具有皮膚機械特性的內在可拉伸電子產品，已被確定為新興應用的有前途的平臺，從連續(xù)生理監(jiān)測到健康狀況的實時分析，再到自主醫(yī)療的閉環(huán)交付。
然而，目前的技術只能達到非晶硅水平的電性能(即電荷載流子遷移率約為1 cm2 V?1 s?1)，低集成規(guī)模(例如，每個電路54個晶體管)和有限的功能。
在此，來自的美國斯坦福大學的鮑哲南等研究者報道了具有高驅動能力、高運算速度和大規(guī)模集成的高密度、內在可拉伸的晶體管和集成電路。它們是由材料、制造工藝設計、設備工程和電路設計方面的創(chuàng)新組合而成的。相關論文以題為“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”于2024年03月13日發(fā)表在Nature上。
與人體無縫集成的類皮膚電子設備，將實現舒適、大規(guī)模和高保真的生理監(jiān)測、健康狀況的實時分析、局部治療、假肢的感覺運動功能重建和增強現實。為了實現器件的一致性和可拉伸性，研究了三種不同的方法：(1)結構工程，如屈曲，褶皺或基里伽米結構；(2)可拉伸導線連接有源元件剛度工程；(3)本質上可拉伸的電子學。其中，本質上可拉伸的電子產品具有即使在運動和尺寸變化時也能與組織緊密接觸的獨特優(yōu)勢，因此使其成為人機界面，可穿戴和可植入的理想平臺。
為了實現先進的類皮膚電子器件所需的傳感、處理和驅動功能，需要高性能的內在可拉伸晶體管和大規(guī)模集成電路(圖1a)。為了實現這一目標，通過材料創(chuàng)新和設備工程，已經做出了大量努力來開發(fā)可拉伸電子產品。在實現高空間分辨率和電氣性能方面仍然存在挑戰(zhàn)。
盡管最近在材料設計方面的嘗試導致了可直接光刻的導體、半導體和介電層，以及器件密度的提高，但可拉伸器件的電性能仍然比大多數柔性薄膜器件低幾個數量級，特別是在短通道長度(例如，由于低半導體載流子遷移率和高金屬半導體接觸電阻，跨導歸一化(溝道寬度為0.5 nS μm?1)。
在電路層面，迄今為止實現的最大集成具有54個晶體管和14個邏輯門。此外，據研究者所知，報道的最高運行速度僅為330 Hz，遠低于實際應用的要求(例如，顯示驅動，信號調節(jié)或生理監(jiān)測的>10 kHz)。因此，目前的類皮膚電子設備只能實現基本功能，比如用有限數量的輸出端子來處理緩慢的信號。
研究者通過材料、制造工藝、器件工程和電路設計方面的創(chuàng)新來解決上述挑戰(zhàn)，這些創(chuàng)新使具有高電驅動能力和高運行速度的內在可拉伸電子器件以及具有高晶體管密度的大規(guī)模電路集成成為可能(圖1b-e)。
該晶體管器件具有高遷移率通道材料(高純度半導體碳納米管(S-CNT))、低接觸電阻源漏極(S/D)電極(金屬碳納米管/鈀，M-CNT/Pd)、高κ彈性介電介質(丁腈橡膠(NBR))、光滑柵極(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS))和高導電性可拉伸互連(共晶鎵銦合金(EGaIn))(圖2a-d)。
在20 μm通道長度(Lch)下，一批10082個晶體管的成品率可以達到99.3%以上，Lch = 100 μm時，在100%應變下，電荷載流子遷移率大于20 cm2 V?1 s?1，晶體管密度達到創(chuàng)紀錄的100,000 cm?2(包括互連)。此外，得益于低接觸電阻(Rc)和高柵極電容，這些短Lch約為2 μm的晶體管具有高歸一化跨導(Gm/Wch)，約為0.8 μS μm?1，與先前報道的非離子介電本質可拉伸晶體管相比，提高了兩個數量級以上。
