研究背景

与人体无缝融合的类皮肤电子设备将实现舒适、大规模和高保真的生理监测、健康状况的实时分析、局部治疗、假肢和增强现实的感觉运动功能重建。为了实现器件的适形性和可拉伸性，已经研究了三种不同的方法：（1）结构工程，如屈曲、褶皱或基里加米结构；（2）可拉伸导体互连有源元件的刚度工程；（3）本质上可拉伸的电子器件。其中，本质可拉伸电子器件具有独特的优势，即使在运动和尺寸变化的情况下也能与组织紧密接触，因此使其成为人机界面，可穿戴和植入式的理想平台。然而，目前的技术只能达到非晶硅水平的电性能（即电荷载流子迁移率1cm2·V-1·s-1）、低集成规模和有限的功能。

研究成果

近日，美国斯坦福大学鲍哲南院士报道了具有高驱动能力、高运行速度和大规模集成的高密度、本质可拉伸的晶体管和集成电路。它们由材料、制造工艺设计、器件工程和电路设计方面的创新结合而成。本质的可拉伸晶体管在100%应变下的平均场效应迁移率超过20cm2·V-1·s-1，器件密度为100000晶体管/cm2，包括互连和电源电压5V下约2μA·μm-1的高驱动电流。值得注意的是，这些参数与基于塑料衬底上的金属氧化物、碳纳米管和多晶硅材料的最先进的柔性晶体管不相上下。此外，实现了一个具有1000多个晶体管和级开关频率＞1MHz的大规模集成电路，据了解，这是第一次在本质上可拉伸的电子产品。此外，展示了一种超越人类皮肤感知能力的高通量盲文识别系统，由具有创纪录的高密度2500单元/cm2的有源矩阵触觉传感器阵列实现，以及具有高刷新速度60Hz的发光二极管显示器和优异的机械坚固性。上述器件性能的进步，大大增强了类皮肤电子器件的能力。

相关研究工作以“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

研究内容

研究者通过结合材料、制造工艺、器件工程和电路设计方面的创新，实现了具有高驱动能力和高运行速度的本质可拉伸电子器件，以及具有高晶体管密度的大规模电路集成（图1b-e）。晶体管器件采用高迁移率沟道材料（高纯度半导体碳纳米管（S-CNT））、低接触电阻S/D电极（金属CNT/ Pd、M-CNT/Pd）、高κ弹性电介质（丁腈橡胶（NBR））、平滑栅极电极（聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS））和高导电性可拉伸互连（共晶镓铟合金（EGaIn））（图2a-d）。

图1. 本质可拉伸、高性能类皮肤电子器件

研究者开发了一种金属辅助剥离工艺，用于图案化M-CNT接触电极。简言之，该工艺涉及堆叠的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/铜（Cu）结构的图案化，然后通过喷涂沉积M-CNT（图2e）。Lch小到约0.9μm（图2f），因为金属层辅助剥离过程产生了尖锐的边缘。引入EGaIn作为全局互连，导致约0.2Ω·sq-1的薄层电阻大大降低，并且可以成功构图到大约2μm宽度（图2h）。

图2. 基于光刻的本质可拉伸电路的制造工艺

研究者制作了一个大型晶体管阵列，具有10082（142×71）个晶体管（图3a），Wch/Lch为100μm/20μm以评估器件产率和均匀性。根据从这些晶体管测量的传输曲线，10018个晶体管的最大漏极电流（Imax）高于3μA（Vds=-3V，Vgs=-8V）和漏极电流导通-截止比高于500。该批次的总器件产率达到99.37%，是迄今为止本质可拉伸晶体管的历史新高。此外，晶体管在Imax、电流通断比和阈值电压方面都表现出良好的均匀性（图3c）。晶体管阵列在应变下表现出显著的弹性，即使在平行或垂直于电荷传输方向的100%应变（ε）下，也没有可观察到裂纹或分层（图3d）。当沿着传输方向拉伸时，晶体管表现出稳定的电学性能（图3e），其中迁移率从20.2cm2·V-1·s-1（ε=0%）略增加至23.7cm2·V-1·s-1（ε=100%)。

图3. 高性能本质可拉伸晶体管阵列的电气和机械特性

接下来，研究者制作了最小的本质可拉伸伪E和伪D逆变器。总面积约为0.03mm2，是迄今为止报道的最小可拉伸逆变器面积的五分之一。逆变器可以在±5V至±2V的低电源电压下运行，具有较小的磁滞（图4a），并表现出高达100%应变的良好机械稳定性。图4b显示，互连的薄层电阻应小于1Ω·sq-1，用于集成500多个晶体管。与M-CNT相比，EGaIn互连可以更好地在长互连中保持稳定的晶体管电流。制造了密度为100000个晶体管/cm2的晶体管矩阵（图4c），矩阵中所有晶体管都可以通过控制字（栅极）线和位（漏极）线来单独寻址（图4d），具有与隔离器件相似的性能（图4e）。还制造了一个527级环形振荡器，由1056个晶体管和528个零Vgs负载逆变器组成，面积约为0.28cm2（图4f，g），在10µV的Vdd下，可以产生振荡频率（fO）为176Hz的信号 （图4h）。与先前报道相比，集成晶体管和逻辑门的数量都高出20多倍，据我们所知，首次实现了大规模的本质可拉伸集成电路（图4i）。

图4. 本质可拉伸、高速和大规模集成电路

最后，为了演示可拉伸晶体管阵列的实际应用，研究者构建了一个高分辨率盲文传感阵列和LED矩阵显示器，其使用我们的晶体管来访问和驱动各个像素。图5a，b显示，有源矩阵传感器阵列（10×20个像素）可以保形地粘附到人的手指上。一旦触觉传感器上的负载压力达到约20 kPa，同一像素中的存取晶体管的离子将从1nA以下增加至1µA以上（图5c，d）。大离子响应和小像素尺寸（200µm）实现了微小物体的精确映射，以及识别形状（包括三角形、圆形和矩形）、方向、位置和大小（低至<1mm）的能力（图5e，f）。注意到，研究者在可拉伸电子产品中实现了创纪录的高传感密度（2500单元/cm2），已经超过人类指尖的机械受体密度10倍以上（图5g）。因此，这使得能够以比人类手指更精细的分辨率进行盲文识别。使用面积为8mm2的传感阵列，可以读取整个单词，不是单个字母而是多个字母（图5h）。

图5. 高分辨本质可拉伸的有源矩阵触觉传感和LED显示屏

结论与展望

总之，通过合理的材料设计和制备、加工和器件工程，研究者实现了本质上可拉伸的类皮肤集成电路的里程碑，具有前所未有的性能。据了解，研究者以良好的机械稳定性、高产量和高驱动能力，实现了创纪录的晶体管阵列密度。具体而言，实现了具有1000多个晶体管的大规模的内在可拉伸集成电路，并将级开关频率提高到兆赫区域。本研究对材料的合理选择、界面工程和工艺设计，使晶体管沟道长度最小化，同时降低了寄生电容和互连电阻。最后，本质上可拉伸的晶体管阵列用于演示（1）小物体的高分辨率盲文识别和形状传感，能力超越人类皮肤能力；（2）刷新率60 Hz的LED显示器，变形情况下性能稳定。本研究的高性能本质可拉伸电子产品是实现未来实用的皮肤应用的多样化功能的关键组成部分，如生理信号的高频采集、局部放大器阵列、皮肤计算、显示和闭环驱动。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07096-7