鮑哲南團隊最新Nature！

具有皮膚機械特性的本征可拉伸電子設備，已經被確定為新興應用的有前途的平臺，有望實現舒適、大規模和高保真的生理監測、健康狀況的實時分析、局部治療、假肢的感覺運動功能重建和增強現實。為了實現器件的一致性和可拉伸性，目前有三種不同的方法被研究出來：(1)結構工程，如屈曲結構，褶皺結構或kirigami結構；(2)可拉伸導線連接有源元件剛度工程；(3)本征可拉伸的電子學。其中，本征可拉伸的電子產品具有即使在運動和尺寸變化時也能與組織緊密接觸的獨特優勢，是成為人機界面，可穿戴和可植入的理想平臺。為了實現先進的類皮膚電子器件所需的傳感、處理和驅動功能，需要高性能的內在可拉伸晶體管和大規模集成電路。為了實現這一目標，通過材料創新和設備工程，已經做出了大量努力來開發可拉伸電子產品。但是在實現高空間分辨率和電氣性能方面仍然存在挑戰。盡管最近在材料設計方面的嘗試實現了可直接光刻的導體、半導體和介電層，以及器件密度的提高，但可拉伸器件的電性能仍然比大多數柔性薄膜器件低幾個數量級，特別是在短通道長度，因為半導體載流子遷移率低，金屬半導體接觸電阻高。在電路層面，迄今為止利用本征可拉伸材料實現的最大集成具有54個晶體管和14個邏輯門。此外，目前報道的最高運行速度僅為330 Hz，遠低于實際應用要求(例如，>10 kHz的顯示驅動，信號調節或生理監測應用)。因此，目前的類皮膚電子設備只能實現基本功能，比如用有限數量的輸出端子來處理緩慢的信號。目前的技術只能達到非晶硅水平的電性能(電荷載流子遷移率約為1 cm² V^?1s^?1)，低集成規模(例如，每個電路54個晶體管)和有限的功能。

近日，美國斯坦福大學鮑哲南研究團隊在Nature上發表了題為“High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”的文章，該項研究報道了具有高驅動能力、高運算速度和大規模集成的高密度、本征可拉伸的晶體管和集成電路。它們是由材料、制造工藝設計、設備工程和電路設計方面的創新組合而成。本征可拉伸晶體管在100%應變下的平均場效應遷移率超過20 cm² V^?1s^?1，器件密度為每平方厘米 100000個晶體管，包括互連和在5 V電源電壓下約2 μAμm^?1的高驅動電流。這些參數與基于金屬氧化物、碳納米管和多晶硅材料在塑料基板上的最先進柔性晶體管相當。該項研究首次在本征可拉伸電子器件中實現了具有超過1000個晶體管和大于1 MHz級切換頻率的大規模集成電路。此外，該項研究展示了一種超越人類皮膚感知能力的高通量盲文識別系統，該系統主要由具有創紀錄的每平方厘米2500個單位的高密度有源矩陣觸覺傳感器陣列和具有60 Hz高刷新速度和出色機械魯棒性的發光二極管顯示器實現。器件性能的上述進步大大增強了類皮膚電子器件的能力。

圖1本征可拉伸高性能類皮膚電子產品? 2024 Springer Nature

圖2基于光刻技術的本征可拉伸電路制造工藝? 2024 Springer Nature

圖3高性能本征可拉伸晶體管陣列的電氣和機械特性? 2024 Springer Nature

圖4本征可拉伸、高速和大規模集成電路? 2024 Springer Nature

圖5高分辨率本征可拉伸有源矩陣觸覺傳感和LED顯示? 2024 Springer Nature

通過合理的材料設計和制備，加工和器件工程，該項研究實現了具有1000多個晶體管的大規模本征可拉伸集成電路，并將級切換頻率提高到兆赫茲區域，實現了創紀錄的高晶體管陣列密度、良好的機械穩健性、高良率和高驅動能力，具有前所未有性能的本征可拉伸皮膚集成電路的里程碑意義。合理的材料選擇、界面工程和工藝設計，最大限度地減少了晶體管溝道長度，同時降低了寄生電容和互連電阻。該項研究設計的本征可拉伸晶體管陣列被用來演示(1)高分辨率盲文識別和小物體的形狀感知，超越了人類皮膚的能力；(2)具有60 Hz刷新率且變形下性能穩定的LED顯示屏。該項研究設計的高性能本征可拉伸電子產品是實現未來實際皮膚應用中各種功能的關鍵組成部分，例如，生理信號的高頻采集、本地放大器陣列、皮膚計算、顯示和閉環驅動。

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