這些實現的參數使驅動電流在5 V下達到約2.0 μA μm?1，可與最先進的柔性晶體管相媲美，包括碳納米管，氧化物，有機物和多晶硅(poly-Si)。在高密度晶體管陣列的基礎上，研究者制作了一個由1056個晶體管和528個邏輯門組成的527級環(huán)形振蕩器。這是首次實現大規(guī)模集成，即超過100個邏輯門，本質上可拉伸的電子。
此外，隨著寄生電容和電阻的降低，研究者進一步實現了創(chuàng)紀錄的高操作速度，級切換速度大于1 MHz。通過高精度的制造方法，研究者的有源矩陣觸覺傳感器陣列顯示出創(chuàng)紀錄的2500單位每平方厘米的高傳感密度，從而使研究者能夠開發(fā)出超越人類皮膚能力的高通量盲文識別概念。此外，該晶體管陣列具有高驅動能力和低延遲，可以動態(tài)驅動60 Hz快速刷新率的發(fā)光二極管(LED)陣列，同時具有良好的機械魯棒性。
首先，研究者討論了材料選擇、器件結構和制造工藝的基本原理。要在不增加器件面積或功耗的情況下實現晶體管的高驅動電流，需要具備以下條件:高遷移率半導體、低S/D接觸電阻和低缺陷狀態(tài)下的高柵極介電容量。對于S/D電極，研究者之前開發(fā)的PEDOT:PSS受到電荷注入不良的影響，與不可拉伸的金屬電極相比，導致場效應遷移率大幅下降。
研究者觀察到，由于適當保持電荷注入，具有金屬界面層的碳納米管網絡電極獲得了與金屬電極相似的接觸電阻值。以前對M-CNT電極進行圖像化的方法依賴于使用陰影掩膜，其分辨率較差(通常為50 μm)。即使使用圖案光刻膠進行M-CNT直接發(fā)射，研究者仍然無法實現平滑的邊界和小的Lch。
為了解決這個問題，研究者開發(fā)了一種金屬輔助剝離工藝，用于M-CNT接觸電極的圖像化。簡而言之，該工藝涉及堆疊聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/銅(Cu)結構的圖圖化，然后通過噴涂沉積M-CNT(圖2e)。由于金屬層輔助升空工藝產生了尖銳的邊緣，因此可以實現約0.9 μm的Lch(圖2f)。
圖3. 高性能本質可拉伸晶體管陣列的電學和機械特性
為了實現本質上可拉伸的晶體管陣列，研究者首先在剛性支撐Si/SiO2晶圓上制備了一層薄的交聯SEBS薄膜作為襯底，該襯底上涂有右旋糖酐犧牲層。然后依次制備柵極(PEDOT:PSS/PR)、介電(NBR/SEBS)、S/D電極(M-CNT/Pd)、溝道(S-CNT)和封裝(SBS)。由于合理地設計了各層的耐溶劑性，使得晶體管的電性能在所有加工過程中都得到了很好的保持。
接下來，研究者制作了一個包含10,082個(142 × 71)晶體管的大型晶體管陣列(圖3a)，Wch/Lch為100 μm/20 μm，以評估器件的良率和均勻性。結果表明，10018個晶體管的最大漏極電流(Imax)大于3 μA (Vds =?3V, Vgs =?8V)，漏極通斷比大于500(圖3b)。
整體器件良率達到99.37%，這是迄今為止固有可拉伸晶體管的最高良率。研究者注意到，少數失效的晶體管顯示出高柵極泄漏，這是由于在使用的非潔凈室環(huán)境中制造過程中的顆粒污染造成的。如果在商業(yè)生產設施中進行，研究者預計整個設備的良率將得到改善。此外，晶體管在Imax、電流通斷比和閾值電壓方面均表現出良好的均勻性(圖3c)。
圖4. 本質上可拉伸，高速和大規(guī)模集成電路
接下來，研究者制作了迄今為止報道的最小的內在可拉伸偽e和偽d逆變器。選擇這兩種電路拓撲結構是為了增強噪聲裕度并允許制造后調諧。研究者注意到，整體面積約為0.03 mm2，是迄今為止報道的最小可拉伸逆變器面積的五分之一。研究者的逆變器可以在±5 V至±2 V的低電源電壓下工作，遲滯小(圖4a)，并且具有良好的機械穩(wěn)健性，高達100%應變。
