具有皮膚機(jī)械特性的內(nèi)在可拉伸電子產(chǎn)品，已被確定為新興應(yīng)用的有前途的平臺(tái)，從連續(xù)生理監(jiān)測(cè)到健康狀況的實(shí)時(shí)分析，再到自主醫(yī)療的閉環(huán)交付。
然而，目前的技術(shù)只能達(dá)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(gè)電路54個(gè)晶體管)和有限的功能。
在此，來(lái)自的美國(guó)斯坦福大學(xué)的鮑哲南等研究者報(bào)道了具有高驅(qū)動(dòng)能力、高運(yùn)算速度和大規(guī)模集成的高密度、內(nèi)在可拉伸的晶體管和集成電路。它們是由材料、制造工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備工程和電路設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新組合而成的。相關(guān)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(wú)縫集成的類皮膚電子設(shè)備，將實(shí)現(xiàn)舒適、大規(guī)模和高保真的生理監(jiān)測(cè)、健康狀況的實(shí)時(shí)分析、局部治療、假肢的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能重建和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)器件的一致性和可拉伸性，研究了三種不同的方法：(1)結(jié)構(gòu)工程，如屈曲，褶皺或基里伽米結(jié)構(gòu)；(2)可拉伸導(dǎo)線連接有源元件剛度工程；(3)本質(zhì)上可拉伸的電子學(xué)。其中，本質(zhì)上可拉伸的電子產(chǎn)品具有即使在運(yùn)動(dòng)和尺寸變化時(shí)也能與組織緊密接觸的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此使其成為人機(jī)界面，可穿戴和可植入的理想平臺(tái)。
為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的類皮膚電子器件所需的傳感、處理和驅(qū)動(dòng)功能，需要高性能的內(nèi)在可拉伸晶體管和大規(guī)模集成電路(圖1a)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通過(guò)材料創(chuàng)新和設(shè)備工程，已經(jīng)做出了大量努力來(lái)開(kāi)發(fā)可拉伸電子產(chǎn)品。在實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)方面的嘗試導(dǎo)致了可直接光刻的導(dǎo)體、半導(dǎo)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(shù)柔性薄膜器件低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，特別是在短通道長(zhǎng)度(例如，由于低半導(dǎo)體載流子遷移率和高金屬半導(dǎo)體接觸電阻，跨導(dǎo)歸一化(溝道寬度為0.5 nS μm?1)。
在電路層面，迄今為止實(shí)現(xiàn)的最大集成具有54個(gè)晶體管和14個(gè)邏輯門。此外，據(jù)研究者所知，報(bào)道的最高運(yùn)行速度僅為330 Hz，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用的要求(例如，顯示驅(qū)動(dòng)，信號(hào)調(diào)節(jié)或生理監(jiān)測(cè)的>10 kHz)。因此，目前的類皮膚電子設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)基本功能，比如用有限數(shù)量的輸出端子來(lái)處理緩慢的信號(hào)。
圖1.?本質(zhì)上可拉伸的高性能皮膚電子產(chǎn)品
研究者通過(guò)材料、制造工藝、器件工程和電路設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新來(lái)解決上述挑戰(zhàn)，這些創(chuàng)新使具有高電驅(qū)動(dòng)能力和高運(yùn)行速度的內(nèi)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(dǎo)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(zhì)(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(dǎo)電性可拉伸互連(共晶鎵銦合金(EGaIn))(圖2a-d)。
在20 μm通道長(zhǎng)度(Lch)下，一批10082個(gè)晶體管的成品率可以達(dá)到99.3%以上，Lch = 100 μm時(shí)，在100%應(yīng)變下，電荷載流子遷移率大于20 cm2 V?1 s?1，晶體管密度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)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(dǎo)(Gm/Wch)，約為0.8 μS μm?1，與先前報(bào)道的非離子介電本質(zhì)可拉伸晶體管相比，提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
這些實(shí)現(xiàn)的參數(shù)使驅(qū)動(dòng)電流在5 V下達(dá)到約2.0 μA μm?1，可與最先進(jìn)的柔性晶體管相媲美，包括碳納米管，氧化物，有機(jī)物和多晶硅(poly-Si)。在高密度晶體管陣列的基礎(chǔ)上，研究者制作了一個(gè)由1056個(gè)晶體管和528個(gè)邏輯門組成的527級(jí)環(huán)形振蕩器。這是首次實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，即超過(guò)100個(gè)邏輯門，本質(zhì)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高操作速度，級(jí)切換速度大于1 MHz。通過(guò)高精度的制造方法，研究者的有源矩陣觸覺(jué)傳感器陣列顯示出創(chuàng)紀(jì)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(kāi)發(fā)出超越人類皮膚能力的高通量盲文識(shí)別概念。此外，該晶體管陣列具有高驅(qū)動(dòng)能力和低延遲，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)60 Hz快速刷新率的發(fā)光二極管(LED)陣列，同時(shí)具有良好的機(jī)械魯棒性。
圖2. 基于光刻技術(shù)的內(nèi)在可拉伸電路制造工藝
首先，研究者討論了材料選擇、器件結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)晶體管的高驅(qū)動(dòng)電流，需要具備以下條件:高遷移率半導(dǎo)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(duì)于S/D電極，研究者之前開(kāi)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(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)遷移率大幅下降。
