中山大学刘川课题组：光刻2μm图案分辨率的凝胶电解质

Ion Compensation-Assisted Photolithography Enables High-Resolution Electrolytes for Neuromorphic Transistors

Wenjing Zhang, Xiaoci Liang, Sixing Chen, Xiuquan Ma, Chen Chen*, Songjia Han*, Chuan Liu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 434

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02288-4

本文亮点

1. 离子补偿，破解三难题：提出离子补偿辅助光刻(ICAP)策略，将紫外诱导的物理/化学双交联与后续离子补给结合，在保持微米级图案边界的同时恢复移动离子含量，实现2 μm图案分辨率、15.6 μF cm⁻²电容以及−50 °C至200 °C的热稳定性。

2. 阵列隔离，面向集成：图案化电解质通过空间限域离子传输，显著降低OECT阵列中的离子泄漏和器件间串扰；相比未图案化阵列，串扰抑制率97.6%，开关比提升325%，寄生耦合降低40倍以上。同时，该工艺兼容p型PEDOT:PSS、n型BBL以及无机WO₃等多类沟道材料，可用于构筑柔性器件、实现类突触响应，并支撑高密度电解质栅控阵列的集成。

研究背景

有机电化学晶体管(OECT)兼具低电压工作、高跨导、柔性和生物界面兼容等优势，是柔性生物电子学、神经形态计算和可穿戴传感中的重要器件平台。与传统场效应晶体管主要依赖电场调控不同，OECT的工作核心在于电解质离子与半导体沟道之间的耦合：离子进入沟道后改变材料掺杂状态，进而调制和放大电子电流。因此，电解质并非简单的“绝缘层”，而更像是器件运行中的“离子高速路”。然而，当OECT由单器件走向高密度阵列时，未图案化的连续电解质容易导致离子在相邻器件间扩散，形成寄生电流和电容耦合，进而造成开关比下降、功耗增加甚至逻辑输出错误。为解决这一问题，需要对电解质进行高精度图案化，使每个器件拥有边界清晰的离子功能区；但传统光刻工艺在电解质体系中常面临高分辨率、高电容和高稳定性难以兼得的矛盾。因此，如何在微米尺度下同时保留结构精度和离子功能，成为OECT阵列化和集成化的关键。

内容简介

针对上述瓶颈，中山大学刘川团队提出了离子补偿辅助光刻(ion compensation-assisted photolithography, ICAP)策略。该电解质前驱体以羟丙基纤维素(HPC)为聚合物骨架，碳酸乙烯酯(EC)为溶剂，并含有LiCl、光引发剂Irgacure 754和环氧氯丙烷(ECH)。在紫外曝光过程中，光引发接枝和ECH醚化反应共同形成物理/化学双交联网络，该网络能够在极小溶胀条件下实现精确光图案化，而随后的离子补偿步骤在光刻后补充移动离子，不牺牲结构完整性的情况下提高电解质电容。利用ICAP所制备的图案化电解质实现了2 μm空间分辨率、15.6 μF·cm⁻²高电容并在宽温度范围(−50°C至200°C)内具有良好热稳定性，将其集成至OECT后，相较未图案化器件，开关比提升325%，器件间串扰抑制率97.6%。除此之外，ICAP图案化电解质兼容p型和n型有机半导体以及无机氧化物半导体，凸显了其跨材料体系的通用性。ICAP策略为高性能电解质栅控晶体管和神经形态电子器件提供了可扩展平台，也为高密度、晶圆级混合集成OECT电子系统提供了可行路径。

图文导读

I 图案化后补充离子：ICAP电解质的核心设计

如图1所示，ICAP策略的关键是把“结构稳定”和“离子功能”解耦，紫外曝光诱导的物理/化学双交联网络负责锁定图案边界，水显影去除未曝光区域，随后再通过离子补偿恢复电解质中的移动离子含量。将HPC作为电解质骨架，Irgacure 754在紫外照射后产生的自由基共价接枝到HPC链上，将疏水基团引入聚合物结构。这些疏水基团进一步在聚合物基体内诱导非共价缔合，包括疏水相互作用和链缠结，形成物理交联网络。该物理交联网络提高了电解质的抗溶胀能力、结构稳定性和图案保真度。同时，ECH与HPC的羟基发生反应，通过亲核取代形成化学交联，从而建立具有更强耐溶剂性和疏水性的物理化学双网络，这一稳固网络使图案化薄膜能够完全在水中显影，无需额外光刻胶或干法刻蚀步骤即可实现高分辨率图案化。随后，将图案化电解质浸入LiCl溶液中，通过离子补偿增强其电学性能。双交联与离子补偿的协同作用在保持结构保真度的同时维持高电化学性能。这种水显影、无光刻胶方法避免对半导体造成损伤，从而实现对PEDOT:PSS、BBL和WO₃等有机与无机半导体材料的广泛兼容。

