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鮑哲南院士最新 Nature:更小更快的大規(guī)模本征可伸縮集成電路

來(lái)源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-03-22
導(dǎo)讀:近日,斯坦福大學(xué)鮑哲南院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種本征可拉伸晶體管和集成電路,實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高晶體管陣列密度,具有良好的機(jī)械堅(jiān)固性、高產(chǎn)量和高驅(qū)動(dòng)能力。作者展示了擁有1000多個(gè)晶體管的大規(guī)模集成電路,并將分級(jí)開(kāi)關(guān)頻率推高到了兆赫級(jí)。通過(guò)合理選擇材料、界面工程和工藝設(shè)計(jì),最大限度地減少了晶體管溝道長(zhǎng)度,降低了寄生電容和互連電阻。這些本征可拉伸的晶體管在 100%應(yīng)變條件下顯示出超過(guò) 20 cm2 V-1 s-1的高場(chǎng)效應(yīng)遷移率、每平方厘米 100000個(gè)晶體管的器件密度,以及在 5 V電源電壓下約 2 A m-1的高驅(qū)動(dòng)電流。這是首次在本征上可拉伸的電子器件中實(shí)現(xiàn)了具有 1000 多個(gè)品體管和大 1 MHz 級(jí)開(kāi)關(guān)頻率的大規(guī)模集成電路。此外,他們還展示了一個(gè)高分辨率盲文識(shí)別系統(tǒng)和一個(gè)發(fā)光二極管顯示屏,其刷新速度高達(dá) 60 Hz,具有出色的機(jī)械堅(jiān)固性。文章鏈接DOI:10.1038/s41586-024-07096-7

正文

小型可穿戴或植入式電子設(shè)備可以幫助監(jiān)測(cè)人們的健康狀況,診斷疾病,并為自主治療提供機(jī)會(huì)。但是,為了在不加重或損壞周?chē)?xì)胞的情況下做到這一點(diǎn),這些電子設(shè)備不僅需要在移動(dòng)時(shí)與我們的組織一起彎曲和拉伸,而且還需要足夠柔軟,以免劃傷和損壞組織。但是目前的技術(shù)只能在非晶硅水平上達(dá)到電氣性能,集成規(guī)模有限,功能受限。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),收獲更多商業(yè)合作機(jī)會(huì)。

在這里,作者提出了一種新的皮膚集成電路設(shè)計(jì)和制造工藝,這種集成電路比早期版本小五倍,運(yùn)行速度高一千倍。作者證明,他們的軟集成電路現(xiàn)在能夠驅(qū)動(dòng)micro-LED屏幕,并檢測(cè)比人類(lèi)指尖更靈敏的盲文陣列。他們還利用了溶劑、碳納米管、聚合物和光刻膠等特定材料,并在研究中對(duì)這些材料進(jìn)行了表征。制作過(guò)程包括旋涂犧牲層、固化可拉伸基底、為晶體管和傳感器的各種材料繪制圖案,以及將制作好的器件轉(zhuǎn)移到基底上。

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(圖片來(lái)源:Nature

開(kāi)發(fā)先進(jìn)的類(lèi)膚電子器件核心是半導(dǎo)體碳納米管和軟彈性電子材料。雖然最近的材料創(chuàng)新提高了器件密度,但可拉伸器件的電氣性能仍低于柔性薄膜器件。在實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和電氣性能以及大規(guī)模電路集成和高速運(yùn)行方面仍然存在挑戰(zhàn)。作者提出了一種解決方案,即結(jié)合材料、制造工藝、器件工程和電路設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)具有高電氣驅(qū)動(dòng)能力的本征可拉伸電子器件和具有高晶體管密度的大規(guī)模電路集成。圖1展示了本征可拉伸的高性能類(lèi)膚電子元件的關(guān)鍵部分和性能結(jié)果。

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(圖片來(lái)源:Nature

作者團(tuán)隊(duì)利用半導(dǎo)體碳納米管和其他材料開(kāi)發(fā)出了一種高性能、可拉伸的晶體管器件。該器件具有高良品率、高電荷載流子遷移率、高晶體管密度和高歸一化跨導(dǎo)。圖2a-d展示的就是本征可拉伸電子器件的光刻制造過(guò)程。作者討論了在不增加器件面積或功耗的情況下實(shí)現(xiàn)晶體管高驅(qū)動(dòng)電流的要求。這需要高流動(dòng)性半導(dǎo)體、低 S/D 接觸電阻、高柵極介電電容和低缺陷狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),使用帶有金屬界面層的 CNT 網(wǎng)絡(luò)電極可獲得與金屬類(lèi)似的接觸電阻值。開(kāi)發(fā)了一種金屬輔助掀離工藝,用于將 M-CNT 接觸電極圖案化,由于金屬層輔助掀離工藝產(chǎn)生的銳利邊緣,該工藝可實(shí)現(xiàn)約 0.9 μm 的小 Lch。

作者的研究成果實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 100 個(gè)邏輯門(mén)的大規(guī)模集成,傳感密度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的每平方厘米 2,500 個(gè)單元,從而開(kāi)發(fā)出了高通量盲文識(shí)別概念。該晶體管陣列還能以 60 Hz 的快速刷新率驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管陣列,并具有出色的機(jī)械堅(jiān)固性。

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(圖片來(lái)源:Nature

作者為了制備本征可拉伸的晶體管,使用底部柵極結(jié)構(gòu)和拓?fù)涑肿咏宦?lián)劑交聯(lián) PEDOT:PSS。紫外交聯(lián) PEDOT:PSS/PR薄膜可以圖案化,使柵極長(zhǎng)度小至 0.8 μm。作者引入 EGaIn作為全局互連,可將片電阻降低到約 0.2 Ω sq-1,并將圖案化為約2 μm寬。

