北京大学电子学院胡又凡-彭练矛联合课题组在高速柔性电路研究中取得重要进展
2024/04/15
799近年来，柔性的表皮电子系统在个性化医疗、智能诊断和健康监测等领域展现出重要的应用价值和广阔前景。柔性系统需要高速的柔性电路来实现实时信息分析或为新型应用构建无线通信模块，因此高速柔性集成电路的研究受到广泛关注。目前，受限于现有柔性电子器件的性能，实现高性能、高速度的柔性集成电路仍然存在严峻挑战。
近日，北京大学电子学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡副教授-彭练矛教授联合课题组以碳纳米管网络薄膜作为半导体材料，充分利用碳纳米管材料迁移率高、机械性能好等优势，通过尺寸缩减实现了高性能柔性晶体管。所构建的亚微米级别沟道长度的柔性碳纳米管晶体管能够实现187μAμm-1的高开态电流和123.3μSμm-1的大跨导，可满足构建高性能柔性集成电路的性能要求。该器件在承受上百次弯折后，性能没有发生明显变化，显示出优异的柔性，满足在生物体表环境应用的要求。该工作显示，器件在尺寸缩减过程中的接触电阻（每根碳管约180kΩ）保持不变，且与硬质衬底上的器件接触电阻值相当，因此表明极限缩减的柔性碳管晶体管可具有与硬质衬底上的器件相媲美的性能。
图1.a) 柔性器件与电路加工流程示意图；b) 柔性器件与电路被放置在隐形眼镜表面；c) 器件的弯折测试中器件转移特性图
课题组在超薄的柔性基底上构建了环形振荡器，用于表征尺寸缩减后柔性器件的速度。所构造的环形振荡器在2.6V的工作电压下，最高实现了356MHz的工作频率，等效于281ps的单级门延时。该工作首次实现了基于柔性器件的亚纳秒门延时的高速柔性集成电路，充分展示了柔性碳纳米管晶体管在高速、低功耗的柔性电路领域的应用潜力。
图2.a) 亚纳秒延时的环形振荡器输出频谱图；b) 基于各种材料体系的柔性环形振荡器对比
在国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持下，上述工作以题为《基于碳纳米管的亚纳秒门延时柔性高速电路》（Carbon nanotube-based flexible high-speedcircuits with sub-nanosecond stage delays）的论文，于11月8日发表于《自然通讯》（Nature Communications, 13, 6734）；北京大学电子学院博士生龙冠桦和硕士生金万琳为共同第一作者，胡又凡和彭练矛为共同通讯作者。这一系列成果充分展示了碳纳米管材料在柔性集成电路中的巨大优势和应用前景，有望用于构建下一代个性化诊疗和健康监测平台，并对未来的先进医疗诊断系统产生重要的推动作用。
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