具有皮膚機械特性的內在可拉伸電子產品，已被確定為新興應用的有前途的平臺，從連續生理監測到健康狀況的實時分析，再到自主醫療的閉環交付。然而，目前的技術只能達到非晶硅水平的電性能(即電荷載流子遷移率約為1 cm2 V?1 s?1)，低集成規模(例如，每個電路54個晶體管)和有限的功能。

十多年來，斯坦福大學鮑哲南教授團隊始終致力于開發電子皮膚，并在可穿戴領域做出了很多創意十足的突破性研究。例如，在 2022 年發表在 Nature 上的一篇研究中，鮑哲南團隊介紹了一種極富彈性的可穿戴顯示器，其最大亮度至少是手機的兩倍，在拉伸至原有長度兩倍時仍能正常工作。這種全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在彎曲或彎曲時不會撕裂，這將使可穿戴顯示器直接附著在皮膚上。其團隊的一些更具想象力的研究，比如可拉伸生物相容性材料，可以像防曬噴霧一樣被噴在手背上，其中的微型電子網絡可以感知皮膚的拉伸和彎曲，這可以把手部運動和手勢與各種日常任務聯系起來，也許能夠開辟一個屬于隱形設備的時代。

2024年03月13日，美國斯坦福大學化工系鮑哲南教授團隊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、內在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的。相關論文以題為 “ High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits ” 發表在Nature上。第 一作者為斯坦福大學化工系Donglai Zhong，Can Wu、Yuanwen Jiang為共同一作，鮑哲南教授為通訊作者。

這是一種新的類膚集成電路設計和制造工藝，這種集成電路不僅運行速度快，且體積比早期版本小五倍。要知道，小型可穿戴或植入式電子設備也可以實現檢測健康狀況、診斷疾病等功能。對此，鮑哲南教授表示，“我們已經取得了重大飛躍。可拉伸集成電路第 一次變得足夠小、足夠快，足以滿足許多應用的需要。我們希望這可以使可穿戴傳感器以及植入式神經和腸道探針更加靈敏，操作更多傳感器，并可能消耗更少的功率。”

與人體無縫集成的類皮膚電子設備，將實現舒適、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，研究了三種不同的方法：(1)結構工程，如屈曲，褶皺或基里伽米結構；(2)可拉伸導線連接有源元件剛度工程；(3)本質上可拉伸的電子學。其中，本質上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，因此使其成為人機界面，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(圖1a)。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。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導致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(例如，由于低半導體載流子遷移率和高金屬半導體接觸電阻，跨導歸一化(溝道寬度為0.5 nS μm?1)。

在電路層面，迄今為止實現的最大集成具有54個晶體管和14個邏輯門。此外，據研究者所知，報道的最 高運行速度僅為330 Hz，遠低于實際應用的要求(例如，顯示驅動，信號調節或生理監測的>10 kHz)。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。

通過材料、制造工藝、器件工程和電路設計方面的創新來解決上述挑戰，這些創新使具有高電驅動能力和高運行速度的內在可拉伸電子器件以及具有高晶體管密度的大規模電路集成成為可能(圖1b-e)。

首先，討論了材料選擇、器件結構和制造工藝的原理。在 S/D 電極方面，作者開發了一種金屬輔助掀離工藝，用于 M-CNT 接觸電極的圖案化。該工藝包括對堆疊的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/銅（Cu）結構進行圖案化，然后通過噴涂沉積 M-CNT （圖 2e）。利用光刻技術和氧等離子刻蝕技術，紫外交聯 PEDOT:PSS/PR 薄膜可被圖案化成小至約 0.8 μm 的柵極長度（圖 2g）。作者引入了 EGaIn 作為全局互連器件，從而大大降低了片電阻，約為 0.2 Ω sq-1，并可通過改進的升華工藝成功圖案化至約 2 μm 寬度（圖 2h）。高遷移率半導體是實現晶體管和集成電路高驅動能力的關鍵。作者首先將 S-CNT 沉積到右旋糖酐薄膜上，然后用聚合物涂層支撐薄膜，再將其轉移到聚合物電介質上（圖 2k）。由此產生的底柵晶體管顯示出小于 0.1 V 的小滯后和約 105 的高導通比。使用帶有金（Au）接觸電極的底柵結構測量到的飽和載流子遷移率在 Lch 為 100 μm 時達到約 30 cm2 V-1 s-1（圖 2l）。

