作为现代电子技术的基础，逻辑电路的发展依赖于晶体管这一最重要基础器件的演进。追求更短的沟道/栅极长度是实现更高集成密度和更低功耗晶体管的主要策略之一，由于当前最先进的晶体管的几何尺寸已达到其理论/物理极限，因此探索其他替代技术路线变得极为迫切。在多种潜在解决方案中，与传统二进制逻辑系统相比，多值逻辑（MVL）电路在处理复杂任务和简化电路复杂度方面展现出显著优势。为了实现具有竞争性的MVL电路，器件级别的创新至关重要，即在单个器件中实现多个阈值电压或开关状态。在各种器件或集成策略中，反双极晶体管（AAT）因其独特的负微分电阻特性（即呈“ʌ”型的转移特性曲线）而展现出在三值逻辑电路应用的巨大潜力。近年来，通过构建堆叠p-n异质结（包含过渡金属二硫化物（TMD）/有机半导体（OSC）、TMD/碳纳米管、OSC/OSC、金属氧化物（MO）/OSC等在内的多种异质结），多种AAT相继被发明，并展示了对反双极性的高度可调性。最近，由单一组分聚合物半导体构成的有机电化学晶体管（OECT）中也实现了反双极性特性，而将具有反双极性的OECT进一步集成到MVL电路中尚未实现。
电子科技大学黄伟教授与中山大学岳晚教授携手合作，通过小分子t-gdiPDI与垂直电化学晶体管架构的巧妙结合，实现了超高性能的AAT，其特点包括高电流密度（超过30 A/cm²）、接近0 V的峰值电压以及极低的驱动电压（仅0.6 V）。这是在小分子半导体OECT领域内首次观测到反双极性行为；同时依靠这一超高的反双极性性能，首次实现了用于MVL电路的垂直堆叠三值反相器（VSTI），并展示了三个独立的逻辑态；最后该研究进一步验证了VSTI在深度学习网络中的应用潜力。该工作不仅证明了利用OECT构建MVL电路的可行性，更为基于有机电路的高密度集成和多值计算系统的发展探索出了创新的路径策略。
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图1：三值逻辑电路和AATs特征。（a）三值逻辑电路；（b）AAT转移特性示例；（c-d）vOECT器件结构和器件的剖视图；（e）t-gdiPDI化学结构；（f-g）AAT电流密度（ION,A）与峰值电压(Vpeak)关系图及驱动电压范围（∆VG）与漏极电压（VD）关系图。图1结果表明了采用基于小分子（t-gdiPDI）沟道的vOECT，能够实现高性能的AAT。该晶体管在仅0.1 V的VD下，实现了约0 V的Vpeak、33.9 ± 2.1 A/cm²的ION，A以及约0.6 V的∆VG，在各类AAT中该性能都属于领先水平。![]()
图2：AAT器件性能。（a-b）n/p型模式下的转移特性曲线；（c-d）n/p型模式下不同VD的转移特性曲线，（e-f）n/p型模式下的输出特性曲线；（g）AAT瞬态特性曲线；（h）AAT跨导特性。从AAT的性能曲线中可以明显地发现在0.1 V的VD下， VG从-0.4 V扫描到0.6 V时，观察到了典型的反双极性特性。在VG从大约-0.3 V增加到大约0.1 V的过程中，ID单调增加，然后随着VG进一步增加到0.6 V，ID逐渐减小。同时，在p型模式下驱动时也观察到了类似的过程。此外AAT展示出了大于3 mS的跨导和小于65 ms的开关响应时间。![]()
图3：垂直堆叠的三值反相器（VSTI）结构设计及性能特性。（a-b）基于vOECT的VSTI示意图和剖视图的放大图；（c） VSTI的光学显微镜照片，其中每个金电极的位置已标出；（d-e）VSTI在VDD = 0.6 V下的电压输出、功率损耗和电压增益特性。从结构示意图中可以看出VSTI包含一个反双极性vOECT，它直接位于p型vOECT的顶部。这种垂直堆叠几何结构有效地减少了反相器的面积至少50%，从而可以增强电路集成密度。同时，图d-e展示了VSTI的电压输出和增益特性，其中观察到了三种不同的逻辑状态。![]()
图4：三值反相器阵列用于三元权重网络（TWN）。（a） TWN算法中卷积阵列功能的仿真电路结构；（b）5×5 VSTI阵列的光学显微镜照片，其中每个金电极的位置已标出；（c）VDD=0.6 V时VSTI阵列的电压输出特性；（d-e）30个迭代期间的损失特性和分类准确度曲线以及识别手写图像时的真实标签和预测标签的混淆矩阵。图4展示了VSTI作为三元神经网络的基础硬件电路实现三值运算的可能性。通过制备一个5 × 5原型VSTI阵列，将VSTI集成到一个能够运行向量矩阵乘法运算的阵列中。同时，并展示了VSTI阵列的电压输出特性。随后，在可行性验证阶段，利用MNIST数据集的模式识别任务来评估阵列的数据分析能力，经过30次训练迭代，获得了稳定的极高识别率（99.4%）和低损失。该研究首次报道了基于小分子半导体材料制备的反双极性OECT，同时还首次构建了仅基于OECT的垂直堆叠三元电路及其阵列，这一成果不仅证明了OECT在构建MVL电路方面的潜力，还为有机电路的高密度集成和多值计算系统的发展开辟了新途径。
【参考文献】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202405115
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