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北京大学胡又凡课题组《Acc. Mater. Res》:基于碳纳米管的柔性集成电路

来源:石墨烯联盟|

发表时间:2020-10-13

点击:6433

文章来源:材料分析与应用


柔性集成电路作为信息处理的核心单元,是实现全柔性电子系统的重要组成部分,由于其应用形式的扩展,与现有的混合柔性系统(部分或全部基于刚性硅片)相比具有优势,更好的适应性,以及在生物/非生物界面操作的能力。最终集成系统的可交付功能在很大程度上取决于柔性集成电路的信息处理能力,这在很大程度上取决于其性能和集成规模。此外,随着柔性电子系统在便携式,可穿戴或远程形式且电源受限的应用中变得越来越受欢迎,柔性集成电路的功耗变得至关重要,因为它们会消耗系统中的大量能量。由于在热预算较低且工作环境复杂的柔性基板上的制造环境受到限制(从机械和电气条件的角度来看),因此,寻求具有高性能,合理的集成规模和低功耗的柔性集成电路非常具有挑战性,但是对于高级的,完全灵活的系统而言,这是必需的。生物相容性,可降解性和可配置性等其他特征将为柔性集成电路增加价值,并为柔性电子产品引入非常规形式和新的可交付成果。


本文,北京大学胡又凡课题组在《 Acc. Mater. Res》期刊发表了“Flexible Integrated Circuits Based on Carbon Nanotubes”的论文,该文献总结了过去五年我们在发展碳纳米管基柔性集成电路方面所做的努力。作为制造下一代芯片的有希望的候选材料,碳纳米管集成电路在性能和功耗方面已经显示出其优越性,我们通过材料优化、器件设计、加工技术开发,将这些进步扩展到一种灵活的形式,我们从简单介绍碳纳米管的特性入手,揭示其作为下一代电子器件沟道材料的内在优势。接下来,我们讨论了我们开发的制造方法,通过直接制造或转移工艺在柔性基板上构建集成电路,以保持这些优势并使电路适合不同的应用环境。然后,介绍了不同形式和特性的碳纳米管基柔性集成电路,包括:


(1)在超薄高性能衬底上植入互补金属氧化物半导体电路,

(2) 具有生物集成能力和低功耗的可转移集成电路;

(3)高产量、高均匀性的可降解集成电路;

(4)多功能可配置集成电路。还介绍了用这些电路构成的集成柔性传感器系统。


最后,我们以对碳纳米管在柔性集成电路和新型电子产品中所面临的挑战和新机遇的概述来结束这篇文章。



图1.具备功能的柔性IC的CNT的关键属性。



图2.(a)在柔性基板上直接制造器件的过程。


(b)CAED实验装置的示意图。

(c)照片显示了用电子设备制造的超薄聚对二甲苯基板的分层过程。比例尺,1厘米。平均分层速度

(d)施加电压,

(e)NaCl浓度

(f)硅片倾斜角的函数。

(h)照片显示用金电线沉积的PI,PMMA和SEBS薄膜分层。



图3.(a)CNT CMOS结构的截面图。


(b)在分层之后测量的100个p型TFT和100个n型TFT 的V th的传递特性和统计分布。(d)在卷制前后的TFT的转印特性。插图:正在滚动的系统照片。比例尺,200μm。

(e)典型CMOS反相器的VTC。

(f)随着V dd的增加,三级RO的振荡频率变化。插图:RO的照片。比例尺,100μm。(g)附着在皮肤上以进行汗液监测的集成传感器系统的照片。比例尺,1厘米。

(h)集成传感器系统的电路图和(i)频率-湿度曲线。



图4.(a)转移到任意非常规衬底上的器件和IC。


(b)I 开 / I 关和(c)I 关 / W对100个已转移设备的统计分布。插图(c):V th的统计分布。

(d)100个逆变器的VTC。插图:电路图。

(e)这些逆变器的峰值分布和最低功耗。

(f)全加法器的光学图像和(g)输入-输出特性。



图5.(a)基于CNT薄膜的可降解器件的晶圆级制造。


(b)转移前晶片上10个芯片的空间分布,

(c)这些芯片的器件良率。

(d)芯片10中100个TFT的传输特性。

(e)V th的对应统计分布。

(f)不同转移码片之间的V th统计。

(g)附着在植物叶片上的传感平台的光学图像和电路图。比例尺,1厘米。

(h)实时监测模拟生态系统。

(i)一系列图像显示了人工降雨下感应平台的退化过程。比例尺,1厘米。



图6.(a)DMG设备的剖视图。


(b)不同V ds下典型DMG设备的传输特性。插图:DMG设备(红色曲线)和NG设备(蓝色曲线)的示意性能带结构。

(c)DMG和NG设备之间的I off / W比较。

(d)二极管配置下典型DMG设备和NG设备的I – V曲线。

(e)78种DMG设备的整流比的统计分布。

(f)具有两个DMG器件和一个电阻器的可配置柔性IC的等效电路图,

(g)光学图像和(h)动态输入-输出特性


碳纳米管作为一种非常有前途的下一代芯片的候选材料,在柔性集成电路中的应用也显示出了其优越性,这不仅体现在它们所获得的高性能上,与刚性衬底上的同类产品相匹配,而且还表现出所需的兼容性和适应性适合各种新兴应用。对于构造用于处理模拟信号的电路,要求器件具有大跨导(以获得更好的放大能力),寄生电容/电阻小(用于提高采样率和采样速度),器件之间的参数偏差可忽略不计。在数字电路的构造中,为了使电路具有更好的抗噪声能力,扇形输入/扇出、正确的时序逻辑输出和级联能力等问题越来越受到重视。使更强大的柔性集成电路能够构建完全灵活的集成系统,将释放出柔性电子的真正力量,它可以在各种应用领域提供突破,例如先进的监测、诊断和治疗形式。


文献:



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