具有皮肤机械特性的内在可拉伸电子产品，已被确定为新兴应用的有前途的平台，从连续生理监测到健康状况的实时分析，再到自主医疗的闭环交付。
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约为1 cm2 V−1 s−1)，低集成规模(例如，每个电路54个晶体管)和有限的功能。
在此，来自的美国斯坦福大学的鲍哲南等研究者报道了具有高驱动能力、高运算速度和大规模集成的高密度、内在可拉伸的晶体管和集成电路。它们是由材料、制造工艺设计、设备工程和电路设计方面的创新组合而成的。相关论文以题为“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”于2024年03月13日发表在Nature上。
与人体无缝集成的类皮肤电子设备，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、假肢的感觉运动功能重建和增强现实。为了实现器件的一致性和可拉伸性，研究了三种不同的方法：(1)结构工程，如屈曲，褶皱或基里伽米结构；(2)可拉伸导线连接有源元件刚度工程；(3)本质上可拉伸的电子学。其中，本质上可拉伸的电子产品具有即使在运动和尺寸变化时也能与组织紧密接触的独特优势，因此使其成为人机界面，可穿戴和可植入的理想平台。
为了实现先进的类皮肤电子器件所需的传感、处理和驱动功能，需要高性能的内在可拉伸晶体管和大规模集成电路(图1a)。为了实现这一目标，通过材料创新和设备工程，已经做出了大量努力来开发可拉伸电子产品。在实现高空间分辨率和电气性能方面仍然存在挑战。
尽管最近在材料设计方面的尝试导致了可直接光刻的导体、半导体和介电层，以及器件密度的提高，但可拉伸器件的电性能仍然比大多数柔性薄膜器件低几个数量级，特别是在短通道长度(例如，由于低半导体载流子迁移率和高金属半导体接触电阻，跨导归一化(沟道宽度为0.5 nS µm−1)。
在电路层面，迄今为止实现的最大集成具有54个晶体管和14个逻辑门。此外，据研究者所知，报道的最高运行速度仅为330 Hz，远低于实际应用的要求(例如，显示驱动，信号调节或生理监测的>10 kHz)。因此，目前的类皮肤电子设备只能实现基本功能，比如用有限数量的输出端子来处理缓慢的信号。
研究者通过材料、制造工艺、器件工程和电路设计方面的创新来解决上述挑战，这些创新使具有高电驱动能力和高运行速度的内在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成为可能(图1b-e)。
该晶体管器件具有高迁移率通道材料(高纯度半导体碳纳米管(S-CNT))、低接触电阻源漏极(S/D)电极(金属碳纳米管/钯，M-CNT/Pd)、高κ弹性介电介质(丁腈橡胶(NBR))、光滑栅极(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):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)。
在20 μm通道长度(Lch)下，一批10082个晶体管的成品率可以达到99.3%以上，Lch = 100 μm时，在100%应变下，电荷载流子迁移率大于20 cm2 V−1 s−1，晶体管密度达到创纪录的100,000 cm−2(包括互连)。此外，得益于低接触电阻(Rc)和高栅极电容，这些短Lch约为2 μm的晶体管具有高归一化跨导(Gm/Wch)，约为0.8 μS μm−1，与先前报道的非离子介电本质可拉伸晶体管相比，提高了两个数量级以上。
这些实现的参数使驱动电流在5 V下达到约2.0 μA μm−1，可与最先进的柔性晶体管相媲美，包括碳纳米管，氧化物，有机物和多晶硅(poly-Si)。在高密度晶体管阵列的基础上，研究者制作了一个由1056个晶体管和528个逻辑门组成的527级环形振荡器。这是首次实现大规模集成，即超过100个逻辑门，本质上可拉伸的电子。
此外，随着寄生电容和电阻的降低，研究者进一步实现了创纪录的高操作速度，级切换速度大于1 MHz。通过高精度的制造方法，研究者的有源矩阵触觉传感器阵列显示出创纪录的2500单位每平方厘米的高传感密度，从而使研究者能够开发出超越人类皮肤能力的高通量盲文识别概念。此外，该晶体管阵列具有高驱动能力和低延迟，可以动态驱动60 Hz快速刷新率的发光二极管(LED)阵列，同时具有良好的机械鲁棒性。
首先，研究者讨论了材料选择、器件结构和制造工艺的基本原理。要在不增加器件面积或功耗的情况下实现晶体管的高驱动电流，需要具备以下条件:高迁移率半导体、低S/D接触电阻和低缺陷状态下的高栅极介电容量。对于S/D电极，研究者之前开发的PEDOT:PSS受到电荷注入不良的影响，与不可拉伸的金属电极相比，导致场效应迁移率大幅下降。
研究者观察到，由于适当保持电荷注入，具有金属界面层的碳纳米管网络电极获得了与金属电极相似的接触电阻值。以前对M-CNT电极进行图像化的方法依赖于使用阴影掩膜，其分辨率较差(通常为50 μm)。即使使用图案光刻胶进行M-CNT直接发射，研究者仍然无法实现平滑的边界和小的Lch。
