发布日期 2018-04-23【教师】

信息学院胡又凡研究员课题组在可生物集成的集成电路研究中取得重要进展

        近年来,能够应用于先进生物、医疗系统的电子元器件和集成电路受到多个领域的广泛关注,而如何做到在生物体与数字世界之间友好交互是一个极为重要的课题。通常来说,集成电路和电子元器件需要制作在生物可降解材料或者柔性材料上,以达成电路与生物体的共形接触,真正实现生物体与数字世界的完美连接。与此同时,对便携性应用的需求日益增加,各类器件均需要具有非常低的功耗,以完成在有限能量下长时间工作。然而,当前在柔性或可生物降解基底上的电子元器件和集成电路尚不足以同时实现低功耗和具有一定复杂度的功能性。实现可转移至生物表面的集成电路于是就成为推动下一代先进医疗数据监控、疾病监测和分析的关键。

        近日,北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡研究员课题组在可生物集成的集成电路研究中取得重要进展,利用碳纳米管网络薄膜作为沟道材料,通过转移加工技术,实现了晶圆规模的、可转移至生物表面的,兼具高均一性和低功耗的电子元器件和集成电路。

        课题组充分利用碳纳米管可进行低温工艺的优势,在生物可降解柔性基底上构建了基本电子元器件和集成电路,采用转移工艺转移到任意表面(如手腕皮肤、生物降解材料、树叶等),并且实现了器件和电路在一片弯曲树叶上正常工作。一方面,制备得到的薄膜晶体管具有超低功耗,关态电流低至0.1 pA/μm,远远低于国际半导体技术发展路线图(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS) 针对低功耗电路所要求的 10 pA/μm。另一方面,制备得到的器件具有62 mV/dec的亚阈值摆幅,接近室温条件下晶体管亚阈值摆幅的理论极限。这就超越了绝大多数在柔性衬底,甚至是刚性基底上以碳管薄膜为沟道材料的结果,从而达到超低功耗的需求。并且,制备得到的器件具有超高的均一性,晶体管的阈值方差仅为80 mV。课题组以高均一性的碳纳米管晶体管为基础,制备出能够实现轨对轨输出的基本逻辑门(反相器、与非门、或非门、与门、异或门)、基本运算单元(一位全加器)以及环形振荡器、存储单元(ROM)。这一系列成果充分展示了碳纳米管在高均一性、低功耗生物可集成电路中的巨大优势和应用前景,有望实现下一代的生物电子集成系统,并对生物监测、疾病诊断分析等领域应用产生巨大推动作用。

 可转移到生物表面的集成电路(从左到右依次转移到手腕、生物降解材料、树叶)

        在“青年海外高层次人才引进计划”(即“青年千人计划”)、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京大学建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项等支持下,2018年4月18日,上述工作以题为《低功耗可转移至生物表面的碳纳米管集成电路》(Low-power carbon nanotube-based integrated circuits that can be transferred to biological surfaces)的论文,在线发表于《自然·电子学》(Nature Electronics, 1, 237, 2018, DOI: 10.1038/s41928-018-0056-6);信息学院博士研究生向立为第一作者,胡又凡研究员为通讯作者。

编辑:山石

原文地址:http://news.pku.edu.cn/xwzh/2018-04/20/content_302118.htm

北京大学电子学系物理电子学研究所