研究背景
可拉伸電子器件因其皮膚般的機(jī)械性能被認(rèn)定為有前景的平臺(tái)。然而，現(xiàn)有技術(shù)在電性能、集成規(guī)模和功能性上存在一定局限性，主要表現(xiàn)為僅能達(dá)到非晶硅水平的電性能、低集成規(guī)模和有限的功能性。對(duì)于這些問(wèn)題，鮑哲南院士團(tuán)隊(duì)一直致力于該領(lǐng)域的研究，以尋找新的解決方案，推動(dòng)本征可拉伸電子器件的性能和應(yīng)用水平。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在材料、制造工藝設(shè)計(jì)、器件工程和電路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，努力克服當(dāng)前本征可拉伸電子器件的種種限制。他們探索了高密度、本征可拉伸晶體管和集成電路的制造方法，追求高驅(qū)動(dòng)能力、高運(yùn)行速度和大規(guī)模集成，以滿足對(duì)先進(jìn)皮膚般電子器件的高性能要求。
今日，團(tuán)隊(duì)的最新成果以題為“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”在Nature發(fā)表 。該研究解決了本征可拉伸電子器件在電性能、集成規(guī)模和功能性方面的問(wèn)題。通過(guò)創(chuàng)新的手段，他們成功實(shí)現(xiàn)了高密度、本征可拉伸的晶體管和集成電路，具備高驅(qū)動(dòng)能力、高運(yùn)行速度和大規(guī)模集成的特性。這些創(chuàng)新在克服了當(dāng)前本征可拉伸電子器件的局限性的同時(shí)，為其在生理監(jiān)測(cè)、健康分析、醫(yī)療治療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更為廣泛和強(qiáng)大的可能性。
研究?jī)?nèi)容
圖1展示了本征可拉伸、高性能類皮膚電子器件的關(guān)鍵部分和性能結(jié)果，這些器件包括本征可拉伸晶體管和集成電路。研究者旨在實(shí)現(xiàn)這些器件的先進(jìn)功能，包括感知、處理和驅(qū)動(dòng)功能。
圖1a概述了本征可拉伸晶體管和電路在電子皮膚應(yīng)用中的中心作用，并強(qiáng)調(diào)了高性能的要求。圖1b是高性能本征可拉伸電子器件的三維結(jié)構(gòu)圖，展示了可拉伸基底、柵電極、柵介電層、源/漏電極、半導(dǎo)體、通道封裝、跳線介電層、頂電極（互連）和頂封裝等關(guān)鍵組成部分。這一結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為器件的高性能奠定了基礎(chǔ)。圖1c呈現(xiàn)了在4英寸硅片上制造的高速電路單元的照片，突顯了研究者在大規(guī)模電路集成方面取得的進(jìn)展。圖1d展示了本征可拉伸電子在從支撐基底釋放后的大變形下的照片，每個(gè)方塊都是一個(gè)具有16個(gè)晶體管的三階環(huán)振蕩器。這突顯了器件的柔韌性和可拉伸性。圖1e展示了一個(gè)高密度晶體管陣列，附在一個(gè)白色芝麻種子上，具有1,000個(gè)晶體管在1mm²的指尖區(qū)域內(nèi)。
圖中小插圖顯示了高密度晶體管陣列的顯微鏡圖像。這表明研究者成功實(shí)現(xiàn)了具有高晶體管密度的本征可拉伸電子器件，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)功能奠定了基礎(chǔ)。
圖1. 本征可拉伸、高性能類皮膚電子器件。
圖2詳細(xì)展示了本征可拉伸電子器件的光刻制造過(guò)程，包括關(guān)鍵部件的材料選擇和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在圖2a-d部分呈現(xiàn)了本征可拉伸電子器件的光刻制造過(guò)程，包括高遷移率通道材料、低接觸電阻源漏電極、高κ彈性介電層、光滑的柵極電極以及高導(dǎo)電性可拉伸互連。
