江南官方体育app鲍哲南院士最新 Nature：更小更快的大规模本征

　　报道了一种本征可拉伸晶体管和集成电路，实现了创纪录的高晶体管阵列密度，具有良好的机械坚固性、高产量和高驱动能力。作者展示了拥有1000多个晶体管的大规模集成电路，并将分级开关频率推高到了兆赫级。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，降低了寄生电容和互连电阻。这些本征可拉伸的晶体管在 100%应变条件下显示出超过 20 cm2 V-1 s-1的高场效应迁移率、每平方厘米 100000个晶体管的器件密度，以及在 5 V电源电压下约 2 A m-1的高驱动电流。这是首次在本征上可拉伸的电子器件中实现了具有 1000 多个品体管和大 1 MHz 级开关频率的大规模集成电路。此外，他们还展示了一个高分辨率盲文识别系统和一个发光二极管显示屏，其刷新速度高达 60 Hz，具有出色的机械坚固性。文章链接DOI：10.1038/s46-7

　　小型可穿戴或植入式电子设备可以帮助监测人们的健康状况，诊断疾病，并为自主治疗提供机会。但是，为了在不加重或损坏周围细胞的情况下做到这一点，这些电子设备不仅需要在移动时与我们的组织一起弯曲和拉伸，而且还需要足够柔软，以免划伤和损坏组织。但是目前的技术只能在非晶硅水平上达到电气性能，集成规模有限，功能受限。下载化学加APP到你手机，收获更多商业合作机会。

　　在这里，作者提出了一种新的皮肤集成电路设计和制造工艺，这种集成电路比早期版本小五倍，运行速度高一千倍。作者证明，他们的软集成电路现在能够驱动micro-LED屏幕，并检测比人类指尖更灵敏的盲文阵列。他们还利用了溶剂、碳纳米管、聚合物和光刻胶等特定材料，并在研究中对这些材料进行了表征。制作过程包括旋涂牺牲层、固化可拉伸基底、为晶体管和传感器的各种材料绘制图案，以及将制作好的器件转移到基底上。

　　开发先进的类肤电子器件核心是半导体碳纳米管和软弹性电子材料。虽然最近的材料创新提高了器件密度，但可拉伸器件的电气性能仍低于柔性薄膜器件。在实现高空间分辨率和电气性能以及大规模电路集成和高速运行方面仍然存在挑战。作者提出了一种解决方案，即结合材料、制造工艺、器件工程和电路设计等方面的创新，实现具有高电气驱动能力的本征可拉伸电子器件和具有高晶体管密度的大规模电路集成。图1展示了本征可拉伸的高性能类肤电子元件的关键部分和性能结果。

　　作者团队利用半导体碳纳米管和其他材料开发出了一种高性能、可拉伸的晶体管器件。该器件具有高良品率、高电荷载流子迁移率、高晶体管密度和高归一化跨导。图2a-d展示的就是本征可拉伸电子器件的光刻制造过程。作者讨论了在不增加器件面积或功耗的情况下实现晶体管高驱动电流的要求。这需要高流动性半导体、低 S/D 接触电阻、高栅极介电电容和低缺陷状态。研究发现，使用带有金属界面层的 CNT 网络电极可获得与金属类似的接触电阻值。开发了一种金属辅助掀离工艺，用于将 M-CNT 接触电极图案化，由于金属层辅助掀离工艺产生的锐利边缘，该工艺可实现约 0.9 μm 的小 Lch。

　　作者的研究成果实现了超过 100 个逻辑门的大规模集成，传感密度达到创纪录的每平方厘米 2,500 个单元，从而开发出了高通量盲文识别概念。该晶体管阵列还能以 60 Hz 的快速刷新率驱动发光二极管阵列，并具有出色的机械坚固性。

　　作者为了制备本征可拉伸的晶体管，使用底部栅极结构和拓扑超分子交联剂交联 PEDOT:PSS。紫外交联 PEDOT:PSS/PR薄膜可以图案化，使栅极长度小至 0.8 μm。作者引入 EGaIn作为全局互连，可将片电阻降低到约 0.2 Ω sq-1，并将图案化为约2 μm宽。

　　作者还开发一种使用高κ弹性体丁腈橡胶直接光刻的工艺，该工艺可提供高栅介电容，用于安全高效的皮肤应用。该工艺使用硫醇-烯反应与 PETMP作为交联剂，并使用一薄层低κ SEBS 弹性体来钝化极性 NBR表面。即使在 100 kHz的频率下，该介质的等效 κ也高达 10以上，这对于高频操作非常重要。

　　利用交联 SEBS薄膜作为基底，作者开发出了本征可拉伸晶体管阵列。晶体管阵列由 10082个晶体管组成，器件良率高达 99.37%。晶体管在 Imax、电流通断比和阈值电压方面表现出良好的一致性。由于在各层中合理设计了溶剂电阻，晶体管的电气性能在所有加工过程中都得以保持。

　　最终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，比之前报道的本征可拉伸晶体管高出近五倍，同时在相同 Lch条件下，场效应迁移率提高了 200多倍。

　　作者介绍了最小的本征可拉伸伪 E和伪 D逆变器的制造过程，这种逆变器具有良好的机械坚固性，可在低电压下工作。为了提高集成密度和规模，需要尽量减小互连电阻。作者还介绍了密度为每平方厘米 100000个晶体管的晶体管矩阵的制造过程，以及由 1056个晶体管和 528个零 Vgs负载逆变器组成的 527级环形振荡器，这是首个大规模本征可拉伸集成电路。作者使用厚的低κ SBS 电介质来降低寄生电容，并观察到使用 M-CNT 作为中间层可将接触电阻降低 85%。环形振荡器的最大 fO 为 190 kHz，每级传播延迟为 0.88 μs，比之前报道的本征可拉伸电路快三个数量级（图 4i）。这些电路还表现出卓越的机械稳健性，在拉伸测试中没有形成裂缝。

　　作者利用可拉伸晶体管阵列开发出了高分辨率盲文传感阵列和 LED 矩阵显示器。有源矩阵传感器阵列可以贴在人的手指上，并能识别形状、方向、位置和大小，其感应密度超过了人的指尖机械感受器密度。晶体管阵列还能驱动一个 LED 显示系统，该系统具有驱动 LED 的通断比和导通电流。该系统成功地显示了不同的数字、字母和符号，刷新率高于 60 Hz，即使在大变形的情况下也是如此。

　　鲍哲南院士团队实现了创纪录的高晶体管阵列密度、高机械坚固性、高产量和高驱动能力。鲍哲南院士表示：“她们已经取得了重大飞跃。可拉伸集成电路现在第一次足够小，足够快，可以满足许多应用的需求，她们希望这可以使可穿戴传感器和植入式神经和肠道探针更加灵敏，操作更多的传感器，并可能消耗更少的功率。[1]

　　该大规模集成电路拥有 1000多个晶体管，级联开关频率达到兆赫级。作者已经展示了本征可拉伸晶体管阵列在高分辨率盲文识别和小物体形状传感方面的能力，其能力超过了皮肤，还展示了刷新率为 60 Hz 的 LED 显示器，以及在变形情况下的稳定性能。

　　这些电路在医疗领域的潜在应用包括舒适、大规模和高保真生理监测、健康状况实时分析、局部性能、生理信号高频采集、局部放大器阵列、皮肤计算和闭环驱动。