柔性電子技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科融合的顛覆性科學(xué)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)硅基電子器件的固有局限，為后摩爾時(shí)代的器件設(shè)計(jì)與集成、能源革命、醫(yī)療技術(shù)變革、人機(jī)交互等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新驅(qū)動，將強(qiáng)有力地支撐未來智慧生活的實(shí)現(xiàn)。特別是多功能柔性集成電路的發(fā)展，為人與物體及環(huán)境之間的信息處理、交互以及深度融合奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加速了萬物互聯(lián)（IoE）時(shí)代的到來。然而，現(xiàn)階段基于有機(jī)半導(dǎo)體、氧化銦鎵鋅、碳納米管以及非晶硅/多晶硅等材料的柔性電子器件，在遷移率、界面質(zhì)量、制造產(chǎn)率以及大面積器件的均勻性和可重復(fù)性等方面仍面臨諸多技術(shù)瓶頸，限制了其實(shí)用化進(jìn)程。 

在此背景下，二維半導(dǎo)體材料憑借其卓越的電學(xué)性能、優(yōu)異的機(jī)械柔性以及良好的生物兼容性，為柔性集成電路的研發(fā)提供了全新思路。目前，基于二維半導(dǎo)體的柔性集成電路主要實(shí)現(xiàn)了基本邏輯門和環(huán)形振蕩器，其最大集成規(guī)模僅為24個(gè)薄膜晶體管，這使其僅能支持簡單運(yùn)算，在電路規(guī)模和功能性方面與實(shí)際應(yīng)用需求仍存在顯著差距。為進(jìn)一步挖掘柔性二維集成電路的潛能，亟需顯著提升器件的集成規(guī)模，并在單芯片上實(shí)現(xiàn)組合邏輯與時(shí)序邏輯電路的多功能數(shù)字電子系統(tǒng)集成，從而使數(shù)百至數(shù)千個(gè)晶體管協(xié)同工作成為可能。 

近年來，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室二維材料團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院物理研究所N07課題組聯(lián)合在柔性二維電子器件研究方面取得了一系列重要進(jìn)展。基于二維半導(dǎo)體材料的柔性電子器件不僅展現(xiàn)出高性能與低功耗的優(yōu)勢，還在柔性顯示驅(qū)動和人工視網(wǎng)膜等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用潛力[Nat. Electron. 3, 711 (2020); Nat. Commun. 14, 3633 (2023); Nano Lett. 23, 9333–9339 (2023); Nano Lett. 17, 991–999 (2023)]。在最新研究中，二維材料團(tuán)隊(duì)與N07課題組聯(lián)合培養(yǎng)的彭雅琳博士和崔晨陽博士等人通過協(xié)同優(yōu)化器件加工工藝，基于二硫化鉬薄膜首次在國際上成功實(shí)現(xiàn)了柔性中規(guī)模集成電路的制備。利用阻抗調(diào)制技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型與耗盡型晶體管，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有穩(wěn)定軌到軌操作和優(yōu)異噪聲容限的NMOS反相器。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了組合邏輯與時(shí)序邏輯共存的數(shù)字電路系統(tǒng)，包括半加器、鎖存器、觸發(fā)器以及由112個(gè)晶體管組成的中規(guī)模時(shí)鐘分頻器，為柔性數(shù)字集成電路的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 

上述研究成果以“Medium-scale Flexible Integrated Circuits based on 2D Semiconductors”為題發(fā)表在Nature Communications 15, 10833 (2024)。本工作由中國科學(xué)院物理研究所N07課題組和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室二維材料團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成。彭雅琳博士（已畢業(yè)）和崔晨陽博士為該論文的共同第一作者，杜羅軍特聘研究員（中國科學(xué)院物理研究所）、李娜特聘研究員（松山湖材料實(shí)驗(yàn)室）和張廣宇研究員（中國科學(xué)院物理研究所、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室）為該論文的通訊作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等科研項(xiàng)目的資助支持。

圖1. 協(xié)同優(yōu)化二硫化鉬柔性中規(guī)模集成電路展示 

圖2. 器件柔性性能表征 

圖3. 阻抗調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌對軌反相器及各種邏輯器件 

圖4. 由112個(gè)柔性晶體管協(xié)同工作的時(shí)鐘分頻器 

論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55142-9 

（來源：松山湖材料實(shí)驗(yàn)室）