图1. ICAP图案化电解质的制备流程与材料兼容性示意图。

II 双交联定型与离子补偿：2 μm图案化，15.6 μF cm⁻²电容及机理解析

SEM和光学显微图表明，ICAP图案化电解质可实现2 μm特征尺寸，并能完成高分辨率的复杂图案，为进一步验证其可扩展性，实现了高密度的电解质晶圆级阵列，体现了ICAP图案化电解质在尺寸和可制造性上的综合优势。电化学阻抗谱(EIS)进一步证实，其电容可达到15.6 μF·cm⁻²，此外，电解质在−50°C至200°C的超宽热窗口内保持稳定电容，这种高热稳定性归因于EC增塑的基体。EC的高沸点限制了高温下的溶剂流失，而双交联网络则保持了机械完整性。将ICAP制备的电解质与已报道的先进电解质进行基准比较，总结了最小特征尺寸、电容和离子电导率等关键参数，ICAP电解质在图案化分辨率、电容和离子电导率方面表现出综合提升，体现了ICAP在多项关键指标之间实现的良好平衡和综合性能优势。

图2. ICAP电解质的图案分辨率、电容性能、晶圆级制备能力和热稳定性。

Irgacure 754在紫外作用下与HPC链发生接枝，引入疏水基团并形成物理缔合；ECH则与HPC羟基反应形成化学交联。两种作用共同构筑的微孔网络，为离子传输保留通道。XPS光谱分析证实了上述反应的发生，C–C相对于C–O的强度比增强，与羟基通过醚化反应被消耗相一致。傅里叶变换红外光谱显示C–Cl伸缩振动峰和环氧振动峰明显减弱，验证了环氧开环机制。O–H伸缩振动峰的消失进一步证明HPC主链上的羟基发生了取代。为验证图案化电解质在后续工艺中的稳定性，进一步考察了其在水显影和ICAP后处理过程中的形貌变化。结果表明，处理后电解质图案仍保持清晰完整，未出现明显的溶胀、变形或脱落。说明物理–化学双重交联网络有效增强了电解质薄膜的结构与界面稳定性，使其能够耐受水显影和后续离子补偿处理。此外，EDS结果显示，离子补偿后电解质表面和截面的Cl信号均明显增强，说明LiCl已进入整个电解质网络，而非仅停留于表面。电化学阻抗、离子电导率和热重分析进一步验证了该结构的离子补偿有效性和热稳定性。

图3. ICAP电解质双交联与离子补偿机制。

III 离子关进自己的“房间”：阵列串扰与逻辑错误的抑制

对于OECT阵列的实际集成而言，抑制泄漏电流并最大程度降低相邻器件间的电学串扰至关重要，但由于未图案化电解质中的离子迁移难以控制，这一问题仍具挑战性。未图案化OECT阵列允许移动离子在相邻晶体管之间自由迁移，从而产生显著泄漏电流和强器件间耦合。这些寄生效应限制了电路可扩展性，并导致不可预测的逻辑行为。为克服这一限制，我们采用ICAP图案化电解质制备OECT阵列，通过空间限制离子传输，在相邻沟道之间建立可靠电学隔离。为阐明电解质图案化在抑制离子串扰中的作用，进行了二维TCAD仿真，比较连续和图案化电解质OECT中的离子分布及泄漏电流路径。对于连续电解质构型，电解质被建模为覆盖沟道区域并与源/漏电极重叠。相比之下，在图案化电解质构型中，电解质被限制在有源沟道区域，且不与源/漏电极直接接触，周围间隙被视为离子阻挡区域。仿真结果显示，连续电解质会导致明显的横向离子扩散和泄漏电流路径，而ICAP图案化电解质能够有效将移动离子限制在寻址沟道附近并抑制泄漏电流。此外，随着沟道长度减小，未图案化器件的泄漏电流急剧上升，而图案化OECT始终保持较低漏电流，证实了图案化电解质的隔离作用。

