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鲍哲南院士,最新Nature

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2024-03-15 10:11:39

大规模、高密度类肤集成线路,性能已经超越人类皮肤。


与人体紧密融合的类皮肤电子装置,旨在提供舒适、广泛覆盖且高保真度的生理监控、实时健康状态分析、针对性治疗、假肢传感及运动功能恢复和增强现实体验。为了保证这些装置的贴合度和伸缩性,研究者探索了三种主要技术路径:(1)结构设计技术,例如引入弯曲、褶皱或剪纸(kirigami)结构;(2)通过调整有源元件与可伸缩导体间的刚度来实现弹性设计;(3)发展可拉伸电子器件。特别地,可拉伸电子器件以其在动态活动和尺寸变化条件下能够保持与人体组织紧密结合的独特优势,成为人机互动、可穿戴设备和植入设备的理想选择。为了实现类皮肤电子设备所需的高级传感、数据处理和动力驱动功能,关键在于开发高性能的可拉伸电子器件晶体管和大规模集成电路。然而,目前技术在电气性能上仅能达到非晶硅的水平,面临集成度低、功能限制的挑战。


在此,斯坦福大学鲍哲南院士团队报告了具有高驱动能力、高运行速度和大规模集成的高密度可拉伸晶体管和集成电路。此可拉伸晶体管在100% 应变条件下的平均场效应迁移率超过 20 cm² V⁻¹ s⁻¹,器件密度为每平方厘米 100,000 个晶体管(包括互连器件),在 5 V 电源电压下的高驱动电流约为 2 μA μm⁻¹。此外,在本征可拉伸电子器件中,首次实现了拥有1000多个晶体管、阶段开关频率超过 1 MHz 的大规模集成电路。此外,作者还展示了一种高通量盲文识别系统,它超越了人类皮肤的感应能力。上述设备性能的进步大大提高了类肤电子设备的能力。相关成果以「High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits」为题发表在Nature上,第一作者为Donglai Zhong,Can Wu, Yuanwen Jiang为共同一作。


鲍哲南院士,最新Nature


作者在材料、制造工艺、器件工程和电路设计等方面进行了创新,从而实现了具有高电驱动能力和高速运行的本征可拉伸电子器件,以及具有高晶体管密度的大规模电路集成(图 1b-e)。该晶体管器件采用了高迁移率沟道材料(高纯度半导体碳纳米管(S-CNT))、低接触电阻源极-漏极(S/D)电极(金属 CNT/钯、M-CNT/钯)、高κ弹性电介质(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(聚苯乙烯磺酸盐))、低接触电阻源极-漏极(S/D)和高κ弹性电介质(丁腈橡胶(NBR)):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS))和高导电性可拉伸互连器件(共晶镓铟合金(EGaIn))。在 20 μm 沟道长度(Lch)条件下,一批 10082 个晶体管的器件良率超过 99.3%;在 Lch = 100 μm 条件下,100% 应变下的电荷载流子迁移率大于 20 cm² V⁻¹ s⁻¹;包括互连器件在内,晶体管密度达到创纪录的 100,000 cm⁻²。在高密度晶体管阵列的基础上,作者着手制造了一个由 1,056 个晶体管和 528 个逻辑门组成的 527 级环形振荡器。这是首次实现本征可拉伸电子器件的大规模集成,即超过 100 个逻辑门。此外,由于减少了寄生电容和电阻,作者进一步实现了创纪录的高速运行,阶段开关速度超过 1 MHz。由于采用了高精度制造方法,作者的有源矩阵触觉传感器阵列的传感密度达到了创纪录的每平方厘米2,500个单位,从而使作者能够开发出一种高通量盲文识别概念,其能力超过了人体皮肤。此外,晶体管阵列还具有高驱动能力和低延迟特性,可动态驱动刷新率高达 60 Hz 的发光二极管(LED)阵列,同时还具有出色的机械坚固性。


