在超薄柔性衬底上制备出高性能的CMOS电子器件,

随着消费电子的蓬勃发展,可穿戴电子设备的形态愈加多样化和人性化。超薄的柔性电子器件由于可与人体组织器官共形接触,提供更加友好的人机交互方式,受到学术界和产业界的广泛关注。这类器件的厚度一般只有微米量级,在加工过程中须黏附于刚性基板之上,但将器件从刚性基板上剥离,却易受到应力损伤。因此,高效且无损地实现柔性电子器件与刚性支撑基板之间的快速分离,是大面积制备高性能超薄柔性电子器件的关键工艺。

大数据和物联网方兴未艾,令人们无时无刻地与数字世界互动。柔性可穿戴电子器件的发展有望彻底革新人与数字世界的交互方式,真正实现人体与数字世界的无缝对接。然而,当前柔性基底上的电子器件仍面临着诸多重大挑战,例如器件性能难以突破,传统的硅基互补金属氧化物半导体工艺与柔性电子器件不兼容,器件与人体的交互不够友好,等等;特别是如何在可共形贴敷于皮肤的超薄柔性衬底上实现高性能的CMOS器件与系统集成,是推动下一代服务于个人运动、健康、医疗监控的新型可穿戴技术的关键所在。

近日,北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡研究员-彭练矛教授课题组在相关研究中取得重要进展。他们利用毛细力辅助的电化学分层工艺,实现了从硅片上无损、高效地剥离超薄的柔性器件,避免了柔性电子器件加工过程的应力损伤,并可保证超薄电子器件的制备具有100%的成功率。

近日,北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡研究员与彭练矛教授课题组针对超薄柔性电子器件的研究取得重要进展;他们利用碳纳米管网络薄膜作为沟道材料,在超薄柔性衬底上制备出高性能的CMOS电子器件,并成功地将传感集成系统应用于人体信息监测。

课题组利用高导电性的硅片作为支撑基板,在硅片表面制备出超薄的柔性聚合物衬底,于其上完成电路和功能元件的流片加工及必要封装。在剥离柔性器件的关键工艺中,引入电化学反应,使导电硅片边缘接触氯化钠电解质溶液,并在导电硅与电解质溶液之间施加电压;硅片的边缘在电压作用下发生阳极反应,导致硅片与柔性器件之间产生狭缝;狭缝引发毛细现象,吸引电解质溶液沿硅片表面攀升,最终使得柔性电子器件与硅片轻柔地分开。这种毛细力辅助的电化学分层工艺操作简单,剥离速度快,无需昂贵的激光器等设备;与此同时,还可以保证柔细电子器件表面干燥、清洁,避免腐蚀剂的沾污。更重要的是,这种分层工艺不引入应力损伤,具有100%的成功率,适用于Parylene、PMMA、PI和SEBS等多种柔性聚合物衬底的剥离。利用这一毛细力辅助的电化学分层工艺,课题组在超薄衬底上实现了高性能的碳纳米管晶体管阵列,以及信号放大电路、CMOS环形振荡电路等较复杂的柔性碳基集成电路,从而验证了这一工艺的广泛适用性。

课题组充分利用碳纳米管电子器件可低温加工的优势,用金属钯和钪作为电极接触,分别注入电子和空穴,在超薄柔性基底上构建CMOS器件和电路,克服了传统硅基技术中柔性基底与高温掺杂工艺不兼容的问题。在低温条件下制备的CMOS器件性能对称,柔性基底上的最大跨导达到5.45 μS/μm,为现有文献报道的最优结果,与相同材料在刚性基底上所得到的性能相当,克服了一直以来存在的柔性基底加工环境对器件性能的限制。他们还首次在超薄柔性基底上实现5 MHz的电路振荡频率,进入射频识别技术的高频工作范围——对于实现未来无线数据通信和能量传输来说,这是关键性的突破。器件加工采用与传统微电子工艺兼容的光刻工艺,从而保证了器件可规模制备。与此同时,还在该超薄衬底上实现了碳管电路与湿度传感器的集成,可原位对传感信息进行数据处理。整个传感系统的整体厚度仅为4 μm,可轻柔地贴敷在皮肤上,实现对皮肤出汗状况的监测。

这一研究使得超薄柔性电子器件的制备工艺摆脱应力损伤等困扰,降低了超薄柔性器件的加工难度,大大提升了超薄柔性电子器件的成品率,对实现超薄柔性电子器件的性能提升和规模集成具有重要的意义。2018年10月初,相关工作以《利用毛细力辅助的电化学分层工艺实现超薄柔性电子系统的晶圆级加工》为题,发表于材料学领域重要期刊《先进材料》;信息学院博士研究生张恒为第一作者,胡又凡研究员与彭练矛教授为通讯作者。

这一研究充分体现出碳管电子器件在柔性电子学领域的独特优势和巨大应用潜力,也揭示出基于碳管电子器件的柔性电子皮肤有望成为下一代可穿戴电子器件,实现人体与数字世界的无缝交互。2018年2月初,相关工作以《超薄塑料薄膜上的高性能碳纳米管互补电子器件和集成传感系统》为题,发表于材料学领域重要期刊《美国化学会?纳米》;信息学院博士研究生张恒为第一作者,胡又凡研究员与彭练矛教授为通讯作者。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。

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