近日，bwin必赢张敏课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials（Nature-index期刊，影响因子19.0）上发表题为“Ultra-Flexible Monolithic 3D Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Electronics”的文章，该研究实现了具有高密度、高柔性和高性能的单片3D结构CMOS柔性电子，并展示了其在柔性蓝光记录系统中的应用。

基于互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）的柔性电子可广泛应用于可穿戴电子、医疗保健和人机交互等领域。针对这些应用，柔性CMOS电路需要具备高密度、高柔性和高性能。在传统的平面结构中，n型和p型半导体制备工艺互相影响，存在兼容性问题；互连线较长，影响电路工作速度；2D电路其密度仍存在很大的优化空间。单片3D（monolithic 3D，M3D）结构通过垂直堆叠晶体管的方式提高了电路密度和集成度，但是层间互连的通孔及垂直连线不能承受过高的弯曲应力，阻碍了高柔性的实现。因此，柔性CMOS电路在上述三者之间的权衡依然未得到解决。

针对上述问题，该工作通过构建新型柔性M3D结构实现了高密度和高性能的超柔性CMOS电子。其中，n型晶体管垂直堆叠于p型晶体管的上方，共用一个栅电极和一个漏电极，构成CMOS电路的基本单元反相器。该结构可以省去层间通孔，减少互连线，有利于提高电路的机械性能和电学性能；n型和p型半导体位于不同层上，能够避免工艺兼容性问题。p型和n型晶体管分别以碳纳米管和非晶IGZO为沟道材料，两者的介电层均采用了具有本征柔性的混合聚酰亚胺-氧化铝介电层。

M3D CMOS柔性电子和M3D反相器结构

该工作实现了一系列柔性电路，包括反相器、与非门，或非门，D锁存器，静态随机存取存储单元和3级至55级的多种级数环形振荡器。其中，反相器具有高达191的增益以及500 μm半径下弯折6000次的超柔性，在柔性CMOS反相器中均达到了最高水平。55级环形振荡器集成了112个晶体管，500 μm半径下弯折50次后依然保持稳定的输出波形，这证明了电路的大规模集成能力和优异的柔性表现。与平面结构相比，M3D结构的环形振荡器可以节省45%的面积，极大地提升了电路集成度。本工作还计算了多种级数振荡器的级间延时，平均水平为870 ns，最低为530 ns，与目前的柔性M3D电路相比能够提升两个数量级。

电学性能和柔性表现

利用上述高柔性、高集成度的M3D电路以及碳纳米管晶体管的突触特性和非晶IGZO晶体管的光响应特性，该工作实现了柔性蓝光记录系统。轻薄、透明、高集成度的特点使其可以贴附于隐形眼镜上，用于原位采集人眼接收到的蓝光辐照。该工作为可穿戴电子在健康监测、智能机器人、人机界面等领域的柔性单片系统集成提供了方法。

可贴附于隐形眼镜上的柔性蓝光记录系统

bwin必赢张敏副教授为该论文通讯作者，bwin必赢硕士生王婉婷和香港科技大学博士生张娇娜为共同第一作者。新材料学院硕士生王佳良、博士生赵长斌；bwin必赢博士生朱家豪、硕士生朱添羽、任沁琦、刘奇、邱睿；新材料学院王新炜副教授、孟鸿教授；bwin必赢张冠张助理教授、张盛东教授，香港科技大学陈文新教授等人都为该工作做出了重要贡献。

上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会基础研究项目的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202305379

撰稿：王婉婷