可拉伸的高性能类肤电子产品

图 1:可拉伸的高性能类肤电子产品


首先,作者讨论了材料选择、器件结构和制造工艺的原理。在 S/D 电极方面,作者开发了一种金属辅助掀离工艺,用于 M-CNT 接触电极的图案化。该工艺包括对堆叠的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)/铜(Cu)结构进行图案化,然后通过喷涂沉积 M-CNT (图 2e)。利用光刻技术和氧等离子刻蚀技术,紫外交联 PEDOT:PSS/PR 薄膜可被图案化成小至约 0.8 μm 的栅极长度(图 2g)。作者引入了 EGaIn 作为全局互连器件,从而大大降低了片电阻,约为 0.2 Ω sq⁻¹,并可通过改进的升华工艺成功图案化至约 2 μm 宽度(图 2h)。


高迁移率半导体是实现晶体管和集成电路高驱动能力的关键。作者首先将 S-CNT 沉积到右旋糖酐薄膜上,然后用聚合物涂层支撑薄膜,再将其转移到聚合物电介质上(图 2k)。由此产生的底栅晶体管显示出小于 0.1 V 的小滞后和约 10⁵ 的高导通比。使用带有金(Au)接触电极的底栅结构测量到的饱和载流子迁移率在 Lch 为 100 μm 时达到约 30 cm² V⁻¹ s⁻¹(图 2l)。


基于光刻的本质可拉伸电路的制造工艺

图 2:基于光刻的本质可拉伸电路的制造工艺


接下来,作者制作了一个包含10082 个(142 × 71)晶体管的大型晶体管阵列(图 3a)。根据这些晶体管测得的转移曲线,10,018 个晶体管的最大漏极电流(Imax)高于 3 μA,漏极电流通断比高于500(图 3b)。该批器件的总体良率达到 99.37%,创下了迄今为止本征可拉伸晶体管的最高纪录。此外,所有晶体管在 Imax、电流通断比和阈值电压方面都表现出良好的一致性(图 3c)。晶体管阵列在应变条件下表现出明显的韧性,即使在平行或垂直于电荷传输方向的 100% 应变 (ε)条件下,也没有观察到裂纹或分层(图 3d)。当沿传输方向拉伸时,晶体管显示出稳定的电特性(图 3e),因此,此可拉伸晶体管表现出极佳的机械耐久性。


利用上述高分辨率图案化工艺,作者成功地将单个晶体管面积缩小到约 288 μm² ,Wch/Lch  为 12 μm/2 μm,并将晶体管堆积密度提高到每平方厘米 200000 个晶体管。此晶体管具有约 0.1 V 的小扫描滞后、约 10⁵ 的高电流通断比、每分位 0.36 V 的阈下摆动 (SS) (图 3f)和 27.5 μA 的最大电流(图 3g)。


高性能本征可拉伸晶体管阵列的电气和机械特性

图 3:高性能本征可拉伸晶体管阵列的电气和机械特性


接下来,作者制造出了迄今为止最小的本征可拉伸伪 E 和伪 D 逆变器。作者的逆变器可在 ±5 V 至 ±2 V 的低电源电压下工作,滞后较小(图 4a),并在高达 100% 应变时表现出良好的机械稳健性。作者制作了一个晶体管矩阵(图 4c),密度为每平方厘米 100,000 个晶体管,矩阵中的所有晶体管都可以通过控制字(栅极)线和位(漏极)线单独寻址(图 4d),性能与孤立器件相似(图 4e)。除了有源矩阵外,作者还在约 0.28 平方厘米的面积上制作了一个 527 级环形振荡器,由 1,056 个晶体管和 528 个零 Vgs 负载反相器组成(图 4f、g),在 10 V 电压下可产生振荡频率 (fO) 为 176 Hz 的信号(图 4h)。与之前的报告相比,集成晶体管和逻辑门的数量都增加了 20 多倍,据作者所知,首次实现了大规模本征可拉伸集成电路(图 4i)。