以PEDOT:PSS作为沟道半导体，制备了图案化和未图案化OECT阵列。在未图案化器件中，额外的离子导电路径会产生较大的泄漏电流，使测得的源漏等效电阻同时受到半导体沟道电阻和电解质电阻的影响。ICAP图案化器件能够有效抑制漏电流，确保沟道电阻仅由半导体决定。因此，相较未图案化器件，开关比提升了325%。此外，通过将OECT2设置为干扰栅并监测相邻OECT1中的寄生电流，定量评估了OECT阵列的串扰行为。在未图案化构型中，增大干扰栅偏压(Vcrosstalk)会导致受扰器件电流(Icrosstalk)显著升高，相比之下，ICAP图案化阵列表现出可忽略的寄生响应，在Vcrosstalk = 1.5 V下实现97.6%的串扰抑制，相较未图案化器件寄生耦合降低40倍以上。瞬态测试进一步强调了电解质隔离的优势，对于未图案化阵列，在Vvictim = 0 V条件下将Vcrosstalk在+1.5 V和−0.5 V之间切换，可得到−7.75 dB的信噪比，意味着噪声主导了受扰器件响应。这种负信噪比表明器件间串扰严重扭曲信号，使其难以与噪声区分。相比之下，图案化阵列显著抑制寄生离子电流，即使在较大的干扰栅摆幅下，也能使受扰器件保持电学静默，从而维持信号完整性。

图4. ICAP图案化电解质对OECT阵列泄漏电流、器件串扰和逻辑错误的抑制。

IV 材料兼容，面向类脑应用：p型、n型与无机OECT的神经形态验证

在材料兼容性方面，ICAP电解质可以与p型PEDOT:PSS和n型BBL有机半导体协同工作。图5展示出PEDOT-OECT典型耗尽型特征，开关比达到104，并能在毫秒尺度下模拟抑制性突触后电流(IPSC)和短时可塑性；经过10000次脉冲循环后，电流衰减低于4.7%。对于n型BBL-OECT，器件呈现积累型行为，开关比超过105，并可模拟兴奋性突触后电流(EPSC)，在5000次循环后仍保持85.3%的电流响应。

图5. ICAP电解质在p型PEDOT-OECT和n型BBL-OECT中的器件特性及类突触响应。

除了有机半导体，ICAP还可拓展到无机氧化物WO₃沟道。WO₃-OECT实现105的开关比，并表现出可编程的长时程增强和抑制行为和3000次循环的稳定电导调制。此外，研究进一步补充了结合实验突触响应开展的MNIST识别模拟，基于PEDOT-OECT、WO₃-OECT和BBL-OECT的人工神经网络分别获得99.7%、98.97%和90.7%的识别准确率，说明该图案化电解质策略不仅服务于单器件性能，也具有面向阵列级神经形态系统的应用潜力。

图6. ICAP电解质在无机WO₃-OECT中的器件特性及类突触响应。

V  总结

本研究围绕OECT阵列集成中长期存在的电解质图案化难题，提出了离子补偿辅助光刻策略。通过“先双交联定型、再离子补偿增容”的设计，ICAP将传统光刻中的结构保真优势与电解质所需的高离子功能结合起来，突破了高分辨率、高电容和高稳定性难以同时实现的限制。

在材料层面，ICAP电解质实现2 μm图案分辨率、15.6 μF cm⁻²面电容和−50 °C至200 °C热稳定窗口；在阵列层面，能够显著抑制离子泄漏和器件间串扰；在器件与应用层面，该策略兼容p型耗尽型PEDOT:PSS、n型积累型BBL以及无机WO₃等不同沟道材料，并可实现类突触响应、逻辑反相器和神经形态识别模拟。

总体而言，ICAP为高密度电解质栅控晶体管、柔性生物电子器件和神经形态集成电路提供了一条兼具工艺可扩展性、材料通用性和器件可靠性的图案化电解质路线。

作者简介

刘川

本文通讯作者

中山大学 教授

▍主要研究领域

氧化物半导体器件、有机半导体器件、薄膜晶体管与光电集成技术研究。

▍主要研究成果

本科毕业于清华大学物理系，获英国剑桥大学物理学博士学位，先后在日本国立材料科学研究所(NIMS)、韩国东国大学从事研究，聚焦智能交互显示和感存算光电集成的材料、器件、芯片与系统。在Nat. Electron.、Nat. Photon.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等期刊上发表学术论文，相关成果总引用11,000余次。入选国家高层次人才、国自然优青等人才项目。担任Semicond. Sci. Technol.编委、ACS Appl. Polym. Mater.顾问、J. Soc. Inf. Disp.副编辑等。

▍Email：liuchuan5@mail.sysu.edu.cn

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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