关键词：
碳纳米管
柔性晶体管
柔性反相器
柔性高速环形振荡器
摘要：
柔性电子是高度交叉融合的科学技术,在柔性可穿戴设备、柔性仿生设备、柔性脑机接口以及柔性通讯设备等方面展现巨大的潜力,有望在万物互联、移动健康和智慧城市等未来场景得到应用,为传统产业转型提供支撑。各国已经先后制定了针对柔性电子领域战略布局,如美国“柔性显示中心计划”、日本“新一代移动显示材料科技研究协会计划”、欧盟“第七框架计划”、韩国“绿色IT国家战略”以及我国在电子信息制造业发展规划中将柔性电子列为未来自主创新领域的重要战略目标。目前国内外关于柔性电子的研究均处于起步阶段,受限于材料和工艺等因素的影响,柔性器件及电路相比于传统刚性电子整体性能落后,特别是无线射频通信等对电路速度需求较高的应用领域差距尤为明显。研究实现柔性高速小型化电路对进一步发展柔性电子具有非常重要的意义。
碳纳米管凭借其出色的电学特性和超薄的物理结构是下一代柔性电子器件理想沟道材料的候选者之一,同时超强的机械性以及兼容传统CMOS集成电路工艺、低的制备成本更是符合柔性电子的研发理念。本论文基于碳纳米管新型材料对柔性高速电路展开深入研究。首先探究了碳纳米管在构建深度亚微米超小型晶体管中的潜力,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底上实现了特征尺寸为30 nm的柔性晶体管。然后,通过三维空间scaling down研究,在聚酰亚胺薄膜(PI)衬底上实现了深度亚微米“空气栅”柔性晶体管和亚微米柔性反相器。最后,基于以上研究构建了亚微米柔性5级环形振荡器,实现了振荡频率为775 MHz的高速电路,单极门延时低至129 ps,为高速柔性电路的发展以及多场景应用奠定基础。
论文主要研究工作和创新点如下:
1.制备了深度亚微米柔性自对准碳纳米管场效应晶体管
针对当前柔性晶体管特征尺寸大(微米级),器件开态性能低,不利于高速电路集成的问题,本论文深入探究了碳纳米管在构建深度亚微米柔性超小型晶体管中的潜力,并实现了特征尺寸为30 nm的柔性晶体管。通过优化柔性器件制备工艺提升了器件开态性能和良率,随着柔性自对准晶体管的沟道长度(Lch)由150 nm缩减至30 nm,其归一化开态电流(Ion/Wch)和跨导(gm/Wch)分别提高了 2.3倍和3.3倍,良率高达60%,展现了碳纳米管在构建超小型柔性器件方面的巨大潜力。沟道长度为30 nm,pitch size为230 nm的器件,在低偏置电压Vds=-0.8 V时,其Ion/Wch和gm/Wch分别高达103 μA/μm和66μS/μm,实现了特征尺寸小、高开态的柔性晶体管。
2.制备了深度亚微米“空气栅”柔性碳纳米管场效应晶体管
针对PET衬底自对准结构器件寄生电容和寄生电阻严重影响柔性电路工作速度的问题,本论文基于PI柔性衬底探究了“空气栅”碳纳米管晶体管三维空间的scaling规律,实现了深度亚微米“空气栅”柔性晶体管。实验结果表明,随着三维空间的scaling down(Lch=600-100 nm,tox=10-6 nm),“空气栅”柔性晶体管的 Ion/Wch 和gm/Wch分别提高4.6倍和3.8倍。沟道长度为100 nm,栅氧化层厚度为6 nm的柔性器件在低偏置电压(Vds=-1 V)时,Ion/Wch和gm/Wch分别高达161 μA/μm,121 μS/μm,开关比稳定在2×104,单根碳管电流高达 3.4 μA/tube。
3.实现了高均一性、高噪声容限亚微米柔性碳纳米管反相器
均一性和噪声容限是影响电路工作速度和稳定性的主要因素。针对当前柔性反相器特征尺寸大、噪声容限低和均一性差的问题,本论文通过优化转换阈值电压,结合稳定的“零栅压”负载结构研发了高均一性、高噪声容限PMOS柔性反相器。实验结果显示,1 μm柔性碳纳米管反相器在工作电压Vdd=2 V时,输出高、低电平分别为1.9±0.05 V 和 0.05±0.03 V,转换阈值电压为 1.2±0.5 V,均靠近 Vdd/2,噪声容限保持在80±5%Vdd范围内。同时,沟道长度为400 nm的柔性反相器噪声容限仍保持在72%Vdd,为构建大规模高速柔性电路奠定基础,也为柔性可穿戴设备的电压安全提供保证。
4.构建了高速亚微米柔性碳纳米管环形振荡器
为开发柔性电路在无线射频通信和高吞吐量信息交互中的应用,本论文以亚微米“空气栅”柔性碳纳米管晶体管和反相器为基础,采用“紧凑型”结构,研发了高速亚微米柔性5级环形振荡器。柔性环形振荡器scaling down(5 μm-500 nm)的实验结果显示,振荡频率由850 KHz提升至490 MHz,单极门延时由0.12 μs降低至204 ps,频率灵敏度由250 KHz/V提升至99 MHz/V,表现出优异的scaling规律。同时,沟道长度为400 nm的高速柔性5级环形振荡器,振荡频
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