本质上可拉伸的高速大规模集成电路

图4:本质上可拉伸的高速大规模集成电路


最后,为了展示可拉伸晶体管阵列的实际应用,作者着手制作了一个高分辨率盲文传感阵列和一个LED 矩阵显示器,利用晶体管访问和驱动单个像素。得益于高伸展性和小面积,此有源矩阵传感器阵列(10 × 20 像素)可以贴合人的手指(图 5a,b)。一旦触觉传感器上的加载压力达到约 20 kPa,同一像素中接入晶体管的离子将从低于 1 nA 增加到高于 1 µA(图 5c、d)。较大的离子响应和较小的像素尺寸(200 微米)实现了对微小物体的精确映射,以及识别形状、方向、位置和大小的能力(图 5e、f)。此器件在可拉伸电子器件中实现的创纪录的高传感密度现已超过人类指尖机械受体密度的 10 倍以上图 5g)。因此,盲文识别的分辨率比人类手指还要精细。通过这种面积仅为 8 平方毫米的传感阵列,现在可以读取的不是单个字母而是多个字母,而是整个单词(图 5h)。


接下来,作者驱动一个 LED 显示系统(图 5i),其中每个 LED 都由一个内在可拉伸晶体管单独驱动,作者制造的系统以高于 60 Hz 的刷新率成功显示了不同的数字、字母和符号(图 5j)。即使在扭曲或拉伸等大变形情况下,晶体管阵列仍能正常驱动 LED 显示屏,即保持恒定的驱动电流,从而实现稳定的 LED 亮度。


高分辨率本质可拉伸有源矩阵触觉传感和 LED 显示屏

图 5:高分辨率本质可拉伸有源矩阵触觉传感和 LED 显示屏


总之,通过合理的材料设计与制备、加工和器件工程,作者实现了具有前所未有性能的本征可拉伸类肤集成电路的里程碑。据作者所知,作者实现了创纪录的高晶体管阵列密度、良好的机械稳健性、高产量和高驱动能力。具体地说,本文实现了拥有1,000 多个晶体管的大规模本征可拉伸集成电路,并将分级开关频率推高至兆赫兹级。通过合理选择材料、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。最后,作者利用本征可拉伸晶体管阵列演示了:(1) 高分辨率盲文识别和小物体形状感应,其能力超过了人类皮肤;(2) 刷新率为 60 Hz 的 LED 显示器,在变形情况下性能稳定。此高性能本征可拉伸电子器件是实现未来实际皮肤应用中各种功能的关键构件,例如高频采集生理信号、本地放大器阵列、皮肤计算、显示和闭环驱动。


论文链接:

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



来源:高分子科学前沿,爱科会易仅用于学术交流。

大规模、高密度类肤集成线路,性能已经超越人类皮肤。


与人体紧密融合的类皮肤电子装置,旨在提供舒适、广泛覆盖且高保真度的生理监控、实时健康状态分析、针对性治疗、假肢传感及运动功能恢复和增强现实体验。为了保证这些装置的贴合度和伸缩性,研究者探索了三种主要技术路径:(1)结构设计技术,例如引入弯曲、褶皱或剪纸(kirigami)结构;(2)通过调整有源元件与可伸缩导体间的刚度来实现弹性设计;(3)发展可拉伸电子器件。特别地,可拉伸电子器件以其在动态活动和尺寸变化条件下能够保持与人体组织紧密结合的独特优势,成为人机互动、可穿戴设备和植入设备的理想选择。为了实现类皮肤电子设备所需的高级传感、数据处理和动力驱动功能,关键在于开发高性能的可拉伸电子器件晶体管和大规模集成电路。然而,目前技术在电气性能上仅能达到非晶硅的水平,面临集成度低、功能限制的挑战。


在此,斯坦福大学鲍哲南院士团队报告了具有高驱动能力、高运行速度和大规模集成的高密度可拉伸晶体管和集成电路。此可拉伸晶体管在100% 应变条件下的平均场效应迁移率超过 20 cm² V⁻¹ s⁻¹,器件密度为每平方厘米 100,000 个晶体管(包括互连器件),在 5 V 电源电压下的高驱动电流约为 2 μA μm⁻¹。此外,在本征可拉伸电子器件中,首次实现了拥有1000多个晶体管、阶段开关频率超过 1 MHz 的大规模集成电路。此外,作者还展示了一种高通量盲文识别系统,它超越了人类皮肤的感应能力。上述设备性能的进步大大提高了类肤电子设备的能力。相关成果以「High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits」为题发表在Nature上,第一作者为Donglai Zhong,Can Wu, Yuanwen Jiang为共同一作。


