研究背景

可拉伸電子器件因其皮膚般的機械性能被認定為有前景的平臺。然而，現有技術在電性能、集成規模和功能性上存在一定局限性，主要表現為僅能達到非晶硅水平的電性能、低集成規模和有限的功能性。對于這些問題，鮑哲南院士團隊一直致力于該領域的研究，以尋找新的解決方案，推動本征可拉伸電子器件的性能和應用水平。團隊通過在材料、制造工藝設計、器件工程和電路設計等方面進行創新，努力克服當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，追求高驅動能力、高運行速度和大規模集成，以滿足對先進皮膚般電子器件的高性能要求。
今日，團隊的最新成果以題為“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”在Nature發表 。該研究解決了本征可拉伸電子器件在電性能、集成規模和功能性方面的問題。通過創新的手段，他們成功實現了高密度、本征可拉伸的晶體管和集成電路，具備高驅動能力、高運行速度和大規模集成的特性。這些創新在克服了當前本征可拉伸電子器件的局限性的同時，為其在生理監測、健康分析、醫療治療等領域的應用提供了更為廣泛和強大的可能性。    

研究內容

圖1展示了本征可拉伸、高性能類皮膚電子器件的關鍵部分和性能結果，這些器件包括本征可拉伸晶體管和集成電路。研究者旨在實現這些器件的先進功能，包括感知、處理和驅動功能。

圖1a概述了本征可拉伸晶體管和電路在電子皮膚應用中的中心作用，并強調了高性能的要求。圖1b是高性能本征可拉伸電子器件的三維結構圖，展示了可拉伸基底、柵電極、柵介電層、源/漏電極、半導體、通道封裝、跳線介電層、頂電極（互連）和頂封裝等關鍵組成部分。這一結構的創新設計為器件的高性能奠定了基礎。圖1c呈現了在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模電路集成方面取得的進展。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，每個方塊都是一個具有16個晶體管的三階環振蕩器。這突顯了器件的柔韌性和可拉伸性。圖1e展示了一個高密度晶體管陣列，附在一個白色芝麻種子上，具有1,000個晶體管在1mm²的指尖區域內。

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現了具有高晶體管密度的本征可拉伸電子器件，為實現先進功能奠定了基礎。

圖1. 本征可拉伸、高性能類皮膚電子器件。

圖2詳細展示了本征可拉伸電子器件的光刻制造過程，包括關鍵部件的材料選擇和器件結構設計。在圖2a-d部分呈現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顯微鏡圖像，呈現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結構，涵蓋了S-CNT、M-CNT/Pd、NBR、PEDOT:PSS等關鍵材料。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部分進一步細化了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模集成電路的成功制備。這些設計和結果為實現先進的皮膚般電子器件提供了關鍵支持，為未來醫療、健康監測和人機交互等領域的應用奠定了技術基礎。

圖2. 基于光刻工藝的本征可拉伸電路制造過程。

為了實現本征可拉伸的晶體管陣列，研究者制備了一個包含10,082個晶體管的大型陣列（見圖3a）。每個晶體管的Wch/Lch為100μm/20μm。通過測量這些晶體管的傳輸曲線，發現其中10,018個晶體管的最大漏極電流（Imax）都高于3μA，漏極電流開關比超過500，整體器件的產率達到了99.37%。

晶體管的失效主要歸因于制造過程中的顆粒污染。晶體管陣列展現出了良好的機械韌性，在拉伸時未觀察到裂縫或剝離，并在100%應變下保持穩定的電氣特性。在實驗中，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％），在應變釋放后略有下降。

通過使用高分辨率圖案化工藝，單個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到每cm2 200,000個晶體管。晶體管的性能指標，如漏極電流、漏極電流開關比和閾值電壓都表現出良好的均勻性。這些晶體管陣列的性能明顯優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。 

圖3.高性能本征可拉伸晶體管陣列的電氣和機械特性。

為了實現本征可拉伸的高速和大規模集成電路，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道的最小本征可拉伸偽E和偽D反相器，這兩種電路拓撲結構被選擇以增強噪聲裕度并允許后期調整。

這些反相器在低供電電壓下運行，表現出小的滯后特性，并在高達100%的應變下表現出優異的機械穩健性。為了提高集成密度和規模，他們致力于減小互連電阻，通過分析得知，互連的片電阻應小于1Ω/sq，以實現超過500個晶體管的集成。相較于M-CNT，EGaIn互連能更好地維持長互連中的晶體管電流。

此外，EGaIn在設備制造18個月后仍未從互連擴散到S/D電極中，維持了接觸性能。接下來，研究者制造了一個晶體管矩陣，密度為每cm² 100,000個晶體管，所有矩陣中的晶體管都可以通過控制字（柵）線和位（漏）線進行單獨尋址，并表現出與孤立器件相似的性能。

此外，他們還制造了一個由1,056個晶體管和528個零Vgs負載反相器組成的527級環形振蕩器，占地面積約為0.28cm²，可以在Vdd為10V時產生頻率為176Hz的信號。這兩個集成電路中的晶體管和邏輯門的數量均比以往報道的要高出20倍以上，達到了迄今為止首次實現的大規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，還由電路設計和寄生效應決定。為了評估速度性能，研究者制造了三級環形振蕩器，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，他們成功實現了三級環形振蕩器的高速運行，呈現出卓越的機械穩健性。    

圖4. 本征可拉伸、高速和大規模集成電路。

圖5展示了高分辨率的本征可拉伸主動矩陣觸覺感知和LED顯示系統。首先，通過構建主動矩陣傳感器陣列（AM-TS），利用研究者的可拉伸晶體管作為像素訪問和驅動器，實現了對微小對象的精確感知和形狀識別。

在AM-TS中，當觸覺傳感器受到約20kPa的壓力時，像素中的晶體管漏極電流從低于1nA增加到1µA以上，從而實現了對形狀、方向、位置和尺寸的精確映射。該傳感器陣列在2500個單位/cm²的感知密度方面取得了記錄，實現了比人手指更細致的盲文識別，為建立高分辨率觸覺感知系統奠定了基礎。

其次，研究者設計了一個LED顯示系統，其中每個LED由一個本征可拉伸晶體管進行獨立驅動。該系統具有較高的刷新率（超過60Hz）和穩定的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動電流，研究者成功地實現了對不同數字、字母和符號的高質量顯示。這兩個應用展示了本征可拉伸晶體管的多功能性和實用性，為實現高度靈活、高性能的可拉伸電子設備提供了重要的技術基礎。

圖5. 高分辨率本征可拉伸有源矩陣觸覺傳感和LED顯示。

總結展望

總的來說，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械穩健性、高產率和高驅動能力的同時，實現了創紀錄的晶體管陣列密度。

具體來說，研究者實現了一個超過1,000個晶體管的大規模本征可拉伸集成電路，并將級聯切換頻率提升到兆赫區域。研究者通過對材料的合理選擇、界面工程和工藝設計，實現了晶體管通道長度的最小化，以及寄生電容和互連電阻的降低。

最后，研究者運用可拉伸的晶體管陣列展示了兩項應用：（1）高分辨率的盲文識別和對小物體形狀的感知，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際在皮膚上應用的多功能關鍵組成部分，例如，高頻采集生理信號、局部放大器陣列、皮膚上計算、顯示和閉環執行等。