01
内容概览
现有技术缺点：
可拉伸材料通常表现出电性能较差、热/化学不稳定性，并且与传统CMOS工艺不兼容。
现有技术依赖于昂贵的制备工艺或体积较大的传统芯片，难以实现高密度和大面积的集成。
文章亮点：
提出了一种基于光刻的自下而上的方法，成功开发了应变不敏感、可拉伸的金属氧化物晶体管和电路，密度高达442个晶体管/平方厘米。
通过液态金属流体互连技术和双岛金属氧化物晶体管，在大面积的分子定制弹性基底上实现了高密度集成，有效提高了设备的应变弹性和电性能。
该系统在50%应变和多次拉伸循环中性能变化不超过20%，展现了极高的机械稳定性。
应用场景：
适用于下一代自由形态电子产品，如软体机器人、可穿戴电子设备、生物医疗健康系统、机器神经接口等领域。
提供了在严苛机械变形下运行的电气功能，适应复杂形状表面，特别是高形状因子设备的集成需求。
总结：
作者开发了一种用于高度集成的可拉伸金属氧化物晶体管和电路的创新方法，利用分子定制的弹性基底和液态金属互连技术，成功解决了机械应变带来的失效问题。该技术不仅保持了传统刚性基底工艺的兼容性，还在电路设计上提供了极大的自由度，具有广泛的应用潜力，特别是在可穿戴设备和软体机器人等领域的高密度集成和大面积扩展应用中。
文章名称：Full integration of highly stretchable inorganic transistors and circuits within molecular-tailored elastic substrates on a large scale
期刊：Nature Communications
文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47184-w
通讯作者：韩国中央大学Sung Kyu Park、 韩国成均馆大学Jong-Woong Kim和Yong-Hoon Kim
02
图文简介
该工作的可拉伸电子设备的基本设计原则是在具有双刚性岛结构的弹性基底上布置抗应变的活性元件（图1a，b）。特别是，考虑到批量生产，采用了基于光刻的自下而上方法。通过一系列工艺，制备了一个密度为442个晶体管/cm(2)和优异机械韧性的高可拉伸性能a-IGZO晶体管阵列（图1e，i）。
图1 可拉伸金属氧化物晶体管阵列和电路的平台。 a 可拉伸金属氧化物晶体管阵列和器件架构的示意图。b 具有双刚性岛的可拉伸晶体管的横截面结构。c 用于刚性岛嵌入式可拉伸基底的聚氨酯丙烯酸酯（UA）和环氧丙烯酸酯（EA）寡聚物的化学结构。紫外光引发的丙烯酸交联反应通过强共价键使聚环氧丙烯酸酯（PEA）和聚氨酯丙烯酸酯（PUA）之间具有强大的黏附力。d 具有非晶铟镓锌氧化物（a-IGZO）晶体管与共晶镓铟(EGaIn)液态金属互连示意图。e、a-IGZO晶体管在0%（左）和30%（右）应变下的光学显微图。f 不同线宽的图案化EGaIn液态金属的光学显微图。g EGaIn液态金属互连的电阻随拉伸应变变化的情况。h EGaIn液态金属互连在10,000次循环拉伸（60%应变）下的电阻变化。i 可拉伸a-IGZO晶体管阵列和电路的照片（约2000个晶体管，面积约5×5 cm²）。
刚性岛与可拉伸基板之间的粘附对于实现高拉伸性至关重要。为了验证经过分子定制的丙烯酸酯基板的强粘附性，作者在岛/弹性体材料各种组合中检测了分离的临界应变（图2）。为了进一步了解在应变下的机械应力分布以及几何设计与机械应力之间的相关性，对PEA/PUA组合进行了有限元分析模拟。
图2 分子定制弹性体基底和几何优化。 a 不同刚性岛/弹性体材料组合中分离的临界应变。b 显示PEA/PUA和PEA/PDMS基底在0%和30%应变下的扫描电子显微镜（SEM）图像。c PEA/PUA基底在90%拉伸应变下的SEM图像，PEA岛从PUA分离，并在界面处形成类似网状结构。d PEA刚性岛的应变分布和体积平均应力的有限元分析模拟。e 模拟在不同PEA厚度下，30%拉伸应变下刚性岛中心的应变和体积平均应力。f 带有EGaIn互连的PEA/PUA基底的截面示意图。g 带有EGaIn互连的PEA/PUA基底的弯曲模拟条件。h PEA/PUA和PI/PEA/PUA基底中的应变分布。
为了评估在PI/PEA双岛结构PUA基底上制备的a-IGZO晶体管的机械延展性，分别在沿通道方向平行和垂直的方向上施加应变来检查机械延展性（图3）。此外，还进一步验证了其在不同环境条件下的耐久性。
图3 应变下可拉伸a-IGZO晶体管的电特性。 a 可拉伸a-IGZO晶体管在拉伸测试仪上的照片。b a-IGZO晶体管在拉伸至60%和释放时的光学显微图像。c, d a-IGZO晶体管的传输特性与拉伸应变（c）、通道平行方向和垂直方向（d）的关系。e, f 载流子迁移率、阈值电压和亚阈值斜率（SS）随拉伸应变的变化，分别在（c, d）中显示。g, h a-IGZO晶体管在10,000次拉伸循环（30%应变）中（g）与通道平行方向、垂直方向（h）的传输特性。i, j 在50个可拉伸a-IGZO晶体管中，分别在（i）0%和（j）30%应变条件下载流子迁移率、阈值电压和亚阈值斜率的统计数据。
为了验证在大面积电子设备中利用高度可拉伸的a-IGZO晶体管的可能性，作者制备了7×7个a-IGZO晶体管阵列、逻辑门和7级环形振荡器，如图4a、b所示。实验结果表明，基于可拉伸的a-IGZO晶体管的集成电路与双岛结构、EGaIn液态金属互连和分子定制的PUA基底的单片集成，可以扩展到各种具有高度复杂集成数字电路的可拉伸电子平台。
图4 可拉伸的a-IGZO晶体管阵列、逻辑门和7级环形振荡器。a 7×7 可拉伸的a-IGZO晶体管阵列的传输特性（0%、15%、30%和50%应变）。b 0%和30%应变下的7×7可拉伸晶体管阵列的显微照片。c 可拉伸的伪反相器的电路图、输出信号、漏极电流和电压增益。d 0%、15%和30%应变下可拉伸的7级环形振荡器的显微照片、输出信号和振荡频率。e 0%和30%应变下的逻辑门，包括反相器、NAND门和NOR门的显微照片。f 在0%、15%、30%、40%和50%应变下反相器、NAND门和NOR门的输入和输出信号。
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文献来源
Kang, SH., Jo, JW., Lee, J.M. et al. Full integration of highly stretchable inorganic transistors and circuits within molecular-tailored elastic substrates on a large scale. Nat Commun 15, 2814 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47184-w