为了解决这个问题，研究者开发了一种金属辅助剥离工艺，用于M-CNT接触电极的图像化。简而言之，该工艺涉及堆叠聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/铜(Cu)结构的图图化，然后通过喷涂沉积M-CNT(图2e)。由于金属层辅助升空工艺产生了尖锐的边缘，因此可以实现约0.9 μm的Lch(图2f)。
图3. 高性能本质可拉伸晶体管阵列的电学和机械特性
为了实现本质上可拉伸的晶体管阵列，研究者首先在刚性支撑Si/SiO2晶圆上制备了一层薄的交联SEBS薄膜作为衬底，该衬底上涂有右旋糖酐牺牲层。然后依次制备栅极(PEDOT:PSS/PR)、介电(NBR/SEBS)、S/D电极(M-CNT/Pd)、沟道(S-CNT)和封装(SBS)。由于合理地设计了各层的耐溶剂性，使得晶体管的电性能在所有加工过程中都得到了很好的保持。
接下来，研究者制作了一个包含10,082个(142 × 71)晶体管的大型晶体管阵列(图3a)，Wch/Lch为100 μm/20 μm，以评估器件的良率和均匀性。结果表明，10018个晶体管的最大漏极电流(Imax)大于3 μA (Vds =−3V, Vgs =−8V)，漏极通断比大于500(图3b)。
整体器件良率达到99.37%，这是迄今为止固有可拉伸晶体管的最高良率。研究者注意到，少数失效的晶体管显示出高栅极泄漏，这是由于在使用的非洁净室环境中制造过程中的颗粒污染造成的。如果在商业生产设施中进行，研究者预计整个设备的良率将得到改善。此外，晶体管在Imax、电流通断比和阈值电压方面均表现出良好的均匀性(图3c)。
接下来，研究者制作了迄今为止报道的最小的内在可拉伸伪e和伪d逆变器。选择这两种电路拓扑结构是为了增强噪声裕度并允许制造后调谐。研究者注意到，整体面积约为0.03 mm2，是迄今为止报道的最小可拉伸逆变器面积的五分之一。研究者的逆变器可以在±5 V至±2 V的低电源电压下工作，迟滞小(图4a)，并且具有良好的机械稳健性，高达100%应变。
为了提高集成密度和规模，必须最小化互连电阻，从而实现电路中的高晶体管电流。根据图4b的分析，对于超过500个晶体管的集成，互连片电阻应小于1Ω sq−1(图4b)。与M-CNT相比，EGaIn互连在长互连中可以更好地保持稳定的晶体管电流。除此之外，EGaIn还没有从互连扩散到S/D电极，从而在设备制造超过18个月后降低接触性能。
研究者制作了一个晶体管矩阵(图4c)，其密度为每平方厘米100,000个晶体管，其中矩阵中的所有晶体管都可以通过控制字(栅极)线和位(漏极)线(图4d)单独寻址，具有与隔离器件相似的性能(图4e)。除了有源矩阵，研究者还制作了一个527级环形振荡器，由1056个晶体管和528个零电压负载逆变器组成，面积约为0.28 cm2(图4f,g)，在Vdd为10 V的情况下，可以产生振荡频率(fO)为176 Hz的信号(图4h)。集成晶体管和逻辑门的数量都比之前的报道高出20倍以上，据研究者所知，这是第一次实现大规模的本质可拉伸集成电路(图4i)。
图5. 高分辨率固有可拉伸有源矩阵触觉传感和LED显示
最后，为了演示研究者的可拉伸晶体管阵列(现在具有高器件密度，快速运行速度和高驱动电流)的实际应用，研究者继续构建一个高分辨率盲文传感阵列和LED矩阵显示器，它使用研究者的晶体管访问和驱动单个像素。
得益于高拉伸性和小面积，研究者的有源矩阵传感器阵列(10 × 20像素)可以保形粘附在人的手指上(图5a,b)。当触觉传感器上的加载压力达到20 kPa左右时，同一像素内的接入晶体管的离子将从低于1 nA增加到高于1µA(图5c,d)。大离子响应和小像素尺寸(200µm)使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，位置和尺寸(小至1mm)的能力(图5e,f)。
研究者注意到，据研究者所知，研究者在可拉伸电子设备中实现的创纪录的高传感密度(每平方厘米2500个单位)现在已经超过了人类指尖的机械受体密度10倍以上(图5)。因此，这使得盲文识别的分辨率甚至比人类的手指还要高。现在，这个传感阵列的面积只有8平方毫米，可以读取整个单词，而不是单个字母，而是多个字母。
综上所述，研究者通过合理的材料设计和制备，加工和器件工程，研究者实现了具有前所未有性能的内在可拉伸皮肤集成电路的里程碑。据研究者所知，研究者实现了创纪录的高晶体管阵列密度，具有良好的机械稳健性，高良率和高驱动能力。
具体来说，研究者实现了一个具有1000多个晶体管的大规模内在可拉伸集成电路，并将级开关频率提高到兆赫兹区域。研究者合理的材料选择，界面工程和工艺设计允许最小化晶体管通道长度，同时减少寄生电容和互连电阻。最后，研究者的内在可拉伸晶体管阵列被用来演示(1)高分辨率盲文识别和小物体的形状感知，超越了人类皮肤的能力;(2)具有60hz刷新率且变形下性能稳定的LED显示屏。
研究者的高性能内在可伸缩电子产品是实现未来实际皮肤应用的各种功能的关键组成部分，例如，生理信号的高频采集，本地放大器阵列，皮肤计算，显示和闭环驱动。
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
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