Device modelling for bendable piezoelectric FET-based touch sensing system

Flexible electronics is rapidly evolving towards devices and circuits to enable numerous new applications. The high-performance, in terms of response speed, uniformity and reliability, remains a sticking point. The potential solutions for high-performance related challenges bring us back to the timetested silicon based electronics. However, the changes in the response of silicon based devices due to bending related stresses is a concern, especially because there are no suitable models to predict this behavior. This also makes the circuit design a difficult task. This paper reports advances in this direction, through our research on bendable Piezoelectric Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (POSFET) based touch sensors. The analytical model of POSFET, complimented with Verilog-A model, is presented to describe the device behavior under normal force in planar and stressed conditions. Further, dynamic readout circuit compensation of POSFET devices have been analyzed and compared with similar arrangement to reduce the piezoresistive effect under tensile and compressive stresses. This approach introduces a first step towards the systematic modeling of stress induced changes in device response. This systematic study will help realize high-performance bendable microsystems with integrated sensors and readout circuitry on ultra-thin chips (UTCs) needed in various applications, in particular, the electronic skin (e-skin)

Modeling of CMOS devices and circuits on flexible ultrathin chips

The field of flexible electronics is rapidly evolving. The ultrathin chips are being used to address the high-performance requirements of many applications. However, simulation and prediction of changes in response of device/circuit due to bending induced stress remains a challenge as of lack of suitable compact models. This makes circuit designing for bendable electronics a difficult task. This paper presents advances in this direction, through compressive and tensile stress studies on transistors and simple circuits such as inverters with different channel lengths and orientations of transistors on ultrathin chips. Different designs of devices and circuits in a standard CMOS 0.18-μm technology were fabricated in two separated chips. The two fabricated chips were thinned down to 20 μm using standard dicing-before-grinding technique steps followed by post-CMOS processing to obtain sufficient bendability (20-mm bending radius, or 0.05% nominal strain). Electrical characterization was performed by packaging the thinned chip on a flexible substrate. Experimental results show change of carrier mobilities in respective transistors, and switching threshold voltage of the inverters during different bending conditions (maximum percentage change of 2% for compressive and 4% for tensile stress). To simulate these changes, a compact model, which is a combination of mathematical equations and extracted parameters from BSIM4, has been developed in Verilog-A and compiled into Cadence Virtuoso environment. The proposed model predicts the mobility variations and threshold voltage in compressive and tensile bending stress conditions and orientations, and shows an agreement with the experimental measurements (1% for compressive and 0.6% for tensile stress mismatch)

Circuit Design and Compact Modeling in Printed Electronics Based on Inorganic Materials