然后，制作了一個包含10082 個（142 × 71）晶體管的大型晶體管陣列（圖 3a）。根據這些晶體管測得的轉移曲線，10,018 個晶體管的最大漏極電流（Imax）高于 3 μA，漏極電流通斷比高于500（圖 3b）。該批器件的總體良率達到 99.37%，創下了迄今為止本征可拉伸晶體管的最 高紀錄。此外，所有晶體管在 Imax、電流通斷比和閾值電壓方面都表現出良好的一致性（圖 3c）。晶體管陣列在應變條件下表現出明顯的韌性，即使在平行或垂直于電荷傳輸方向的 100% 應變 (ε)條件下，也沒有觀察到裂紋或分層（圖 3d）。當沿傳輸方向拉伸時，晶體管顯示出穩定的電特性（圖 3e），因此，此可拉伸晶體管表現出極佳的機械耐久性。利用上述高分辨率圖案化工藝，成功地將單個晶體管面積縮小到約 288 μm2 ，Wch/Lch 為 12 μm/2 μm，并將晶體管堆積密度提高到每平方厘米 200000 個晶體管。此晶體管具有約 0.1 V 的小掃描滯后、約 105 的高電流通斷比、每分位 0.36 V 的閾下擺動 (SS) （圖 3f）和 27.5 μA 的最大電流（圖 3g）。

繼而，制造出了迄今為止最小的本征可拉伸偽 E 和偽 D 逆變器。作者的逆變器可在 ±5 V 至 ±2 V 的低電源電壓下工作，滯后較小（圖 4a），并在高達 100% 應變時表現出良好的機械穩健性。作者制作了一個晶體管矩陣（圖 4c），密度為每平方厘米 100,000 個晶體管，矩陣中的所有晶體管都可以通過控制字（柵極）線和位（漏極）線單獨尋址（圖 4d），性能與孤立器件相似（圖 4e）。除了有源矩陣外，作者還在約 0.28 平方厘米的面積上制作了一個 527 級環形振蕩器，由 1,056 個晶體管和 528 個零 Vgs 負載反相器組成（圖 4f、g），在 10 V 電壓下可產生振蕩頻率 (fO) 為 176 Hz 的信號（圖 4h）。與之前的報告相比，集成晶體管和邏輯門的數量都增加了 20 多倍，據作者所知，首次實現了大規模本征可拉伸集成電路（圖 4i）。

圖4. 本質上可拉伸，高速和大規模集成電路

最后，為了展示可拉伸晶體管陣列的實際應用，著手制作了一個高分辨率盲文傳感陣列和一個LED 矩陣顯示器，利用晶體管訪問和驅動單個像素。得益于高伸展性和小面積，此有源矩陣傳感器陣列（10 × 20 像素）可以貼合人的手指（圖 5a,b）。一旦觸覺傳感器上的加載壓力達到約 20 kPa，同一像素中接入晶體管的離子將從低于 1 nA 增加到高于 1 μA（圖 5c、d）。較大的離子響應和較小的像素尺寸（200 微米）實現了對微小物體的精確映射，以及識別形狀、方向、位置和大小的能力（圖 5e、f）。此器件在可拉伸電子器件中實現的創紀錄的高傳感密度現已超過人類指尖機械受體密度的 10 倍以上（圖 5g）。因此，盲文識別的分辨率比人類手指還要精細。通過這種面積僅為 8 平方毫米的傳感陣列，現在可以讀取的不是單個字母而是多個字母，而是整個單詞（圖 5h）。接下來，作者驅動一個 LED 顯示系統（圖 5i），其中每個 LED 都由一個內在可拉伸晶體管單獨驅動，作者制造的系統以高于 60 Hz 的刷新率成功顯示了不同的數字、字母和符號（圖 5j）。即使在扭曲或拉伸等大變形情況下，晶體管陣列仍能正常驅動 LED 顯示屏，即保持恒定的驅動電流，從而實現穩定的 LED 亮度。

綜上，通過合理的材料設計和制備，加工和器件工程，實現了具有前所未有性能的內在可拉伸皮膚集成電路的里程碑。實現了創紀錄的高晶體管陣列密度，具有良好的機械穩健性，高良率和高驅動能力。具體來說，實現了一個具有1000多個晶體管的大規模內在可拉伸集成電路，并將級開關頻率提高到兆赫茲區域。合理的材料選擇，界面工程和工藝設計允許最小化晶體管通道長度，同時減少寄生電容和互連電阻。最后，內在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60hz刷新率且變形下性能穩定的LED顯示屏。高性能內在可伸縮電子產品是實現未來實際皮膚應用的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。

在柔性電子學領域的不斷探索和創新中，該研究展示了令人興奮的成果和潛在應用前景。通過采用先進的材料、精密的制備工藝和創新的器件設計，鮑哲南教授團隊成功地實現了柔性電子器件的小型化和高性能。相信在不久的將來，柔性電子學將為諸多領域帶來革命性的變革，實現更廣泛的應用和社會價值。