特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
有机电化学晶体管(OECTs)由于其低驱动电压（＜ 1V）、低功耗（＜ 1 uW）、高跨导（＞ 10 mS）和易于在机械柔性平台上集成，在生物电子学、可穿戴电子学和神经形态电子学中具有极大的吸引力。
关键问题
1、与空穴传输(p型)相比，电子传输(n型)OECT性能较差。大约是跨导和电流密度的1000倍，阻碍了生物传感器开发中对体内相关分析物阳离子(例如Na+，K+，Ca2+，Fe3+和Zn2+)的互补逻辑和敏感性的发展。最先进的传统OECTs (cOECTs)具有平面源漏电极结构，需要最多10µm的小通道长度(L)，以及精确的半导体层和无源材料电极涂层，以实现高跨导(gm)和快速开关(大约在毫秒范围内)，因此需要复杂的制造方法。3、OECT的应用范围十分有限，需要创新的材料设计目前所报道的OECT具有时间和/或操作的不稳定性，这阻碍了所有可能的应用；3、不平衡的p型和n型OECT性能阻止集成到互补电路；缓慢的氧化还原过程导致开关缓慢。因此需要新的材料设计来实现新器件架构。
新思路
有鉴于此，电子科技大学测试技术与仪器研究所程玉华教授课题组展示了具有平衡和超高性能的p型和n型垂直OECTs，通过将氧化还原活性半导体聚合物与氧化还原活性光固化和/或可光固化聚合物混合，形成离子渗透半导体通道，实现在一个简单的、可伸缩的垂直结构中，该结构具有密集的、不透水的顶部接触。第一个垂直堆叠互补垂直OECT逻辑电路实现了在小于±0.7 V时超过1ka cm−2的足迹电流密度、0.2-0.4 S的跨导、小于1ms的短瞬态时间和超稳定的开关(>50,000次循环)。
1、通过垂直器件结构来演示高性能的p型和n型OECT和互补电路。该结构易于通过热蒸发和遮蔽不渗透和密集的金源-漏电极以及离子导电的自旋涂层和光模压制成半导体通道。两种器件的离子/电流关闭(IOFF)比都令人印象深刻(≥106)，这完全是由于较高的离子和较低的IOFF。目前的p型vOECTs表现出迄今为止报道的最高gm,A和ION,A值。超过50,000个稳定的开关周期，这比OECTs的文献值高一个数量级。目前的vOECT结构也减少了占地面积，因为接触线也可以作为源极和漏极接触点，消除了与cOECTs所需的通道材料重叠的额外源极-漏极垫的需要。
技术细节
该过程的关键是使用氧化还原活性的p型(gDPP-g2T)或n型(Homo-gDPP)半导体聚合物与氧化还原惰性光固化聚合物混合作为OECT通道。在对照实验的基础上发现最佳半导体聚合物:Cin-Cell的重量比为9:2。vOECT几何截面和选定的光学和扫描电子显微镜(SEM)图像表明通道长度(L)是半导体层厚度(约100 nm)，底部和顶部电极的宽度分别定义了半导体的通道宽度(W)和标称深度(d)。使用无离子导电乙二醇侧链聚合物的cOECTs和vOECTs也被制成作为对照。
vOECT和cOECT转移特性和相应的SS点展示非凡的性能，实现最大消耗电流(8.2±0.5)×10−2 A和gm值分别高达384.1±17.8和251.2±7.6 mS。尽管通道长度超小(L≈100 nm)，但两种器件的离子/电流关闭(IOFF)比都令人印象深刻(≥106)，这完全是由于较高的离子和较低的IOFF。目前的p型vOECTs表现出迄今为止报道的最高gm,A和ION,A值，甚至超过了重掺杂和/或耗尽模式聚(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方面超过了所有先前报道的OECTs(包括p型oect)。重要的是，目前的vOECT结构也减少了占地面积，因为接触线也可以作为源极和漏极接触点，消除了与cOECTs所需的通道材料重叠的额外源极-漏极垫的需要。
对于p型和n型vOECTs，都记录了超过50,000个稳定的开关周期，这比OECTs的文献值高一个数量级。与cOECT架构相比，普遍存在的PEDOT:PSS在耗尽模式vOECTs中的稳定性也大大稳定。此外，两种器件的vOECT开启瞬态时间(τON)都小于0.5 ms，与相应的精确模式cOECTs相当。对cOECTs和vOECTs进行了带宽和电化学阻抗谱(EIS)测量。分别对p型和n型vOECTs测量了约500和约1200 Hz的截止频率(fc)。而基于垂直构型的EIS也表现出标准双电极构型的典型2R1C行为。
图 vOECT稳定性，开关时间和频率相关的跨导(带宽)特性
展望
总之，这项工作报告了在p型和n型操作模式下都表现出前所未有的性能的vOECTs。这里展示的器件结构是通过合成新的电活性和离子渗透性半导体聚合物以及电活性共混层的界面工程实现的。该器件可通过常规制造工艺获得，并提供高保真和稳定的性能特征。它们为各种应用中的全新系统设计提供了机会，包括低成本诊断、脑机接口、可植入和可穿戴设备、假肢和智能软机器人，对于这些应用来说，小的有效占地面积以及高gm和低驱动电压指标是基本要求。此外，vOECTs为柔性和可拉伸的互补器件和相关逻辑电路提供了一种新的设计范式。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
