鲍哲南团队最新Nature！

具有皮肤机械特性的本征可拉伸电子设备，已经被确定为新兴应用的有前途的平台，有望实现舒适、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，目前有三种不同的方法被研究出来：(1)结构工程，如屈曲结构，褶皱结构或kirigami结构；(2)可拉伸导线连接有源元件刚度工程；(3)本征可拉伸的电子学。其中，本征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，是成为人机界面，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。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。但是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实现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，因为半导体载流子迁移率低，金属半导体接触电阻高。在电路层面，迄今为止利用本征可拉伸材料实现的最大集成具有54个晶体管和14个逻辑门。此外，目前报道的最高运行速度仅为330 Hz，远低于实际应用要求(例如，>10 kHz的显示驱动，信号调节或生理监测应用)。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。目前的技术只能达到非晶硅水平的电性能(电荷载流子迁移率约为1 cm²V⁻¹s⁻¹)，低集成规模(例如，每个电路54个晶体管)和有限的功能。

近日，美国斯坦福大学鲍哲南研究团队在Nature上发表了题为“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”的文章，该项研究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、本征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。本征可拉伸晶体管在100%应变下的平均场效应迁移率超过20 cm²V⁻¹s⁻¹，器件密度为每平方厘米 100000个晶体管，包括互连和在5 V电源电压下约2 μAμm⁻¹的高驱动电流。这些参数与基于金属氧化物、碳纳米管和多晶硅材料在塑料基板上的最先进柔性晶体管相当。该项研究首次在本征可拉伸电子器件中实现了具有超过1000个晶体管和大于1 MHz级切换频率的大规模集成电路。此外，该项研究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，该系统主要由具有创纪录的每平方厘米2500个单位的高密度有源矩阵触觉传感器阵列和具有60 Hz高刷新速度和出色机械鲁棒性的发光二极管显示器实现。器件性能的上述进步大大增强了类皮肤电子器件的能力。

图1本征可拉伸高性能类皮肤电子产品© 2024 Springer Nature

图2基于光刻技术的本征可拉伸电路制造工艺© 2024 Springer Nature

图3高性能本征可拉伸晶体管阵列的电气和机械特性© 2024 Springer Nature

图4本征可拉伸、高速和大规模集成电路© 2024 Springer Nature

图5高分辨率本征可拉伸有源矩阵触觉传感和LED显示© 2024 Springer Nature

通过合理的材料设计和制备，加工和器件工程，该项研究实现了具有1000多个晶体管的大规模本征可拉伸集成电路，并将级切换频率提高到兆赫兹区域，实现了创纪录的高晶体管阵列密度、良好的机械稳健性、高良率和高驱动能力，具有前所未有性能的本征可拉伸皮肤集成电路的里程碑意义。合理的材料选择、界面工程和工艺设计，最大限度地减少了晶体管沟道长度，同时降低了寄生电容和互连电阻。该项研究设计的本征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60 Hz刷新率且变形下性能稳定的LED显示屏。该项研究设计的高性能本征可拉伸电子产品是实现未来实际皮肤应用中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。

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