具體而言，a部分展示了本征可拉伸晶體管的草圖，其中關(guān)鍵組成部分包括S-CNT通道、M-CNT/Pd源漏電極、NBR介電層、PEDOT:PSS柵極電極和EGaIn互連。b部分是晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像，呈現(xiàn)了成功制備的晶體管的外觀。c部分展示了用于制造高性能本征可拉伸電路的化學(xué)結(jié)構(gòu)，涵蓋了S-CNT、M-CNT/Pd、NBR、PEDOT:PSS等關(guān)鍵材料。d部分描述了高性能本征可拉伸電路制造的過(guò)程流程。e-h部分進(jìn)一步細(xì)化了M-CNT源漏電極的制備過(guò)程，包括M-CNT的圖案化、PEDOT:PSS/PR的圖案化以及EGaIn的圖案化。通過(guò)這一系列步驟，研究者成功制備了具有優(yōu)越性能的本征可拉伸電路。
具體而言，他們展示了本征可拉伸晶體管的高度可控制備，包括Lch約為0.9μm的源漏電極，以及高密度晶體管陣列和大規(guī)模集成電路的成功制備。這些設(shè)計(jì)和結(jié)果為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的皮膚般電子器件提供了關(guān)鍵支持，為未來(lái)醫(yī)療、健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
圖2. 基于光刻工藝的本征可拉伸電路制造過(guò)程。
為了實(shí)現(xiàn)本征可拉伸的晶體管陣列，研究者制備了一個(gè)包含10,082個(gè)晶體管的大型陣列（見(jiàn)圖3a）。每個(gè)晶體管的Wch/Lch為100μm/20μm。通過(guò)測(cè)量這些晶體管的傳輸曲線，發(fā)現(xiàn)其中10,018個(gè)晶體管的最大漏極電流（Imax）都高于3μA，漏極電流開(kāi)關(guān)比超過(guò)500，整體器件的產(chǎn)率達(dá)到了99.37%。
晶體管的失效主要?dú)w因于制造過(guò)程中的顆粒污染。晶體管陣列展現(xiàn)出了良好的機(jī)械韌性，在拉伸時(shí)未觀察到裂縫或剝離，并在100%應(yīng)變下保持穩(wěn)定的電氣特性。在實(shí)驗(yàn)中，晶體管陣列顯示出了良好的拉伸性能，其遷移率從20.2 cm2 V−1 s−1（ε=0％）增加到23.7 cm2 V−1 s−1（ε=100％），在應(yīng)變釋放后略有下降。
通過(guò)使用高分辨率圖案化工藝，單個(gè)晶體管的面積縮小到約288μm2，Wch/Lch為12μm/2μm，使晶體管陣列的包裝密度達(dá)到每cm2 200,000個(gè)晶體管。晶體管的性能指標(biāo)，如漏極電流、漏極電流開(kāi)關(guān)比和閾值電壓都表現(xiàn)出良好的均勻性。這些晶體管陣列的性能明顯優(yōu)于以往的本征可拉伸晶體管陣列，包括遷移率的增加和漏極電流密度的提高。
圖3.高性能本征可拉伸晶體管陣列的電氣和機(jī)械特性。
為了實(shí)現(xiàn)本征可拉伸的高速和大規(guī)模集成電路，研究者在圖4中展示了他們的研究成果。首先，他們成功制造了目前報(bào)道的最小本征可拉伸偽E和偽D反相器，這兩種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被選擇以增強(qiáng)噪聲裕度并允許后期調(diào)整。
這些反相器在低供電電壓下運(yùn)行，表現(xiàn)出小的滯后特性，并在高達(dá)100%的應(yīng)變下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)健性。為了提高集成密度和規(guī)模，他們致力于減小互連電阻，通過(guò)分析得知，互連的片電阻應(yīng)小于1Ω/sq，以實(shí)現(xiàn)超過(guò)500個(gè)晶體管的集成。相較于M-CNT，EGaIn互連能更好地維持長(zhǎng)互連中的晶體管電流。
此外，EGaIn在設(shè)備制造18個(gè)月后仍未從互連擴(kuò)散到S/D電極中，維持了接觸性能。接下來(lái)，研究者制造了一個(gè)晶體管矩陣，密度為每cm² 100,000個(gè)晶體管，所有矩陣中的晶體管都可以通過(guò)控制字（柵）線和位（漏）線進(jìn)行單獨(dú)尋址，并表現(xiàn)出與孤立器件相似的性能。
此外，他們還制造了一個(gè)由1,056個(gè)晶體管和528個(gè)零Vgs負(fù)載反相器組成的527級(jí)環(huán)形振蕩器，占地面積約為0.28cm²，可以在Vdd為10V時(shí)產(chǎn)生頻率為176Hz的信號(hào)。這兩個(gè)集成電路中的晶體管和邏輯門的數(shù)量均比以往報(bào)道的要高出20倍以上，達(dá)到了迄今為止首次實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模本征可拉伸集成電路。
