张敏课题组在3D结构CMOS柔性电子中取得重要进展

近日，信息工程学院张敏课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials（Nature-index期刊，影响因子19.0）上发表题为“Ultra-Flexible Monolithic 3D Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Electronics”的文章，该研究实现了具有高密度、高柔性和高性能的单片3D结构CMOS柔性电子，并展示了其在柔性蓝光记录系统中的应用。

基于互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）的柔性电子可广泛应用于可穿戴电子、医疗保健和人机交互等领域。针对这些应用，柔性CMOS电路需要具备高密度、高柔性和高性能。在传统的平面结构中，n型和p型半导体制备工艺互相影响，存在兼容性问题；互连线较长，影响电路工作速度；2D电路其密度仍存在很大的优化空间。单片3D（monolithic 3D，M3D）结构通过垂直堆叠晶体管的方式提高了电路密度和集成度，但是层间互连的通孔及垂直连线不能承受过高的弯曲应力，阻碍了高柔性的实现。因此，柔性CMOS电路在上述三者之间的权衡依然未得到解决。

针对上述问题，该工作通过构建新型柔性M3D结构实现了高密度和高性能的超柔性CMOS电子。其中，n型晶体管垂直堆叠于p型晶体管的上方，共用一个栅电极和一个漏电极，构成CMOS电路的基本单元反相器。该结构可以省去层间通孔，减少互连线，有利于提高电路的机械性能和电学性能；n型和p型半导体位于不同层上，能够避免工艺兼容性问题。p型和n型晶体管分别以碳纳米管和非晶IGZO为沟道材料，两者的介电层均采用了具有本征柔性的混合聚酰亚胺-氧化铝介电层。

                                                                                                        M3D CMOS柔性电子和M3D反相器结构

该工作实现了一系列柔性电路，包括反相器、与非门，或非门，D锁存器，静态随机存取存储单元和3级至55级的多种级数环形振荡器。其中，反相器具有高达191的增益以及500 μm半径下弯折6000次的超柔性，在柔性CMOS反相器中均达到了最高水平。55级环形振荡器集成了112个晶体管，500 μm半径下弯折50次后依然保持稳定的输出波形，这证明了电路的大规模集成能力和优异的柔性表现。与平面结构相比，M3D结构的环形振荡器可以节省45%的面积，极大地提升了电路集成度。本工作还计算了多种级数振荡器的级间延时，平均水平为870 ns，最低为530 ns，与目前的柔性M3D电路相比能够提升两个数量级。

电学性能和柔性表现

利用上述高柔性、高集成度的M3D电路以及碳纳米管晶体管的突触特性和非晶IGZO晶体管的光响应特性，该工作实现了柔性蓝光记录系统。轻薄、透明、高集成度的特点使其可以贴附于隐形眼镜上，用于原位采集人眼接收到的蓝光辐照。该工作为可穿戴电子在健康监测、智能机器人、人机界面等领域的柔性单片系统集成提供了方法。

可贴附于隐形眼镜上的柔性蓝光记录系统

信息工程学院张敏副教授为该论文通讯作者，信息工程学院硕士生王婉婷和香港科技大学博士生张娇娜为共同第一作者。新材料学院硕士生王佳良、博士生赵长斌；信息工程学院博士生朱家豪、硕士生朱添羽、任沁琦、刘奇、邱睿；新材料学院王新炜副教授、孟鸿教授；信息工程学院张冠张助理教授、张盛东教授，香港科技大学陈文新教授等人都为该工作做出了重要贡献。

上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会基础研究项目的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202305379

备注：本文转载北京大学深圳研究生院官网