东南大学王炳昊团队在《美国国家科学院院刊》发表超柔性垂直氧化物晶体管成果

（通讯员 王炳昊）近日，东南大学电子科学与工程学院王炳昊教授团队联合国内外多家研究机构，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一项关于超柔性垂直电解质栅控金属氧化物晶体管的重要研究成果。该研究提出了一种基于垂直器件架构的IGZO（铟镓锌氧化物）晶体管，有效突破了传统平面器件中沟道尺寸与双电层电容之间的固有矛盾，为低功耗可穿戴神经形态电子系统提供了全新方案。

金属氧化物电解质栅控晶体管（EGT）因其高载流子迁移率、溶液加工性和良好的稳定性，在大面积显示、生物传感和神经形态计算等领域备受关注。然而，传统平面结构面临一个根本性瓶颈：双电层电容往往需要较大的沟道面积，而这与器件微缩化趋势直接冲突，导致跨导难以提升，性能远落后于有机电化学晶体管。

本研究提出垂直晶体管结构解耦电容与沟道，将沟道长度由半导体厚度决定（可低至40nm），而双电层形成区域则与沟道面积部分解耦，从而同时实现纳米级沟道和高电容。借助溶液法IGZO薄膜、Cr/Au源漏电极及PBS水系电解质，该器件在超薄柔性衬底上获得了高达22.5mS的跨导，以及~10⁵的开关比，亚阈值摆幅低至~100mV/dec，工作电压低于0.5V。基于该晶体管构建了反相器、NOR和NAND逻辑门，可在0.1V超低电压下正常工作，静态功耗仅为34.7μW。此外，器件模拟了突触可塑性，包括双脉冲易化和长时程增强，并展示出频率依赖的高通滤波特性，其性能优于诸多有机及无机突触器件。

研究团队进一步将单个突触晶体管升级为完整的传感-控制闭环系统。该系统集成压力传感器、电阻、继电器和无线模块，通过物理触摸产生电压信号，经晶体管处理后控制柔性LED显示屏的开关。单次点击使屏幕显示“WEST”字样，而连续双击或长按则因记忆效应触发第二阈值，自动关闭显示。这一演示证明了该器件在可穿戴电子皮肤、智能机器人及脑机接口中的巨大潜力。

论文最后通讯作者王炳昊教授表示：“我们设计的垂直结构能够将沟道长度缩短至纳米尺度，同时在较大程度上保持了双电层电容，这为克服传统平面器件在尺寸微缩与电容保持之间的矛盾提供了一种可行的思路。此外，这种超薄器件可在极低电压下稳定工作，有望为未来低功耗神经形态人机交互系统的发展提供有益参考。”

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和美国空军科学研究办公室等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2606103123

供稿：电子科学与工程学院

（责任编辑：嵇宏 审核：王天宇）