Die gedruckte Elektronik ist ein im Vergleich zur konventionellen Siliziumtechnologie junges Forschungsgebiet. Die Idee hinter der gedruckten Elektronik ist es elektronische Bauteile wie Widerstände, Kapazitäten, Solarzellen, Dioden und Transistoren mit gängigen Druckmethoden herzustellen. Dabei ist es möglich die elektronischen Bauteile auf unbiegsamen Substrate, wie Glas oder Silizium, als auch auf biegsamen Substrate, wie Papier und Folie, zu drucken. Aufgrund des Druckprozesses, sind die Herstellungskosten gering, da drucken ein additiver Prozess ist und somit teure Masken obsolet sind. In einem Feldeffekttransistor, wird der Halbleiter zwischen zwei Elektroden (Drain- und Source) gedruckt. Die Drain- und Source-Elektroden werden dabei durch einen Vakuum- oder Druckprozess abgeschieden und strukturiert. Der halbleitende Kanal wird durch einen Dielektrikum von der Gate-Elektrode isoliert. Auch für das Dielektrikum und die Gate-Elektrode sind ein Vakuum- oder Druckprozess denkbar. Standardmäßig finden organische Materialien Einsatz in der gedruckten Elektronik. Leider weisen organische Halbleiter, in einem Feldeffekttransistor, nur eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit ($\leq 1$ cm$^2$(Vs)$^{-1}$) auf. Die niedrige Ladungsträgerbeweglichkeit führt zu einer geringen Ladungsträgerdichte im Halbleiter und als Resultat zu geringen Stromdichten. Auch sind größtenteils nur p-leitende Halbleiter für den Einsatz in Schaltungen vorhanden, weswegen die meisten Schaltungen nur p-leitende Feldeffekttransistoren besitzen. Ein weiterer Nachteil der organischen Elektronik ist, dass die eingesetzten Dielektrika mit dem Halbleiter eine mangelhafte Grenzfläche bildet. Deshalb sind Versorgungsspannungen in Bereich von 5 V keine Seltenheit. Eine interessante Alternative zu organischen Halbleitern sind Materialien die der Kategorie der Oxide zugeordnet sind. Zum Beispiel in Indiumoxid (In$_{2}$O$_{3}$) ist eine Ladungsträerbeweglichkeit um die 100 cm$^2$(Vs)$^{-1}$ messbar. Leider sind durch Oxide realisierte p-leitende Feldeffekttransistoren sehr selten, weshalb die meisten Schaltungen auf n-leitenden Feldeffekttransistoren basieren. Ein weiterer Nachteil von Metalloxidhalbleitern is das hohe Glühtemperaturen (\sim 400 \, ^\circC) benötigt werden um die richtige Kristallstruktur zu erzielen. Durch den Einsatz eines Elektrolyten, anstatt eines Dielektrikum, werden die benötigten hohen Versorgungsspannungen auf 1 V reduziert. Der Grund für die Reduzierung der Versorgungsspannung liegt in der hohen Kapazität ($\sim 5 \, \mu$F(cm)$^{-1}$), die sich zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal ausbildet. Die optimale Grenzfläche zwischen der Gate-Elektrode und dem Elektrolyten sowie als auch zwischen dem Elektrolyten und dem Kanal, wo sich eine Helmholtz-Doppelschicht ausbildet, ist der Grund für die hohe Kapazität. In dieser Arbeit, werden die Vorteile der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, resultierend von einem Indiumoxid-Kanal, und der niedrigen Versorgungsspannungen, durch den Einsatz eines Elektrolyten als Isolator, in einem gedruckten Transistor kombiniert. Daher ist das Ziel zunächst Transistoren basierend auf einem Elektrolyten und Indiumoxid-Kanal zu charakterisieren und zu modellieren. Auch werden Möglichkeiten zum Schaltungsentwurf mit der hier vorgestellten Transistortechnologie ausgearbeitet. Der Schaltungsentwurf wird anhand mikroelektronischen Zellen und Ringoszillator-Strukturen verifiziert. Wichtig für den Schaltungsentwurf sind Modelle die fähig sind die elektrischen Eigenschaften eines Transistors abzubilden. Dabei muss die simulierte Kurve Stetigkeit und Kontinuität aufweisen um Konvergenzprobleme während der Simulation zu verhindern. Zur Modellierung der elektrischen Eigenschaften und Ströme der Transistoren wird ein Modell basierend auf den Curtice-Modell entwickelt. Der Bereich über der Schwellwertspannung wird daher durch das Curtice-Modell abgebildet und der Bereich unter der Schwellspannung durch ein aus Siliziumtransistoren bekanntes Standard-Modell beschrieben. Kontinuität und Stetigkeit wird durch eine Interpolation zwischen den beiden Transistormodellen gewährleistet. Ein Verglich zwischen gemessenen und simulierten Daten zeigt das das Modell die hier vorgestellte Transistortechnologie sehr gut abbilden kann. Das entwickelte Transistormodel wird zur unterstützung des Schaltungsentwurf in einem Prozesskit (PDK) integriert. Dadurch ist das Verhalten einer Schaltung durch Simulation vorhersehbar. In der Simulation können auch der Einfluss der Umwelt, z.B. Luftfeuchtigkeit, auf die Transistoren analysiert werden. In der digitalen Schaltungstechnik wird ein p-leitender Feldeffekttransistor verwendet um ein Eingangssignal hochzusetzen, während um ein Signal runterzusetzen, ein n-leitender Feldeffekttransistor von Vorteil ist. Da p-leitende Oxide selten und unzuverlässig sind, wird der p-leitende Feldeffekttransistor durch einen Widerstand (Transistor-Widerstand-Logik (TRL)) oder einen n-leitenden Feldeffekttransistor (Transistor-Transistor-Logik (TTL)) ersetzt. Ein Inverter in TRL weist bei einer Versorgungsspannung von 1 V einen Verstärkungsfaktor von ungefähr -5 auf und eine Signalverzögerung von 0.9 ms. Die Oszillatorfrequenz im entsprechend Ringoszillator beträgt 296 Hz. Weitere Logikgatter (NAND, NOR und XOR) sind ebenfalls realisierbar mit TRL-Entwürfe. In TTL wird der p-leitende Feldeffekttransistor durch einen n-leitenden Verarmungstyps Feldeffekttransistor ersetzt. Die in der TTL entworfene Logikgatter verhalten sich identisch zu den TTR-Zellen aber die Frequenz vom Ringoszillator steigt bis in den unteren kHz-Bereich an. In TTL ist es ebenfalls möglich die Verlustleistung um einen Faktor von 6 zu reduzieren

