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Jul 23, 2023

相補回路用縦型有機電気化学トランジスタ

Nature volume 613、pages 496–502 (2023)この記事を引用する 24k アクセス数 21 引用数 168 Altmetric Metrics の詳細 有機電気化学トランジスタ (OECT) および OECT ベースの回路は、優れた機能を提供します。

Nature volume 613、pages 496–502 (2023)この記事を引用

24k アクセス

21件の引用

168 オルトメトリック

メトリクスの詳細

有機電気化学トランジスタ (OECT) および OECT ベースの回路は、非常に低い駆動電圧 (<1 V)、低消費電力 (<1 µW)、高い相互コンダクタンス (>10) により、バイオエレクトロニクス、ウェアラブルエレクトロニクス、および人工神経形態エレクトロニクスにおいて大きな可能性をもたらします。 mS) および生体適合性 1、2、3、4、5。 しかし、重要な相補ロジック OECT の実現の成功は、現在、一時的および/または動作の不安定性、遅い酸化還元プロセスおよび/またはスイッチング、高密度モノリシック集積との非互換性、および劣った n 型 OECT 性能によって制限されています 6,7,8。 ここでは、酸化還元活性半導体ポリマーと酸化還元不活性光硬化性および/または光パターン化可能なポリマーをブレンドしてイオン透過性半導体チャネルを形成することにより、バランスの取れた超高性能の p 型および n 型垂直 OECT を実証します。高密度で不浸透性の上部コンタクトを備えたスケーラブルな垂直アーキテクチャ。 当社の知る限り、±0.7 V 未満で 1 kA cm−2 を超えるフットプリント電流密度、0.2 ～ 0.4 S の相互コンダクタンス、1 ms 未満の短い過渡時間、および超安定したスイッチング (>50,000 サイクル) が達成されています。最初の垂直スタックされた相補垂直 OECT 論理回路。 このアーキテクチャは、巨視的な電解質との接触を必要とせず、ナノスケールで閉じ込められた空間における有機半導体レドックス化学および物理学の基礎研究、ならびにウェアラブルおよび埋め込み型デバイスへの応用に多くの可能性をもたらします。

有機電気化学トランジスタ (OECT) は、駆動電圧が低く、消費電力が低く、相互コンダクタンスが高く、機械的に柔軟なプラットフォームに容易に統合できるため、バイオエレクトロニクス、ウェアラブルエレクトロニクス、ニューロモーフィックエレクトロニクスにとって魅力的です1、2、3、5、9、10、11。 しかし、OECT のさらなる進歩は課題に直面しています。 (1) 進歩 8 にもかかわらず、電子輸送 (n 型) OECT の性能が正孔輸送 (p 型) の OECT と比較して劣っている (相互コンダクタンスおよび/または電流密度が約 1,000 倍低い) 6,7,12 ため、OECT の開発が妨げられています。バイオセンサー開発のための相補的なロジックと in vivo 関連分析物カチオン (例: Na+、K+、Ca2+、Fe3+、Zn2+) に対する感度。 (2) 時間的および/または動作上の不安定性により、考えられるすべてのアプリケーションが妨げられます。 (3) p 型と n 型の OECT の性能がアンバランスであるため、相補型回路への統合が妨げられます 13、14。 (4) 酸化還元プロセスが遅いと、スイッチングが遅くなります。 (5) プレーナ型ソース・ドレイン電極アーキテクチャを備えた最先端の従来型 OECT (cOECT) は、正確にパターン化された半導体層と受動材料による電極コーティングとともに、最大 10 μm の小さなチャネル長 (L) を必要とします。高い相互コンダクタンス (gm) と高速スイッチング (およそミリ秒範囲) 15 を実現するには、複雑な製造方法が必要です 15、16。 従来のフォトリソグラフィーでは、1 μm を超えるフィーチャーまたは L しか確実に実現できず (参考文献 16)、印刷とレーザー切断により cOECT 製造が簡略化されますが、これによりパフォーマンスが犠牲になることに注意してください。 さらに、gm を高めるために、OECT は通常、厚い半導体膜を使用しますが、高い gm 値には電解質とバルク半導体間の効率的なイオン交換が必要であるため、必然的にスイッチング速度が犠牲になります20。 したがって、特に n 型半導体の材料設計が進歩し、新しいデバイス アーキテクチャが実現しない限り、OECT の応用範囲は限られたままになるでしょう。

このレポートでは、不透過性で高密度の Au ソース - ドレイン電極の熱蒸着とマスキングによって容易に製造できる垂直デバイス アーキテクチャ (垂直 OECT、以下 vOECT と呼びます) を使用して、高性能の p 型および n 型 OECT と相補回路を実証します。イオン伝導性半導体チャネルのスピンコーティングと光パターニング。 vOECT の製造プロセスは図 1a に示されており、詳細は「方法」に記載されています。 このプロセスの鍵となるのは、酸化還元活性のある p 型 (gDPP-g2T) または n 型 (Homo-gDPP) の半導体ポリマーと、酸化還元不活性で光硬化性のポリマー成分 (シンナメート - セルロース ポリマー (Cin-gDPP) をブレンドしたもの) を使用することです。 Cell)) を OECT チャネルとして使用します (図 1b の構造、図 1 の方法と拡張データの合成プロセスを参照)。 対照実験 (下記参照) に基づいて、最適な半導体ポリマー:Cin-Cell の重量比は 9:2 であることがわかりました。 vOECT幾何学断面と選択された光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡（SEM）画像（図1c、d）は、チャネル長（L）が半導体層の厚さ（約100 nm）、底部とチャネルの幅であることを示しています。上部電極は、それぞれ半導体のチャネル幅 (W) と公称深さ (d) を定義します。 イオン伝導性エチレングリコール側鎖を持たないポリマーを使用する cOECT および vOECT も対照として作製されました。 それらのパフォーマンスは限界に達しています (拡張データ図 2)。