鲍哲南院士,最新Nature


作者在材料、制造工艺、器件工程和电路设计等方面进行了创新,从而实现了具有高电驱动能力和高速运行的本征可拉伸电子器件,以及具有高晶体管密度的大规模电路集成(图 1b-e)。该晶体管器件采用了高迁移率沟道材料(高纯度半导体碳纳米管(S-CNT))、低接触电阻源极-漏极(S/D)电极(金属 CNT/钯、M-CNT/钯)、高κ弹性电介质(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(聚苯乙烯磺酸盐))、低接触电阻源极-漏极(S/D)和高κ弹性电介质(丁腈橡胶(NBR)):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS))和高导电性可拉伸互连器件(共晶镓铟合金(EGaIn))。在 20 μm 沟道长度(Lch)条件下,一批 10082 个晶体管的器件良率超过 99.3%;在 Lch = 100 μm 条件下,100% 应变下的电荷载流子迁移率大于 20 cm² V⁻¹ s⁻¹;包括互连器件在内,晶体管密度达到创纪录的 100,000 cm⁻²。在高密度晶体管阵列的基础上,作者着手制造了一个由 1,056 个晶体管和 528 个逻辑门组成的 527 级环形振荡器。这是首次实现本征可拉伸电子器件的大规模集成,即超过 100 个逻辑门。此外,由于减少了寄生电容和电阻,作者进一步实现了创纪录的高速运行,阶段开关速度超过 1 MHz。由于采用了高精度制造方法,作者的有源矩阵触觉传感器阵列的传感密度达到了创纪录的每平方厘米2,500个单位,从而使作者能够开发出一种高通量盲文识别概念,其能力超过了人体皮肤。此外,晶体管阵列还具有高驱动能力和低延迟特性,可动态驱动刷新率高达 60 Hz 的发光二极管(LED)阵列,同时还具有出色的机械坚固性。


可拉伸的高性能类肤电子产品

图 1:可拉伸的高性能类肤电子产品


首先,作者讨论了材料选择、器件结构和制造工艺的原理。在 S/D 电极方面,作者开发了一种金属辅助掀离工艺,用于 M-CNT 接触电极的图案化。该工艺包括对堆叠的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)/铜(Cu)结构进行图案化,然后通过喷涂沉积 M-CNT (图 2e)。利用光刻技术和氧等离子刻蚀技术,紫外交联 PEDOT:PSS/PR 薄膜可被图案化成小至约 0.8 μm 的栅极长度(图 2g)。作者引入了 EGaIn 作为全局互连器件,从而大大降低了片电阻,约为 0.2 Ω sq⁻¹,并可通过改进的升华工艺成功图案化至约 2 μm 宽度(图 2h)。


高迁移率半导体是实现晶体管和集成电路高驱动能力的关键。作者首先将 S-CNT 沉积到右旋糖酐薄膜上,然后用聚合物涂层支撑薄膜,再将其转移到聚合物电介质上(图 2k)。由此产生的底栅晶体管显示出小于 0.1 V 的小滞后和约 10⁵ 的高导通比。使用带有金(Au)接触电极的底栅结构测量到的饱和载流子迁移率在 Lch 为 100 μm 时达到约 30 cm² V⁻¹ s⁻¹(图 2l)。


基于光刻的本质可拉伸电路的制造工艺

图 2:基于光刻的本质可拉伸电路的制造工艺


接下来,作者制作了一个包含10082 个(142 × 71)晶体管的大型晶体管阵列(图 3a)。根据这些晶体管测得的转移曲线,10,018 个晶体管的最大漏极电流(Imax)高于 3 μA,漏极电流通断比高于500(图 3b)。该批器件的总体良率达到 99.37%,创下了迄今为止本征可拉伸晶体管的最高纪录。此外,所有晶体管在 Imax、电流通断比和阈值电压方面都表现出良好的一致性(图 3c)。晶体管阵列在应变条件下表现出明显的韧性,即使在平行或垂直于电荷传输方向的 100% 应变 (ε)条件下,也没有观察到裂纹或分层(图 3d)。当沿传输方向拉伸时,晶体管显示出稳定的电特性(图 3e),因此,此可拉伸晶体管表现出极佳的机械耐久性。


