Transistori elettrochimici organici verticali per circuiti complementari

Natura volume 613, pagine 496–502 (2023) Citare questo articolo

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I transistor elettrochimici organici (OECT) e i circuiti basati su OECT offrono un grande potenziale in bioelettronica, elettronica indossabile ed elettronica neuromorfica artificiale grazie alle loro tensioni di pilotaggio eccezionalmente basse (<1 V), basso consumo energetico (<1 µW), elevate transconduttanze (>10 mS) e biocompatibilità1,2,3,4,5. Tuttavia, la riuscita realizzazione di OECT critici a logica complementare è attualmente limitata da instabilità temporale e/o operativa, processi redox lenti e/o commutazione, incompatibilità con l'integrazione monolitica ad alta densità e prestazioni OECT di tipo n inferiori6,7,8. Qui dimostriamo OECT verticali di tipo p e n con prestazioni bilanciate e ultra elevate miscelando polimeri semiconduttori redox-attivi con un polimero fotoindurente e/o fotomodellabile redox-inattivo per formare un canale semiconduttore permeabile agli ioni, implementato in modo semplice, architettura verticale scalabile che ha un contatto superiore denso e impermeabile. Densità di corrente di impronta superiori a 1 kA cm−2 a meno di ±0,7 V, transconduttanze di 0,2–0,4 S, brevi tempi transitori inferiori a 1 ms e commutazione ultrastabile (>50.000 cicli) si ottengono, per quanto ne sappiamo, primi circuiti logici OECT verticali complementari impilati verticalmente. Questa architettura apre molte possibilità per studi fondamentali sulla chimica e sulla fisica redox dei semiconduttori organici in spazi nanoscopicamente confinati, senza contatto elettrolitico macroscopico, nonché per applicazioni di dispositivi indossabili e impiantabili.

I transistor elettrochimici organici (OECT) sono interessanti per la bioelettronica, l'elettronica indossabile e l'elettronica neuromorfica grazie alla loro bassa tensione di pilotaggio, basso consumo energetico, elevata transconduttanza e facile integrazione in piattaforme meccanicamente flessibili1,2,3,5,9,10,11. Tuttavia, ulteriori progressi dell’OECT devono affrontare sfide. (1) Nonostante i progressi8, le scarse prestazioni degli OECT nel trasporto di elettroni (tipo n) rispetto alle loro controparti nel trasporto di lacune (tipo p) (transconduttanza e/o densità di corrente circa 1.000 volte inferiori)6,7,12, ostacolano lo sviluppo di logica complementare e sensibilità ai cationi analiti rilevanti in vivo (ad esempio Na+, K+, Ca2+, Fe3+ e Zn2+) per lo sviluppo di biosensori. (2) L'instabilità temporale e/o operativa ostacola tutte le possibili applicazioni. (3) Le prestazioni sbilanciate degli OECT di tipo p e di tipo n impediscono l'integrazione in circuiti complementari13,14. (4) I processi redox lenti portano a una commutazione lenta. (5) Gli OECT convenzionali all'avanguardia (cOECT), con architetture planari degli elettrodi source-drain, richiedono piccole lunghezze di canale (L) al massimo di 10 µm, insieme a strati semiconduttori modellati con precisione e rivestimenti degli elettrodi con materiali passivi, per elevata transconduttanza (gm) e commutazione rapida (nell'ordine dei millisecondi)15, che richiedono metodologie di fabbricazione complesse15,16. Si noti che la fotolitografia convenzionale può realizzare in modo affidabile solo caratteristiche o L maggiori di 1 µm (rif. 16) e sebbene la stampa e il taglio laser offrano una fabbricazione cOECT semplificata, ciò va a scapito delle prestazioni17,18,19. Inoltre, per aumentare i gm, gli OECT utilizzano tipicamente film semiconduttori spessi, compromettendo inevitabilmente le velocità di commutazione poiché valori gm elevati richiedono uno scambio ionico efficiente tra l’elettrolita e il semiconduttore sfuso20. Di conseguenza, senza progressi nella progettazione dei materiali, in particolare per i semiconduttori di tipo n, e senza la realizzazione di nuove architetture di dispositivi, le applicazioni OECT rimarranno di portata limitata.

In questo rapporto, dimostriamo OECT di tipo p e n ad alte prestazioni e circuiti complementari utilizzando un'architettura del dispositivo verticale (OECT verticale, di seguito denominata vOECT) facilmente fabbricata mediante evaporazione termica e mascheramento di elettrodi source-drain Au impermeabili e densi e spin-coating e fotopatterning di un canale semiconduttore a conduzione ionica. Il processo di fabbricazione vOECT è illustrato in Fig. 1a e i dettagli possono essere trovati nei Metodi. La chiave di questo processo è l'uso di un polimero semiconduttore di tipo p (gDPP-g2T) o di tipo n (Homo-gDPP) con attività redox miscelato con un componente polimerico inerte e fotoindurente (polimero cinnamato-cellulosico (Cin- Cell)) come canale OECT (vedere le strutture in Fig. 1b, il processo di sintesi in Metodi e dati estesi Fig. 1). Sulla base degli esperimenti di controllo (vedi infra) il rapporto in peso ottimale polimero semiconduttore:Cin-Cell è risultato essere 9:2. Una sezione trasversale della geometria vOECT e immagini selezionate di microscopia ottica ed elettronica a scansione (SEM) (Fig. 1c, d) indicano che la lunghezza del canale (L) è lo spessore dello strato semiconduttore (circa 100 nm), le larghezze del fondo e il gli elettrodi superiori definiscono rispettivamente la larghezza del canale (W) e la profondità nominale (d) del semiconduttore. Anche i cOECT e i vOECT che utilizzano polimeri senza catene laterali di glicole etilenico conduttori di ioni sono stati fabbricati come controlli; la loro performance è marginale (Dati Estesi Fig. 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>