作者還開(kāi)發(fā)一種使用高κ彈性體丁腈橡膠直接光刻的工藝,該工藝可提供高柵介電容,用于安全高效的皮膚應(yīng)用。該工藝使用硫醇-烯反應(yīng)與 PETMP作為交聯(lián)劑,并使用一薄層低κ SEBS 彈性體來(lái)鈍化極性 NBR表面。即使在 100 kHz的頻率下,該介質(zhì)的等效 κ也高達(dá) 10以上,這對(duì)于高頻操作非常重要。

利用交聯(lián) SEBS薄膜作為基底,作者開(kāi)發(fā)出了本征可拉伸晶體管陣列。晶體管陣列由 10082個(gè)晶體管組成,器件良率高達(dá) 99.37%。晶體管在 Imax、電流通斷比和閾值電壓方面表現(xiàn)出良好的一致性。由于在各層中合理設(shè)計(jì)了溶劑電阻,晶體管的電氣性能在所有加工過(guò)程中都得以保持。

最終作者成功地將單個(gè)晶體管面積縮小到約 288 μm2Wch/Lch為 12 μm/2 μm,并將晶體管堆積密度提高到每平方厘米 200000個(gè)晶體管,比之前報(bào)道的本征可拉伸晶體管高出近五倍,同時(shí)在相同 Lch條件下,場(chǎng)效應(yīng)遷移率提高了 200多倍。

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(圖片來(lái)源:Nature

作者介紹了最小的本征可拉伸偽 E和偽 D逆變器的制造過(guò)程,這種逆變器具有良好的機(jī)械堅(jiān)固性,可在低電壓下工作。為了提高集成密度和規(guī)模,需要盡量減小互連電阻。作者還介紹了密度為每平方厘米 100000個(gè)晶體管的晶體管矩陣的制造過(guò)程,以及由 1056個(gè)晶體管和 528個(gè)零 Vgs負(fù)載逆變器組成的 527級(jí)環(huán)形振蕩器,這是首個(gè)大規(guī)模本征可拉伸集成電路。作者使用厚的低κ SBS 電介質(zhì)來(lái)降低寄生電容,并觀察到使用 M-CNT 作為中間層可將接觸電阻降低 85%。三級(jí)環(huán)形振蕩器的最大 fO 為 190 kHz,每級(jí)傳播延遲為 0.88 μs,比之前報(bào)道的本征可拉伸電路快三個(gè)數(shù)量級(jí)(圖 4i)。這些電路還表現(xiàn)出卓越的機(jī)械穩(wěn)健性,在拉伸測(cè)試中沒(méi)有形成裂縫。

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(圖片來(lái)源:Nature

作者利用可拉伸晶體管陣列開(kāi)發(fā)出了高分辨率盲文傳感陣列和 LED 矩陣顯示器。有源矩陣傳感器陣列可以貼在人的手指上,并能識(shí)別形狀、方向、位置和大小,其感應(yīng)密度超過(guò)了人的指尖機(jī)械感受器密度。晶體管陣列還能驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED 顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng) LED 的通斷比和導(dǎo)通電流。該系統(tǒng)成功地顯示了不同的數(shù)字、字母和符號(hào),刷新率高于 60 Hz,即使在大變形的情況下也是如此。


總結(jié)

鮑哲南院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高晶體管陣列密度、高機(jī)械堅(jiān)固性、高產(chǎn)量和高驅(qū)動(dòng)能力。鮑哲南院士表示:“她們已經(jīng)取得了重大飛躍。可拉伸集成電路現(xiàn)在第一次足夠小,足夠快,可以滿足許多應(yīng)用的需求,她們希望這可以使可穿戴傳感器和植入式神經(jīng)和腸道探針更加靈敏,操作更多的傳感器,并可能消耗更少的功率。[1]

該大規(guī)模集成電路擁有 1000多個(gè)晶體管,級(jí)聯(lián)開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到兆赫級(jí)。作者已經(jīng)展示了本征可拉伸晶體管陣列在高分辨率盲文識(shí)別和小物體形狀傳感方面的能力,其能力超過(guò)了人體皮膚,還展示了刷新率為 60 Hz 的 LED 顯示器,以及在變形情況下的穩(wěn)定性能。

這些電路在醫(yī)療領(lǐng)域的潛在應(yīng)用包括舒適、大規(guī)模和高保真生理監(jiān)測(cè)、健康狀況實(shí)時(shí)分析、局部性能、生理信號(hào)高頻采集、局部放大器陣列、皮膚計(jì)算和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。

文獻(xiàn)詳情:

Donglai Zhong, Can Wu, Yuanwen Jiang, Yujia Yuan, Min-gu Kim, Yuya Nishio, Chien-Chung Shih, Weichen Wang, Jian-Cheng Lai, Xiaozhou Ji, Theodore Z. Gao, Yi-Xuan Wang, Chengyi Xu, Yu Zheng, Zhiao Yu, Huaxin Gong, Naoji Matsuhisa, Chuanzhen Zhao, Yusheng Lei, Deyu Liu, Song Zhang, Yuto Ochiai, Shuhan Liu, Shiyuan Wei, Jeffrey B.-H. Tok, Zhenan Bao* High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits. Nature.2024. 

https:// doi.org/10.1038/s41586-024-07096-7

[1] Smaller, more powerful stretchable electronics for wearables and implantables. EB/OL.2024-03-14. https://news.stanford.edu/2024/03/13/advancing-toward-wearable-stretchable-electronics/

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