利用上述高分辨率图案化工艺,作者成功地将单个晶体管面积缩小到约 288 μm² ,Wch/Lch  为 12 μm/2 μm,并将晶体管堆积密度提高到每平方厘米 200000 个晶体管。此晶体管具有约 0.1 V 的小扫描滞后、约 10⁵ 的高电流通断比、每分位 0.36 V 的阈下摆动 (SS) (图 3f)和 27.5 μA 的最大电流(图 3g)。


高性能本征可拉伸晶体管阵列的电气和机械特性

图 3:高性能本征可拉伸晶体管阵列的电气和机械特性


接下来,作者制造出了迄今为止最小的本征可拉伸伪 E 和伪 D 逆变器。作者的逆变器可在 ±5 V 至 ±2 V 的低电源电压下工作,滞后较小(图 4a),并在高达 100% 应变时表现出良好的机械稳健性。作者制作了一个晶体管矩阵(图 4c),密度为每平方厘米 100,000 个晶体管,矩阵中的所有晶体管都可以通过控制字(栅极)线和位(漏极)线单独寻址(图 4d),性能与孤立器件相似(图 4e)。除了有源矩阵外,作者还在约 0.28 平方厘米的面积上制作了一个 527 级环形振荡器,由 1,056 个晶体管和 528 个零 Vgs 负载反相器组成(图 4f、g),在 10 V 电压下可产生振荡频率 (fO) 为 176 Hz 的信号(图 4h)。与之前的报告相比,集成晶体管和逻辑门的数量都增加了 20 多倍,据作者所知,首次实现了大规模本征可拉伸集成电路(图 4i)。


本质上可拉伸的高速大规模集成电路

图4:本质上可拉伸的高速大规模集成电路


最后,为了展示可拉伸晶体管阵列的实际应用,作者着手制作了一个高分辨率盲文传感阵列和一个LED 矩阵显示器,利用晶体管访问和驱动单个像素。得益于高伸展性和小面积,此有源矩阵传感器阵列(10 × 20 像素)可以贴合人的手指(图 5a,b)。一旦触觉传感器上的加载压力达到约 20 kPa,同一像素中接入晶体管的离子将从低于 1 nA 增加到高于 1 µA(图 5c、d)。较大的离子响应和较小的像素尺寸(200 微米)实现了对微小物体的精确映射,以及识别形状、方向、位置和大小的能力(图 5e、f)。此器件在可拉伸电子器件中实现的创纪录的高传感密度现已超过人类指尖机械受体密度的 10 倍以上图 5g)。因此,盲文识别的分辨率比人类手指还要精细。通过这种面积仅为 8 平方毫米的传感阵列,现在可以读取的不是单个字母而是多个字母,而是整个单词(图 5h)。


接下来,作者驱动一个 LED 显示系统(图 5i),其中每个 LED 都由一个内在可拉伸晶体管单独驱动,作者制造的系统以高于 60 Hz 的刷新率成功显示了不同的数字、字母和符号(图 5j)。即使在扭曲或拉伸等大变形情况下,晶体管阵列仍能正常驱动 LED 显示屏,即保持恒定的驱动电流,从而实现稳定的 LED 亮度。


高分辨率本质可拉伸有源矩阵触觉传感和 LED 显示屏

图 5:高分辨率本质可拉伸有源矩阵触觉传感和 LED 显示屏


总之,通过合理的材料设计与制备、加工和器件工程,作者实现了具有前所未有性能的本征可拉伸类肤集成电路的里程碑。据作者所知,作者实现了创纪录的高晶体管阵列密度、良好的机械稳健性、高产量和高驱动能力。具体地说,本文实现了拥有1,000 多个晶体管的大规模本征可拉伸集成电路,并将分级开关频率推高至兆赫兹级。通过合理选择材料、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。最后,作者利用本征可拉伸晶体管阵列演示了:(1) 高分辨率盲文识别和小物体形状感应,其能力超过了人类皮肤;(2) 刷新率为 60 Hz 的 LED 显示器,在变形情况下性能稳定。此高性能本征可拉伸电子器件是实现未来实际皮肤应用中各种功能的关键构件,例如高频采集生理信号、本地放大器阵列、皮肤计算、显示和闭环驱动。


论文链接:

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



来源:高分子科学前沿,爱科会易仅用于学术交流。