Nature:高速度大规模本征可拉伸集成电路

摘要

摘要图
本文提出了一种本征可拉伸电子器件,其在大规模集成、高迁移率和快速操作上实现了突破。通过材料创新、制备工艺优化及电路设计,该电子器件实现了超过20 cm²/V·s的场效应迁移率,以及超过100,000个晶体管每平方厘米的器件密度。

关键词

  • 本征可拉伸电子器件 (Intrinsically Stretchable Electronics)
  • 集成电路 (Integrated Circuits)
  • 碳纳米管 (Carbon Nanotubes)
  • 高迁移率 (High Mobility)
  • 高密度晶体管 (High-Density Transistors)
  • 触觉传感器阵列 (Tactile Sensor Array)
  • 生物兼容性 (Biocompatibility)

研究背景

本征可拉伸电子器件因其与皮肤相似的机械性能和优异的电学性能,被广泛认为是医疗监测、人机界面及可穿戴设备等领域的未来核心技术。然而,现有技术的电学性能(如迁移率)差,集成规模和操作速度受限于低材料性能与复杂制备工艺。

创新点

  • 首次实现了超过100,000晶体管/cm²的本征可拉伸器件集成密度。
  • 实现了超过1 MHz的阶段切换频率,填补了当前技术的性能空白。
  • 开发了基于高迁移率碳纳米管和低接触电阻电极的器件架构。
  • 集成了高分辨率触觉传感器阵列和快速LED显示系统。

研究内容

研究基于高纯度碳纳米管(S-CNT)作为半导体材料,结合金属助力剥离工艺制备了具有高迁移率和低接触电阻的拉伸型晶体管。在制备过程中,优化了PEDOT:PSS作为底栅电极以减少漏电,并使用氮化丁二烯橡胶(NBR)作为高介电常数的弹性体以实现低工作电压和高电容。

图1
图1 | 本研究开发的固有拉伸高性能类皮肤电子器件概览。

(a) 类皮肤电子器件的核心在于固有拉伸晶体管和电路,用于高性能传感、处理与驱动功能。
(b) 高性能固有拉伸电子器件的三维结构示意图,包括拉伸衬底、栅电极(底部电极)、栅介电层、源/漏电极、半导体、通道封装层、跳线介电层、顶电极(互连)及顶封装层。
(c) 在4英寸晶圆上制备的高速电路单元的照片。
(d) 从支撑衬底释放后表现出大形变下性能的固有拉伸电子器件的照片。每个模块为三级振荡器,包含16个晶体管。
(e) 附着在白芝麻种子上的高密度晶体管阵列照片,面积为1 mm2,包含1,000个晶体管。插图为固有拉伸高密度晶体管阵列及互连的光学显微镜图。比例尺:3 cm(c, d);3 mm(e);50 µm(e, 插图)。

图2
图2 | 基于光刻的固有拉伸电路制备过程。

(a, b) 固有拉伸晶体管的示意图 (a) 和光学显微镜图像 (b)。
(c) 制备固有拉伸电路所用材料的化学结构图。
(d) 高性能固有拉伸电路制备流程示意图。
(e) 利用金属辅助剥离工艺制备M-CNT作为拉伸源/漏电极的示意图。
(f-h) 图案化M-CNT (f)、PEDOT:PSS/PR (g) 和EGaIn (h) 电极的光学显微镜图像。
(i) NBR图案化的硫-烯反应示意图及图案化NBR的光学显微镜图像。
(j) 不同介电弹性体的介电常数随频率变化图。
(k) 在右旋糖酐上的S-CNT原位沉积的原子力显微镜图像。
(l) 在弹性体介电层上转移的S-CNT晶体管的场效应迁移率与栅电压关系图。
(m) 带或不带Pd颗粒的晶体管的标度行为。
(n) 不同过驱电压下带或不带Pd的接触电阻比较图。比例尺:100 µm(b);20 µm(f);10 µm(g);20 µm(h);40 µm(i, 底部);500 nm(k)。

图3
图3 | 高性能固有拉伸晶体管阵列的电学及机械特性。

(a) 总共包含10,082个晶体管的固有拉伸晶体管阵列的照片(左)和光学显微镜图像(右)。
(b) 固有拉伸晶体管阵列的传输特性曲线,计算得出的器件良率为99.37%。
(c) 统计结果显示10,018个正常工作晶体管的开启电流、开关比及阈值电压分布柱状图。
(d) 显示晶体管在初始、100%拉伸及释放状态下的光学显微镜图像。
(e) 在拉伸循环中晶体管迁移率及开启电流的变化曲线。
(f, g) 来自高密度固有拉伸晶体管阵列的代表性晶体管的传输和输出特性曲线,尺寸为Wch/Lch ≈ 12/2 μm。
(h) 将固有拉伸晶体管性能与过去十年中报道的柔性和固有拉伸晶体管进行比较。比例尺:5 mm(a, 左);200 µm(a, 右);100 µm(d)。

图4
图4 | 固有拉伸、高速及大规模集成电路。

(a) 代表性的伪D反相器电压传输曲线及增益曲线。
(b) 模拟不同晶体管数量和互连片电阻条件下的单晶体管驱动电流。
(c) 包含1,000个晶体管的高密度阵列的光学显微镜图像,面积为1 mm2
(d) 晶体管矩阵电路示意图。
(e) 高密度晶体管阵列的测量结果。
(f, g) 包含527级振荡器、1,056个晶体管及528个伪E反相器的电路示意图 (f) 及光学显微镜图像 (g)。
(h) 527级振荡器的输出波形图。
(i) 将本研究的逻辑门和晶体管数量与其他固有拉伸集成电路进行比较。
(j) 三级伪E环形振荡器的光学显微镜图像。
(k) 来自10个测量振荡器的输出信号频谱。
(l) 不同拉伸条件下的振荡频率变化图。比例尺:200 µm(c);1 mm(g);0.4 mm(j)。

图5
图5 | 高分辨率固有拉伸有源矩阵触觉传感及LED显示。

(a) 有源矩阵传感器阵列 (AM-TS) 的示意图、照片及显微镜图像。
(b) 单像素结构的放大光学显微镜图像及其示意图。
(c) 单像素在不同压力下的传输特性曲线。
(d) 不同压力下提取的漏极电流分布曲线。
(e) AM-TS在不同形状压力下的导通状态电流分布图。
(f) AM-TS在压下金属棒时的导通状态电流分布图。
(g) 传感密度与其他固有拉伸或柔性传感阵列的对比。
(h) AM-TS在盲文“SKIN”压力下的导通状态电流分布图及其显微镜图像。
(i) 显示系统示意图。
(j) 不同字母LED显示的照片。比例尺:5 mm(a);1 mm(a, 插图);100 µm(b);1 cm(c);1 mm(e, 插图);2 mm(f, 插图);1 mm(h, 插图);1 cm(j)。

结论与展望

本研究通过合理的材料选择与界面工程,实现了高性能本征可拉伸电子器件,并在传感、显示及数据处理等方面展现了广泛应用潜力。未来工作将着眼于进一步提升器件的性能指标,包括短沟道晶体管迁移率的优化以及更复杂电路的开发。

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原文标题:High-Speed and Large-Scale Intrinsically Stretchable Integrated Circuits

Nature, 2024, 627, 313–320.

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