中规模二维柔性集成电路 | 进展

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柔性电子技术是一项跨学科融合的颠覆性科学技术，突破了传统硅基电子器件的固有局限，为后摩尔时代的器件设计与集成、能源革命、医疗技术变革、人机交互等领域提供了创新驱动，将强有力地支撑未来智慧生活的实现。特别是多功能柔性集成电路的发展，为人与物体及环境之间的信息处理、交互以及深度融合奠定了坚实基础，加速了万物互联（IoE）时代的到来。然而，现阶段基于有机半导体、氧化铟镓锌、碳纳米管以及非晶硅/多晶硅等材料的柔性电子器件，在迁移率、界面质量、制造产率以及大面积器件的均匀性和可重复性等方面仍面临诸多技术瓶颈，限制了其实用化进程。

在此背景下，二维半导体材料凭借其卓越的电学性能、优异的机械柔性以及良好的生物兼容性，为柔性集成电路的研发提供了全新思路。目前，基于二维半导体的柔性集成电路主要实现了基本逻辑门和环形振荡器，其最大集成规模仅为24个薄膜晶体管，这使其仅能支持简单运算，在电路规模和功能性方面与实际应用需求仍存在显著差距。为进一步挖掘柔性二维集成电路的潜能，亟需显著提升器件的集成规模，并在单芯片上实现组合逻辑与时序逻辑电路的多功能数字电子系统集成，从而使数百至数千个晶体管协同工作成为可能。

近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组和松山湖材料实验室二维材料团队联合在柔性二维电子器件研究方面取得了一系列重要进展。基于二维半导体材料的柔性电子器件不仅展现出高性能与低功耗的优势，还在柔性显示驱动和人工视网膜等领域显示出广阔的应用潜力[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，博士研究生彭雅琳和崔晨阳在中国科学院物理研究所张广宇研究员、杜罗军特聘研究员、松山湖材料实验室李娜特聘研究员的指导下，通过协同优化器件加工工艺，基于二硫化钼薄膜首次在国际上成功实现了中规模的二维柔性集成电路的制备。利用阻抗调制技术，分别实现了增强型与耗尽型晶体管，设计开发了具有稳定轨到轨操作和优异噪声容限的NMOS反相器。在此基础上，构建了组合逻辑与时序逻辑共存的数字电路系统，包括半加器、锁存器、触发器以及由112个晶体管组成的中规模时钟分频器，为柔性数字集成电路的实际应用奠定了坚实的基础。

上述研究成果以“Medium-scale Flexible Integrated Circuits Based on 2D Semiconductors”为题发表在Nature Communications 15, 10833 (2024)。本工作由中国科学院物理研究所N07课题组和松山湖材料实验室二维材料团队联合完成。彭雅琳博士（已毕业）和崔晨阳博士为该论文的共同第一作者，中国科学院物理研究所张广宇研究员、杜罗军特聘研究员、松山湖材料实验室李娜特聘研究员为该论文的通讯作者。该研究受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委及广东省基础与应用基础研究重大项目等科研项目的资助支持。