操作速度不僅由晶體管的電氣性能決定，還由電路設(shè)計(jì)和寄生效應(yīng)決定。為了評(píng)估速度性能，研究者制造了三級(jí)環(huán)形振蕩器，選擇了偽E反相器因其較其他類型的振蕩器更快的切換速度。通過(guò)所有這些努力，他們成功實(shí)現(xiàn)了三級(jí)環(huán)形振蕩器的高速運(yùn)行，呈現(xiàn)出卓越的機(jī)械穩(wěn)健性。
圖4. 本征可拉伸、高速和大規(guī)模集成電路。
圖5展示了高分辨率的本征可拉伸主動(dòng)矩陣觸覺(jué)感知和LED顯示系統(tǒng)。首先，通過(guò)構(gòu)建主動(dòng)矩陣傳感器陣列（AM-TS），利用研究者的可拉伸晶體管作為像素訪問(wèn)和驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小對(duì)象的精確感知和形狀識(shí)別。
在AM-TS中，當(dāng)觸覺(jué)傳感器受到約20kPa的壓力時(shí)，像素中的晶體管漏極電流從低于1nA增加到1µA以上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)形狀、方向、位置和尺寸的精確映射。該傳感器陣列在2500個(gè)單位/cm²的感知密度方面取得了記錄，實(shí)現(xiàn)了比人手指更細(xì)致的盲文識(shí)別，為建立高分辨率觸覺(jué)感知系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
其次，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)LED顯示系統(tǒng)，其中每個(gè)LED由一個(gè)本征可拉伸晶體管進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)具有較高的刷新率（超過(guò)60Hz）和穩(wěn)定的LED亮度，即使在扭曲或拉伸等大變形下仍然保持正常功能。
通過(guò)本征可拉伸晶體管的快速切換特性和大驅(qū)動(dòng)電流，研究者成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同數(shù)字、字母和符號(hào)的高質(zhì)量顯示。這兩個(gè)應(yīng)用展示了本征可拉伸晶體管的多功能性和實(shí)用性，為實(shí)現(xiàn)高度靈活、高性能的可拉伸電子設(shè)備提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
圖5. 高分辨率本征可拉伸有源矩陣觸覺(jué)傳感和LED顯示。
總結(jié)展望
總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)合理的材料設(shè)計(jì)和制備、加工和器件工程，研究者實(shí)現(xiàn)了具有前所未有性能的本征可拉伸的皮膚狀集成電路的重要里程碑。研究者在維持良好機(jī)械穩(wěn)健性、高產(chǎn)率和高驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的晶體管陣列密度。
具體來(lái)說(shuō)，研究者實(shí)現(xiàn)了一個(gè)超過(guò)1,000個(gè)晶體管的大規(guī)模本征可拉伸集成電路，并將級(jí)聯(lián)切換頻率提升到兆赫區(qū)域。研究者通過(guò)對(duì)材料的合理選擇、界面工程和工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了晶體管通道長(zhǎng)度的最小化，以及寄生電容和互連電阻的降低。
最后，研究者運(yùn)用可拉伸的晶體管陣列展示了兩項(xiàng)應(yīng)用：（1）高分辨率的盲文識(shí)別和對(duì)小物體形狀的感知，超過(guò)了人類皮膚的能力；（2）具有60Hz刷新率和在變形下保持穩(wěn)定性能的LED顯示。研究者的高性能本征可拉伸電子器件是未來(lái)實(shí)際在皮膚上應(yīng)用的多功能關(guān)鍵組成部分，例如，高頻采集生理信號(hào)、局部放大器陣列、皮膚上計(jì)算、顯示和閉環(huán)執(zhí)行等。
