一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管制造技术

本发明专利技术提供了一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管，包括基底以及位于基底上的漏电极、沟道、源电极、电解质层和栅电极；沟道位于上下堆叠的源电极和漏电极之间，形成三明治结构；电解质层与沟道接触，形成双电层；栅电极位于电解质层的上方或侧方，保持接触；其中，沟道材料为n型有机半导体；电解质层为晶体管的正常运行提供充足阳离子；晶体管在栅电极电压驱动下实现电解质层中阳离子向沟道电化学掺杂和去掺杂，从而调节晶体管的性能，可解决目前水平沟道n型OECTs响应频率较低、n型vOECTs缺失的问题，有望满足未来高性能逻辑运算、可穿戴柔性电子器件和神经形态计算的分布式应用需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管


[0001]本专利技术属于有机半导体电子器件
，具体涉及一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管。

技术介绍

[0002]有机电化学晶体管(Organic Electrochemical Transistors
‑
OECTs)由于其驱动电压低、功耗低、跨导率高以及易于柔性化集成等优点，在生物电子学、可穿戴电子系统和神经形态电子学领域具有广泛的应用前景。与场效应晶体管中薄膜诱导电荷在界面累积的机制相比，OECTs在运行过程中利用电解质中的离子对体状沟道进行电化学掺杂/去掺杂，来调节整个沟道体积中的电荷载流子浓度，这一离子
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电子耦合效应赋予了OECTs极高的跨导性质。然而，沟道材料缓慢的氧化还原动力学导致器件的开关速度慢，响应频率通常低于kHz，无法满足数字电路中对逻辑电路高频运行的需求。
[0003]目前，经典OECTs的沟道与源电极和漏电极采用水平的横向排列，沟道长达几微米到几十微米，而沟道内半导体需要在这一较长距离内实现整体的氧化还原，导致了器件开关速率低，进一步影响后续逻辑电路的运算速度和能耗。垂直OECTs(vOECTs)将传统器件的电荷传输从与基底的水平方向变为垂直方向，此时薄膜厚度即为沟道长度，可以缩短至数十纳米甚至几纳米。短沟道效应导致离子向沟道的掺杂速度显著提升，进而缩短器件的响应时间。同时vOECTs源电极和漏电极采用十字交叉结构，易于集成且工艺简单，能够有效提高器件的集成密度。目前，通过垂直沟道的设计策略，聚噻吩p型半导体(P3HT，PEDOT:PSS)的vOECTs已将器件的响应频率从kHz提高到了10MHz，跨导超过7000S/cm，电流密度>3MA/cm2(Nature Nanotechnol.2019,14,579；ACS Appl.Mater.Interfaces,2020,12,49915；Advanced Materials.2022,34,2208757)。
[0004]然而，n型有机半导体材料发展较为滞后，迁移率、跨导等性能比p型有机半导体落后，且大部分对空气敏感不适用于构筑OECTs。近年来，受p型OECTs材料中引入烷氧基团提高离子传导率的启发，含有烷氧基团的n型材料用于OECTs，其响应速率目前未超过kHz水平，最大跨导11S/cm，亚阈值漂移～100mV/dec(Advanced Materials.2018,30,1704916)。并且，上述含烷氧基团n型材料一方面合成工艺复杂，另一方面由于LUMO能级轨道低(易与水氧作用而失效)，材料和器件在电解液中的运行稳定性差；同时，高度亲水的烷氧侧链也制约了薄膜形态的稳定性，易在电解液侵蚀下薄膜出现针孔(pinhole)。该针孔在横向沟道中不影响器件运行，但无法用于垂直OECTs中。因此，受限于高性能n型半导体材料及其稳定薄膜的发展，基于n型有机半导体的vOECT仍未见报道。
[0005]鉴于上述现状，面向未来高速运算、高集成密度的高性能逻辑电路，亟待设计高跨导、低操作电压、高频响应的n型vOECTs。

