피처 또는 L(참조 16)만 안정적으로 구현할 수 있으며, 인쇄 및 레이저 절단은 단순화된 cOECT 제조를 제공하지만 이는 성능을 희생합니다17,18,19. 더욱이, gm을 증가시키기 위해 OECT는 일반적으로 두꺼운 반도체 필름을 사용하며, 높은 gm 값은 전해질과 벌크 반도체 사이의 효율적인 이온 교환이 필요하기 때문에 필연적으로 스위칭 속도를 저하시킵니다. 결과적으로, 특히 n형 반도체에 대한 재료 설계의 진전과 새로운 장치 아키텍처의 실현 없이는 OECT 애플리케이션의 범위가 제한될 것입니다.

이 보고서에서는 불침투성 및 조밀한 Au 소스-드레인 전극의 열 증발 및 마스킹을 통해 쉽게 제작할 수 있는 수직 장치 아키텍처(수직 OECT, 이하 vOECT)를 사용하여 고성능 p형 및 n형 OECT와 보완 회로를 시연합니다. 이온 전도성 반도체 채널의 스핀 코팅 및 포토패터닝. vOECT 제조 공정은 그림 1a에 설명되어 있으며 자세한 내용은 방법에서 확인할 수 있습니다. 이 공정의 핵심은 산화환원 활성 p형(gDPP-g2T) 또는 n형(Homo-gDPP) 반도체 폴리머를 산화환원 불활성 및 광경화성 폴리머 성분(신나메이트-셀룰로오스 폴리머(Cin- Cell))을 OECT 채널로 사용합니다 (그림 1b의 구조, 그림 1의 방법 및 확장 데이터의 합성 프로세스 참조). 대조 실험(아래 참조)에 기초하여 최적의 반도체 폴리머:Cin-Cell 중량비는 9:2인 것으로 밝혀졌습니다. vOECT 기하학적 단면과 선택된 광학 및 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(그림 1c,d)는 채널 길이(L)가 반도체 층 두께(약 100nm), 바닥 폭 및 상단 전극은 각각 반도체의 채널 폭(W)과 공칭 깊이(d)를 정의합니다. 이온 전도성 에틸렌 글리콜 측쇄 없이 중합체를 사용하는 coECT 및 vOECT도 대조군으로 제작되었습니다. 성능은 미미합니다(확장 데이터 그림 2).

107 A cm−2) if the channel were only few nanometres thick, as in typical electrical double-layer transistors. (4) Finally, devices based on very hydrophobic blends, which do not support ion intercalation across the nanoscopic interface, are non-functional (vide supra, Extended Data Fig. 2c)./p>+0.4 V), and the limited electrochemical window of the aqueous electrolyte prevents the application of large VG biases. This is one of the key limitations of current n-type cOECTs39 and it is where drain-induced barrier lowering plays a key role in the n-type vOECT performance enhancement seen here. Common issues of short channel transistors, such as loss of saturation40, VT roll-off and reduced current modulation22, which are equally as important, are absent in the vOECTs (Fig. 2 and Extended Data Fig. 7c,d). This result is possible only if the redox processes modulate the carrier concentration of the entire semiconducting layer2,41. The low SS of approximately 60 mV per decade measured for both vOECTs (Fig. 2b,d) provides more convincing proof of the extremely effective gating in the present vertical architecture. Furthermore, unlike cOECTs in which the region with SS approximately 60 mV per decade, if achieved, is narrow (Extended Data Fig. 4g,h), the present vOECTs have a very wide subthreshold region (0.0 ≈ −0.2 V for gDPP-g2T and +0.3 ≈ +0.6 V for Homo-gDPP) with SS near or equalling the approximately 60 mV per decade thermal limit. The wide subthreshold region is particularly useful for applications in which high voltage gain and low power consumption are vital42,43./p>