研究者觀察到，由于適當(dāng)保持電荷注入，具有金屬界面層的碳納米管網(wǎng)絡(luò)電極獲得了與金屬電極相似的接觸電阻值。以前對(duì)M-CNT電極進(jìn)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(jìn)行M-CNT直接發(fā)射，研究者仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)平滑的邊界和小的Lch。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者開(kāi)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(jiǎn)而言之，該工藝涉及堆疊聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/銅(Cu)結(jié)構(gòu)的圖圖化，然后通過(guò)噴涂沉積M-CNT(圖2e)。由于金屬層輔助升空工藝產(chǎn)生了尖銳的邊緣，因此可以實(shí)現(xiàn)約0.9 μm的Lch(圖2f)。
圖3. 高性能本質(zhì)可拉伸晶體管陣列的電學(xué)和機(jī)械特性
為了實(shí)現(xiàn)本質(zhì)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(lián)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(shè)計(jì)了各層的耐溶劑性，使得晶體管的電性能在所有加工過(guò)程中都得到了很好的保持。
接下來(lái)，研究者制作了一個(gè)包含10,082個(gè)(142 × 71)晶體管的大型晶體管陣列(圖3a)，Wch/Lch為100 μm/20 μm，以評(píng)估器件的良率和均勻性。結(jié)果表明，10018個(gè)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(dá)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(shù)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(guò)程中的顆粒污染造成的。如果在商業(yè)生產(chǎn)設(shè)施中進(jìn)行，研究者預(yù)計(jì)整個(gè)設(shè)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(xiàn)出良好的均勻性(圖3c)。
圖4. 本質(zhì)上可拉伸，高速和大規(guī)模集成電路
接下來(lái)，研究者制作了迄今為止報(bào)道的最小的內(nèi)在可拉伸偽e和偽d逆變器。選擇這兩種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是為了增強(qiáng)噪聲裕度并允許制造后調(diào)諧。研究者注意到，整體面積約為0.03 mm2，是迄今為止報(bào)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(jī)械穩(wěn)健性，高達(dá)100%應(yīng)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(shí)現(xiàn)電路中的高晶體管電流。根據(jù)圖4b的分析，對(duì)于超過(guò)500個(gè)晶體管的集成，互連片電阻應(yīng)小于1Ω sq?1(圖4b)。與M-CNT相比，EGaIn互連在長(zhǎng)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(méi)有從互連擴(kuò)散到S/D電極，從而在設(shè)備制造超過(guò)18個(gè)月后降低接觸性能。
研究者制作了一個(gè)晶體管矩陣(圖4c)，其密度為每平方厘米100,000個(gè)晶體管，其中矩陣中的所有晶體管都可以通過(guò)控制字(柵極)線和位(漏極)線(圖4d)單獨(dú)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(gè)527級(jí)環(huán)形振蕩器，由1056個(gè)晶體管和528個(gè)零電壓負(fù)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(chǎn)生振蕩頻率(fO)為176 Hz的信號(hào)(圖4h)。集成晶體管和邏輯門的數(shù)量都比之前的報(bào)道高出20倍以上，據(jù)研究者所知，這是第一次實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的本質(zhì)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(jué)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(xiàn)在具有高器件密度，快速運(yùn)行速度和高驅(qū)動(dòng)電流)的實(shí)際應(yīng)用，研究者繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)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(wèn)和驅(qū)動(dòng)單個(gè)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(dāng)觸覺(jué)傳感器上的加載壓力達(dá)到20 kPa左右時(shí)，同一像素內(nèi)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(yīng)和小像素尺寸(200μm)使微小物體的精確映射，以及識(shí)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(jù)研究者所知，研究者在可拉伸電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)紀(jì)錄的高傳感密度(每平方厘米2500個(gè)單位)現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了人類指尖的機(jī)械受體密度10倍以上(圖5)。因此，這使得盲文識(shí)別的分辨率甚至比人類的手指還要高。現(xiàn)在，這個(gè)傳感陣列的面積只有8平方毫米，可以讀取整個(gè)單詞，而不是單個(gè)字母，而是多個(gè)字母。
綜上所述，研究者通過(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內(nèi)在可拉伸皮膚集成電路的里程碑。據(jù)研究者所知，研究者實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高晶體管陣列密度，具有良好的機(jī)械穩(wěn)健性，高良率和高驅(qū)動(dòng)能力。
具體來(lái)說(shuō)，研究者實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有1000多個(gè)晶體管的大規(guī)模內(nèi)在可拉伸集成電路，并將級(jí)開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)允許最小化晶體管通道長(zhǎng)度，同時(shí)減少寄生電容和互連電阻。最后，研究者的內(nèi)在可拉伸晶體管陣列被用來(lái)演示(1)高分辨率盲文識(shí)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(nèi)在可伸縮電子產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)未來(lái)實(shí)際皮膚應(yīng)用的各種功能的關(guān)鍵組成部分，例如，生理信號(hào)的高頻采集，本地放大器陣列，皮膚計(jì)算，顯示和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。
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(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/03/15/cbfeafe7e1/
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