技术实现思路

[0006]面向未来高性能逻辑运算、可穿戴柔性电子器件和神经形态计算的分布式应用需
求，以及针对目前n型vOECTs缺失的问题，本专利技术提供一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：
[0008]一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管，其特殊之处在于：包括基底以及位于基底上的漏电极、沟道、源电极、电解质层和栅电极；所述沟道位于上下堆叠的源电极和漏电极之间，形成三明治结构；所述电解质层与沟道接触，两者界面形成双电层，为离子掺杂提供途径；所述栅电极位于电解质层的上方或侧方，保持接触；
[0009]其中，沟道材料为n型有机半导体；
[0010]电解质层为晶体管的正常运行提供充足阳离子；
[0011]晶体管在栅电极电压驱动下实现电解质层中阳离子向沟道电化学掺杂和去掺杂，从而调节晶体管的性能。
[0012]进一步地，所述沟道的材质为氮杂梯形聚合物(如：聚[(苯并咪唑基)苯并菲罗啉](BBL)、PgNaN和PgNgN等)、不同取代侧链的聚萘酰亚胺
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(并)噻吩共聚物(如：(PNDI(2OD)2T、PNDI(2HD)T和p(gNDI
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gT2)等)、富勒烯衍生物(C60
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TEG等)、异靛蓝(IG)
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(并)噻吩共聚物(如：异靛蓝
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噻吩(IG
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T)、二氮异靛
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噻吩(AIG
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T)、噻吩并异靛
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噻吩(TIG
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T)的共聚物等)、或吡咯并吡咯二酮(DPP)
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(并)噻吩共聚物(如：P(gDPP
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T2)、P(gPyDPP
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T2)、P(gDPP
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TT)、PTDPP
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DT、P(TDPP
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CT2)、P(gPzDPP
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2T)、P(gPzDPP
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CT2)、2DPP
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OD
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TEG和DPP
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g2T等)。
[0013]进一步地，所述电解质盐为金属阳离子盐(包括单价阳离子(如：锂、钠和钾离子等)盐、多价金属阳离子(如：钙、镁、锌和铝离子等)盐)、非金属阳离子(质子、铵离子)盐、有机阳离子(四乙胺、四丁铵和十六烷基
‑
三甲基阳离子等)盐、离子液体或含可移动阳离子的聚电解质(聚苯乙烯磺酸盐、聚丙烯酸盐和聚磷酸盐)，其在电解质中的质量分数为0.01～99.99％；
[0014]所述溶剂为碳酸乙酯、水、乙腈、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)或丙酮；
[0015]凝胶电解质所用聚合物为聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯共聚物P(VDF
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TrFE)、聚偏氟乙烯
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六氟丙烯共聚物(P(VDF
‑
HFP))、明胶或壳聚糖，其在电解质中的质量分数为0.01～99.99％。
[0016]进一步地，所述基底为平整的绝缘体或带有绝缘层的导体基底，呈现刚性或柔性，其材质为玻璃、云母、石英、氧化铝、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或带有绝缘层的硅片；可根据需要选择适当的基底，比如制备可穿戴柔性电子器件时，可选用柔性基底；
[0017]所述绝缘层材质为氧化硅、氧化铝或氧化锆。
[0018]进一步地，所述源电极和漏电极采用氧化铟锡(ITO)、金、铂、钛、银、银纳米线、碳纳米管、铜或铝；源电极和漏电极厚度为1nm
‑
50μm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直沟道的n型有机电化学晶体管，其特征在于：包括基底以及位于基底上的漏电极、沟道、源电极、电解质层和栅电极；所述沟道位于上下堆叠的源电极和漏电极之间，形成三明治结构；所述电解质层与沟道接触，形成双电层；所述栅电极位于电解质层的上方或侧方，保持接触；其中，沟道材料为n型有机半导体；电解质层为晶体管的正常运行提供充足阳离子；晶体管在栅电极电压驱动下实现电解质层中阳离子向沟道电化学掺杂和去掺杂，从而调节晶体管的性能。2.根据权利要求1所述垂直沟道的n型有机电化学晶体管，其特征在于：所述沟道的材质为氮杂梯形聚合物、不同取代侧链的聚萘酰亚胺
‑
(并)噻吩共聚物、富勒烯衍生物、异靛蓝
‑
(并)噻吩共聚物或吡咯并吡咯二酮
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(并)噻吩共聚物；所述沟道的厚度为1
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500nm。3.根据权利要求1或2所述垂直沟道的n型有机电化学晶体管，其特征在于：所述电解质层由电解质盐与溶剂和/或聚合物组成，为液态电解质或凝胶电解质；其中，电解质盐为金属阳离子盐、非金属阳离子盐、有机阳离子盐、离子液体或含可移动阳离子的聚电解质，其在电解质中的质量分数为0.01～99.99％；溶剂为碳酸乙酯、水、乙腈、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯或丙酮；凝胶电解质所用的聚合物为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物、明胶或壳聚糖，其在电解质中的质量分数度为0.01～99.99％。4.根据权利要求3所述垂直沟道的n型有机电化学晶体管，其特征在于：所述基底为平整的绝缘体或带有绝缘层的导体基底，其材质为玻璃、云母、石英、氧化铝、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或带有绝缘层的硅片；所述绝缘层材质为氧化硅、氧化铝或氧化锆。5.根据权利要求4所述垂直沟道的n型有机电化学晶体管，其特征在于：所述源电极和漏电极采用氧化铟锡、金、铂、钛、银、银纳米线，碳纳米管，铜或铝；源电...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁洁娜，林宗琼，杨波，黄维，牛帅，戴彦谷，孙骏毅，何国伟，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：