01
?內(nèi)容概覽
現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)：
可拉伸材料通常表現(xiàn)出電性能較差、熱/化學(xué)不穩(wěn)定性，并且與傳統(tǒng)CMOS工藝不兼容。
現(xiàn)有技術(shù)依賴于昂貴的制備工藝或體積較大的傳統(tǒng)芯片，難以實(shí)現(xiàn)高密度和大面積的集成。
文章亮點(diǎn)：
提出了一種基于光刻的自下而上的方法，成功開發(fā)了應(yīng)變不敏感、可拉伸的金屬氧化物晶體管和電路，密度高達(dá)442個(gè)晶體管/平方厘米。
通過液態(tài)金屬流體互連技術(shù)和雙島金屬氧化物晶體管，在大面積的分子定制彈性基底上實(shí)現(xiàn)了高密度集成，有效提高了設(shè)備的應(yīng)變彈性和電性能。
該系統(tǒng)在50%應(yīng)變和多次拉伸循環(huán)中性能變化不超過20%，展現(xiàn)了極高的機(jī)械穩(wěn)定性。
應(yīng)用場(chǎng)景：
適用于下一代自由形態(tài)電子產(chǎn)品，如軟體機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備、生物醫(yī)療健康系統(tǒng)、機(jī)器神經(jīng)接口等領(lǐng)域。
提供了在嚴(yán)苛機(jī)械變形下運(yùn)行的電氣功能，適應(yīng)復(fù)雜形狀表面，特別是高形狀因子設(shè)備的集成需求。
總結(jié)：
????作者開發(fā)了一種用于高度集成的可拉伸金屬氧化物晶體管和電路的創(chuàng)新方法，利用分子定制的彈性基底和液態(tài)金屬互連技術(shù)，成功解決了機(jī)械應(yīng)變帶來的失效問題。該技術(shù)不僅保持了傳統(tǒng)剛性基底工藝的兼容性，還在電路設(shè)計(jì)上提供了極大的自由度，具有廣泛的應(yīng)用潛力，特別是在可穿戴設(shè)備和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的高密度集成和大面積擴(kuò)展應(yīng)用中。
文章名稱：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
通訊作者：韓國(guó)中央大學(xué)Sung Kyu Park、 韓國(guó)成均館大學(xué)Jong-Woong Kim和Yong-Hoon Kim
02
?圖文簡(jiǎn)介
????該工作的可拉伸電子設(shè)備的基本設(shè)計(jì)原則是在具有雙剛性島結(jié)構(gòu)的彈性基底上布置抗應(yīng)變的活性元件（圖1a，b）。特別是，考慮到批量生產(chǎn)，采用了基于光刻的自下而上方法。通過一系列工藝，制備了一個(gè)密度為442個(gè)晶體管/cm(2)和優(yōu)異機(jī)械韌性的高可拉伸性能a-IGZO晶體管陣列（圖1e，i）。
圖1 可拉伸金屬氧化物晶體管陣列和電路的平臺(tái)。?a 可拉伸金屬氧化物晶體管陣列和器件架構(gòu)的示意圖。b 具有雙剛性島的可拉伸晶體管的橫截面結(jié)構(gòu)。c 用于剛性島嵌入式可拉伸基底的聚氨酯丙烯酸酯（UA）和環(huán)氧丙烯酸酯（EA）寡聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。紫外光引發(fā)的丙烯酸交聯(lián)反應(yīng)通過強(qiáng)共價(jià)鍵使聚環(huán)氧丙烯酸酯（PEA）和聚氨酯丙烯酸酯（PUA）之間具有強(qiáng)大的黏附力。d 具有非晶銦鎵鋅氧化物（a-IGZO）晶體管與共晶鎵銦(EGaIn)液態(tài)金屬互連示意圖。e、a-IGZO晶體管在0%（左）和30%（右）應(yīng)變下的光學(xué)顯微圖。f 不同線寬的圖案化EGaIn液態(tài)金屬的光學(xué)顯微圖。g EGaIn液態(tài)金屬互連的電阻隨拉伸應(yīng)變變化的情況。h EGaIn液態(tài)金屬互連在10,000次循環(huán)拉伸（60%應(yīng)變）下的電阻變化。i 可拉伸a-IGZO晶體管陣列和電路的照片（約2000個(gè)晶體管，面積約5×5 cm2）。
