復旦大學材料科學系梅永豐課題組研發柔性薄膜組裝集成晶片傳感器

2020-12-15 復旦大學

矽晶片是當代信息技術的核心，當前正向「深度摩爾」（More Moore）和「超越摩爾」（More than Moore）兩個方向發展。物聯網（IoT）應用是「超越摩爾」技術路線中相當重要的一環，需要數量巨大的集成電路晶片來分析處理來自外部傳感器件的海量信號。目前，大多數傳感信號採集器件和信號處理單元均為分離設計，將在整體上產生更大功耗並佔據更大的空間。由此，復旦大學材料科學系教授梅永豐課題組提出了將信號檢測和分析功能集成於同一個晶片器件中的全新概念。作為演示，研究團隊將單晶矽薄膜柔性光電電晶體與智能薄膜材料相結合和組裝，構造了對不同環境變量進行檢測和分析的柔性矽晶片傳感器及其系統。這一思路不僅具有優異的可擴展性，還可與當前集成電路先進位造工藝相兼容。

5月2日，相關研究結果以《面向智能數字灰塵的矽納米薄膜光電電晶體多功能集成傳感器研究》（「Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust」）為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究團隊從器件的傳感機理入手，利用柔性薄膜組裝集成晶片傳感器，實現了多種環境參數探測功能的集成。

圖1：(A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附於曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區的光學顯微照片；(D)用於溼度傳感的集成系統構造圖；(E) 氫氣通入前後參比器件與檢測器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流。

智能材料在環境刺激中可以發生折射率、顏色、晶體結構等方面的光學性質變化，但一般需要光譜設備或比色卡才能進行比對。而翻轉的矽薄膜光電電晶體由於沒有柵極金屬阻擋功能區域的光信號吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點，研究團隊將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區，智能材料內部物理性質變化引起了微小光學性能改變，從而表現在輸出的光電流上，因此可以在同一個晶片上實現對多種不同信號的同時檢測。

圖1A展示了傳感器件典型的功能層結構，頂層的智能薄膜材料對環境刺激發生響應，進而改變下方矽單晶薄膜光電電晶體的輸出信號。具有2微米厚的熱氧化二氧化矽層則作為光電電晶體的封裝，對下方器件進行保護。矽薄膜光電電晶體完全由晶圓級先進集成電路工藝方法製備而成，結合了傳統矽基光電子器件的高性能和矽納米薄膜超薄厚度下的優良柔性。圖1B是貼附於半徑僅為2毫米直徑玻璃管上的柔性器件陣列，表現出良好的彎曲性能。圖1C是單個器件功能區域的特寫，在藍色虛框部分集成不同智能材料即可實現對不同環境信號的檢測。圖1D是具有完備傳感與數據處理功能的柔性系統合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲單元、信號放大器和電源。研究團隊利用該系統實現了對環境中溼度的實時、快速檢測，演示的信號為依次減小的三個溼度脈衝。整個過程中直接對環境變化做出響應的信號，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時間的變化如圖1E中所示。當環境發生變化（如圖所示通入氫氣），傳感器件的輸出電流大幅增加，而參比電流保持平穩，再利用差分電路處理，即可給出所檢測的環境參數的值。

研究團隊開發了將智能材料與光電傳感結合的新穎傳感機制，並將傳感模塊與後續信號處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、溼度、溫度等多種環境參數檢測方面的能力，已經初步具備了未來的「智能數字灰塵」的雛形。該策略也可以應用於其他的數字傳感系統，在後摩爾時代中將具有巨大的應用潛力。

論文主要由李恭謹博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，並獲得韓國延世大學Taeyoon Lee教授和中科院微系統所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學和專用集成電路與系統國家重點實驗室等大力支持。

文章信息：

GJ Li#, Z Ma#, CY You#, GS Huang, EM Song, RB Pan, H Zhu, JQ Xin, BR Xu, T Lee, ZH An, ZF Di, YF Mei*, Silicon nanomembrane phototransistor flipped with multifunctional sensors towards smart digital dust, Science Advances, 2020, 6: eaaz6511.

文章連結：https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz6511 


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