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題。通過創(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。
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2詳細(xì)展示了本征可拉伸電子器件的光刻制造過程,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)。
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(見圖3a)。每個(gè)晶體管的Wch/Lch為100μm/20μm。通過測(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,漏極電流開關(guān)比超過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。
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,通過分析得知,互連的片電阻應(yīng)小于1Ω/sq,以實(shí)現(xiàn)超過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,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5展示了高分辨率的本征可拉伸主動(dòng)矩陣觸覺感知和LED顯示系統(tǒng)。首先,通過構(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)。
總的來說,通過合理的材料設(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。
具體來說,研究者實(shí)現(xiàn)了一個(gè)超過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。