????剛性島與可拉伸基板之間的粘附對(duì)于實(shí)現(xiàn)高拉伸性至關(guān)重要。為了驗(yàn)證經(jīng)過分子定制的丙烯酸酯基板的強(qiáng)粘附性，作者在島/彈性體材料各種組合中檢測(cè)了分離的臨界應(yīng)變（圖2）。為了進(jìn)一步了解在應(yīng)變下的機(jī)械應(yīng)力分布以及幾何設(shè)計(jì)與機(jī)械應(yīng)力之間的相關(guān)性，對(duì)PEA/PUA組合進(jìn)行了有限元分析模擬。
圖2 ?分子定制彈性體基底和幾何優(yōu)化。?a 不同剛性島/彈性體材料組合中分離的臨界應(yīng)變。b 顯示PEA/PUA和PEA/PDMS基底在0%和30%應(yīng)變下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c PEA/PUA基底在90%拉伸應(yīng)變下的SEM圖像，PEA島從PUA分離，并在界面處形成類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。d PEA剛性島的應(yīng)變分布和體積平均應(yīng)力的有限元分析模擬。e 模擬在不同PEA厚度下，30%拉伸應(yīng)變下剛性島中心的應(yīng)變和體積平均應(yīng)力。f 帶有EGaIn互連的PEA/PUA基底的截面示意圖。g 帶有EGaIn互連的PEA/PUA基底的彎曲模擬條件。h PEA/PUA和PI/PEA/PUA基底中的應(yīng)變分布。
????為了評(píng)估在PI/PEA雙島結(jié)構(gòu)PUA基底上制備的a-IGZO晶體管的機(jī)械延展性，分別在沿通道方向平行和垂直的方向上施加應(yīng)變來檢查機(jī)械延展性（圖3）。此外，還進(jìn)一步驗(yàn)證了其在不同環(huán)境條件下的耐久性。
圖3 ?應(yīng)變下可拉伸a-IGZO晶體管的電特性。?a 可拉伸a-IGZO晶體管在拉伸測(cè)試儀上的照片。b a-IGZO晶體管在拉伸至60%和釋放時(shí)的光學(xué)顯微圖像。c, d a-IGZO晶體管的傳輸特性與拉伸應(yīng)變（c）、通道平行方向和垂直方向（d）的關(guān)系。e, f 載流子遷移率、閾值電壓和亞閾值斜率（SS）隨拉伸應(yīng)變的變化，分別在（c, d）中顯示。g, h a-IGZO晶體管在10,000次拉伸循環(huán)（30%應(yīng)變）中（g）與通道平行方向、垂直方向（h）的傳輸特性。i, j 在50個(gè)可拉伸a-IGZO晶體管中，分別在（i）0%和（j）30%應(yīng)變條件下載流子遷移率、閾值電壓和亞閾值斜率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
????為了驗(yàn)證在大面積電子設(shè)備中利用高度可拉伸的a-IGZO晶體管的可能性，作者制備了7×7個(gè)a-IGZO晶體管陣列、邏輯門和7級(jí)環(huán)形振蕩器，如圖4a、b所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于可拉伸的a-IGZO晶體管的集成電路與雙島結(jié)構(gòu)、EGaIn液態(tài)金屬互連和分子定制的PUA基底的單片集成，可以擴(kuò)展到各種具有高度復(fù)雜集成數(shù)字電路的可拉伸電子平臺(tái)。
圖4 ?可拉伸的a-IGZO晶體管陣列、邏輯門和7級(jí)環(huán)形振蕩器。a 7×7 可拉伸的a-IGZO晶體管陣列的傳輸特性（0%、15%、30%和50%應(yīng)變）。b 0%和30%應(yīng)變下的7×7可拉伸晶體管陣列的顯微照片。c 可拉伸的偽反相器的電路圖、輸出信號(hào)、漏極電流和電壓增益。d 0%、15%和30%應(yīng)變下可拉伸的7級(jí)環(huán)形振蕩器的顯微照片、輸出信號(hào)和振蕩頻率。e 0%和30%應(yīng)變下的邏輯門，包括反相器、NAND門和NOR門的顯微照片。f 在0%、15%、30%、40%和50%應(yīng)變下反相器、NAND門和NOR門的輸入和輸出信號(hào)。
03
文獻(xiàn)來源
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