為了提高集成密度和規(guī)模，必須最小化互連電阻，從而實現電路中的高晶體管電流。根據圖4b的分析，對于超過500個晶體管的集成，互連片電阻應小于1Ω sq?1(圖4b)。與M-CNT相比，EGaIn互連在長互連中可以更好地保持穩(wěn)定的晶體管電流。除此之外，EGaIn還沒有從互連擴散到S/D電極，從而在設備制造超過18個月后降低接觸性能。
研究者制作了一個晶體管矩陣(圖4c)，其密度為每平方厘米100,000個晶體管，其中矩陣中的所有晶體管都可以通過控制字(柵極)線和位(漏極)線(圖4d)單獨尋址，具有與隔離器件相似的性能(圖4e)。除了有源矩陣，研究者還制作了一個527級環(huán)形振蕩器，由1056個晶體管和528個零電壓負載逆變器組成，面積約為0.28 cm2(圖4f,g)，在Vdd為10 V的情況下，可以產生振蕩頻率(fO)為176 Hz的信號(圖4h)。集成晶體管和邏輯門的數量都比之前的報道高出20倍以上，據研究者所知，這是第一次實現大規(guī)模的本質可拉伸集成電路(圖4i)。
圖5. 高分辨率固有可拉伸有源矩陣觸覺傳感和LED顯示
最后，為了演示研究者的可拉伸晶體管陣列(現在具有高器件密度，快速運行速度和高驅動電流)的實際應用，研究者繼續(xù)構建一個高分辨率盲文傳感陣列和LED矩陣顯示器，它使用研究者的晶體管訪問和驅動單個像素。
得益于高拉伸性和小面積，研究者的有源矩陣傳感器陣列(10 × 20像素)可以保形粘附在人的手指上(圖5a,b)。當觸覺傳感器上的加載壓力達到20 kPa左右時，同一像素內的接入晶體管的離子將從低于1 nA增加到高于1μA(圖5c,d)。大離子響應和小像素尺寸(200μm)使微小物體的精確映射，以及識別形狀(包括三角形，圓形和矩形)，方向，位置和尺寸(小至1mm)的能力(圖5e,f)。
研究者注意到，據研究者所知，研究者在可拉伸電子設備中實現的創(chuàng)紀錄的高傳感密度(每平方厘米2500個單位)現在已經超過了人類指尖的機械受體密度10倍以上(圖5)。因此，這使得盲文識別的分辨率甚至比人類的手指還要高。現在，這個傳感陣列的面積只有8平方毫米，可以讀取整個單詞，而不是單個字母，而是多個字母。
綜上所述，研究者通過合理的材料設計和制備，加工和器件工程，研究者實現了具有前所未有性能的內在可拉伸皮膚集成電路的里程碑。據研究者所知，研究者實現了創(chuàng)紀錄的高晶體管陣列密度，具有良好的機械穩(wěn)健性，高良率和高驅動能力。
具體來說，研究者實現了一個具有1000多個晶體管的大規(guī)模內在可拉伸集成電路，并將級開關頻率提高到兆赫茲區(qū)域。研究者合理的材料選擇，界面工程和工藝設計允許最小化晶體管通道長度，同時減少寄生電容和互連電阻。最后，研究者的內在可拉伸晶體管陣列被用來演示(1)高分辨率盲文識別和小物體的形狀感知，超越了人類皮膚的能力;(2)具有60hz刷新率且變形下性能穩(wěn)定的LED顯示屏。
研究者的高性能內在可伸縮電子產品是實現未來實際皮膚應用的各種功能的關鍵組成部分，例如，生理信號的高頻采集，本地放大器陣列，皮膚計算，顯示和閉環(huán)驅動。
Zhong, D., Wu, C., Jiang, Y. et al. High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits. Nature 627, 313–320 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07096-7
原創(chuàng)文章，作者：Jenny（小琦），如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/03/15/cbfeafe7e1/