Device Modelling of Silicon Based High-Performance Flexible Electronics

The area of flexible electronics is rapidly expanding and evolving. With applications requiring high speed and performance, ultra-thin silicon-based electronics has shown its prominence. However, the change in device response upon bending is a major concern. In absence of suitable analytical and design tool friendly model, the behavior under bent condition is hard to predict. This poses challenges to circuit designer working in the bendable electronics field, in laying out a design that can give a precise response in a stressed condition. This paper presents advances in this direction and investigates the effect of compressive and tensile stress on the performance of NMOS and PMOS transistor and a touch sensor comprising a transistor and piezoelectric capacitor

Flexible Ultralow-Power Sensor Interfaces for E-Skin

Thin-film electronics has hugely benefitted from low-cost processes, large-area processability, and multi-functionality. This has not only stimulated innovation in display and sensor technology, but has also demonstrated great potential for integration of components for human-machine interfaces. For electronics to be deployed as sensor interfaces and signal processing, the quest for low power is compelling due to the inherently limited battery lifetime. This review will present the state-of-the-art in thin film electronics and demonstrate examples of low-cost printable transistors and biosensors that are flexible/stretchable for wearable and other applications. Ultralow power design for thin-film transistors will be discussed from the standpoint of reducing both operating voltage and operating current, taking into account the challenges in meeting frequency requirements. Compact models for circuit design will be reviewed along with new insights into ultralow power transistors and high gain amplifier circuits. Finally, a concept for an integrated system comprising sensors and interfacing circuits will be demonstrated, which has the potential to enable battery-less operation.EPSRC under Project EP/M013650/1 EU under Projects DOMINO 645760, 1D-NEON 685758 and BET-EU 692373 IEEE Electron Devices Society PhD Student Fellowship China Scholarship Counci

Security Aspects of Printed Electronics Applications

Gedruckte Elektronik (Printed Electronics (PE)) ist eine neu aufkommende Technologie welche komplementär zu konventioneller Elektronik eingesetzt wird. Dessen einzigartigen Merkmale führten zu einen starken Anstieg von Marktanteilen, welche 2010 \$6 Milliarden betrugen, \$41 Milliarden in 2019 und in 2027 geschätzt \$153 Milliarden. Gedruckte Elektronik kombiniert additive Technologien mit funktionalen Tinten um elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien direkt am Verwendungsort, kosteneffizient und umweltfreundlich herzustellen. Die dabei verwendeten Substrate können flexibel, leicht, transparent, großflächig oder implantierbar sein. Dadurch können mit gedruckter Elektronik (noch) visionäre Anwendungen wie Smart-Packaging, elektronische Einmalprodukte, Smart Labels oder digitale Haut realisiert werden. Um den Fortschritt von gedruckten Elektronik-Technologien voranzutreiben, basierten die meisten Optimierungen hauptsächlich auf der Erhöhung von Produktionsausbeute, Reliabilität und Performance. Jedoch wurde auch die Bedeutung von Sicherheitsaspekten von Hardware-Plattformen in den letzten Jahren immer mehr in den Vordergrund gerückt. Da realisierte Anwendungen in gedruckter Elektronik vitale Funktionalitäten bereitstellen können, die sensible Nutzerdaten beinhalten, wie zum Beispiel in implantierten Geräten und intelligenten Pflastern zur Gesundheitsüberwachung, führen Sicherheitsmängel und fehlendes Produktvertrauen in der Herstellungskette zu teils ernsten und schwerwiegenden Problemen. Des Weiteren, wegen den charakteristischen Merkmalen von gedruckter Elektronik, wie zum Beispiel additive Herstellungsverfahren, hohe Strukturgröße, wenige Schichten und begrenzten Produktionsschritten, ist gedruckte Hardware schon per se anfällig für hardware-basierte Attacken wie Reverse-Engineering, Produktfälschung und Hardware-Trojanern. Darüber hinaus ist die Adoption von Gegenmaßnahmen aus konventionellen Technologien unpassend und ineffizient, da solche zu extremen Mehraufwänden in der kostengünstigen Fertigung von gedruckter Elektronik führen würden. Aus diesem Grund liefert diese Arbeit eine Technologie-spezifische Bewertung von Bedrohungen auf der Hardware-Ebene und dessen Gegenmaßnahmen in der Form von Ressourcen-beschränkten Hardware-Primitiven, um die Produktionskette und Funktionalitäten von gedruckter Elektronik-Anwendungen zu schützen. Der erste Beitrag dieser Dissertation ist ein vorgeschlagener Ansatz um gedruckte Physical Unclonable Functions (pPUF) zu entwerfen, welche Sicherheitsschlüssel bereitstellen um mehrere sicherheitsrelevante Gegenmaßnahmen wie Authentifizierung und Fingerabdrücke zu ermöglichen. Zusätzlich optimieren wir die multi-bit pPUF-Designs um den Flächenbedarf eines 16-bit-Schlüssels-Generators um 31\% zu verringern. Außerdem entwickeln wir ein Analyse-Framework basierend auf Monte Carlo-Simulationen für pPUFs, mit welchem wir Simulationen und Herstellungs-basierte Analysen durchführen können. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die pPUFs die notwendigen Eigenschaften besitzen um erfolgreich als Sicherheitsanwendung eingesetzt zu werden, wie Einzigartigkeit der Signatur und ausreichende Robustheit. Der Betrieb der gedruckten pPUFs war möglich bis zu sehr geringen Betriebsspannungen von nur 0.5 V. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit stellen wir einen kompakten Entwurf eines gedruckten physikalischen Zufallsgenerator vor (True Random Number Generator (pTRNG)), welcher unvorhersehbare Schlüssel für kryptographische Funktionen und zufälligen "Authentication Challenges" generieren kann. Der pTRNG Entwurf verbessert Prozess-Variationen unter Verwendung von einer Anpassungsmethode von gedruckten Widerständen, ermöglicht durch die individuelle Konfigurierbarkeit von gedruckten Schaltungen, um die generierten Bits nur von Zufallsrauschen abhängig zu machen, und damit ein echtes Zufallsverhalten zu erhalten. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass die gesamten Prozessvariationen des TRNGs um das 110-fache verbessert werden, und der zufallsgenerierte Bitstream der TRNGs die "National Institute of Standards and Technology Statistical Test Suit"-Tests bestanden hat. Auch hier können wir nachweisen, dass die Betriebsspannungen der TRNGs von mehreren Volt zu nur 0.5 V lagen, wie unsere Charakterisierungsergebnisse der hergestellten TRNGs aufgezeigt haben. Der dritte Beitrag dieser Dissertation ist die Beschreibung der einzigartigen Merkmale von Schaltungsentwurf und Herstellung von gedruckter Elektronik, welche sehr verschieden zu konventionellen Technologien ist, und dadurch eine neuartige Reverse-Engineering (RE)-Methode notwendig macht. Hierfür stellen wir eine robuste RE-Methode vor, welche auf Supervised-Learning-Algorithmen für gedruckte Schaltungen basiert, um die Vulnerabilität gegenüber RE-Attacken zu demonstrieren. Die RE-Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte RE-Methode auf zahlreiche gedruckte Schaltungen ohne viel Komplexität oder teure Werkzeuge angewandt werden kann. Der letzte Beitrag dieser Arbeit ist ein vorgeschlagenes Konzept für eine "one-time programmable" gedruckte Look-up Table (pLUT), welche beliebige digitale Funktionen realisieren kann und Gegenmaßnahmen unterstützt wie Camouflaging, Split-Manufacturing und Watermarking um Attacken auf der Hardware-Ebene zu verhindern. Ein Vergleich des vorgeschlagenen pLUT-Konzepts mit existierenden Lösungen hat gezeigt, dass die pLUT weniger Flächen-bedarf, geringere worst-case Verzögerungszeiten und Leistungsverbrauch hat. Um die Konfigurierbarkeit der vorgestellten pLUT zu verifizieren, wurde es simuliert, hergestellt und programmiert mittels Tintenstrahl-gedruckter elektrisch leitfähiger Tinte um erfolgreich Logik-Gatter wie XNOR, XOR und AND zu realisieren. Die Simulation und Charakterisierungsergebnisse haben die erfolgreiche Funktionalität der pLUT bei Betriebsspannungen von nur 1 V belegt

Variation-based design of an AM demodulator in a printed complementary organic technology

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Current Status and Opportunities of Organic Thin-Film Transistor Technologies

Ajudes: National Key Research and Development Program of "Strategic Advanced Electronic Materials" under Grant 2016YFB0401100 and in part by the NSFC of China under Grant 61274083 and Grant 61334008.Attributed to its advantages of super mechanical flexibility, very low-temperature processing, and compatibility with low cost and high throughput manufacturing, organic thin-film transistor (OTFT) technology is able to bring electrical, mechanical, and industrial benefits to a wide range of new applications by activating nonflat surfaces with flexible displays, sensors, and other electronic functions. Despite both strong application demand and these significant technological advances, there is still a gap to be filled for OTFT technology to be widely commercially adopted. This paper providesa comprehensive reviewof the current status of OTFT technologies ranging from material, device, process, and integration, to design and system applications, and clarifies the real challenges behind to be addressed