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生物激励和生物集成器件中的可伸缩电子材料
Kim, Dae-Hyeong，鲁南姝，黄永刚，约翰·A·罗杰斯
到目前为止，硅、砷化镓和氮化镓等无机半导体为生产高性能的电子/光电器件提供了最成熟的途径。尽管这些材料本身比较坚硬又易碎，但在战略性的通过以力学模型为指导的几何设计加以利用时，可以与弹性衬底相结合生产对较大的应变（接近100%）产生线性弹性响应变形的集成设备。这使得这种电子/光电技术既具有传统晶圆系统的性能，又具有橡胶板的力学特性。本文总结了材料、力学和装配中的主要可行概念，并通过从电子“眼球”摄像机到先进的手术设备和“表皮”电子监控系统等代表性应用对其进行了说明。
介绍
历史上，在50年前集成电路（IC）发明之后电子材料领域的绝大多数工作都在直接或间接地建立了一个发展道路，其中，系统的功能改进是随着晶体管的数量密度和开关速度的增加而进行的，主要是由其个别尺寸的减小所驱动的。大约15年前，人们发明了另一种电子产品，用于在平板显示器上驱动fl，以建立市场地位，现在这种电子产品在半导体器件的总销售额中所占的比例已经非常可观。在这里，主要衡量尺度是整体的面积覆盖，而不是晶体管的大小或速度;材料科学的相关挑战与集成电路的挑战大不相同，但同样有趣。柔性电子技术是这一大型领域或宏观电子技术的自然延伸，其动力来自于独特的形状因素（例如，纸质显示器）和从塑料基板的使用所遵循的处理选项（例如，卷对卷）。尽管商业应用才刚刚出现，但大多数人相信这一领域在未来几年将迅速增长。在这里，我们关注的是一种不同的，甚至更新的电子学，它的关键属性是不仅能够弯曲，而且能够在大应变(gt;gt;1%)变形下具有可逆的线性弹性响应的拉伸。这些电子产品可以在任意弯曲的表面上进行扭曲、折叠和共形缠绕，不会产生机械疲劳或工作特性有任何显著的变化。这些机制导致了强大的工程设计选项和集成模式，包括直接、无缝地安装在人体组织上，以在外科设备、监控系统和人机界面中提供前所未有的功能。在下文中，我们总结了一种可伸缩电子学/光电子学的方法，该方法利用已建立的无机半导体的战略几何结构和布局，以获得与在刚性平面半导体晶圆上以传统方式制作的类似设计的器件相匹配的性能水平。 重点主要集中在我们的工作上，例如可伸缩电子产品;本期的其他文章和其他已发表的评论提供了替代方法的摘要，在某些情况下，还提供了补充方法。
材料和加工
高性能可拉伸电子产品的技术方案包括两个方面：(1)采用半导体纳米材料作为活性元件，并采用可变形的形式;(2)通过电路/器件布局，使这些材料和其他“硬”组成材料与“软”柔性衬底集成时的应变最小。首先，以大块或薄膜形式存在来源自晶圆级的半导体材料的，作为“自上而下”制造电线/带/膜的起点。在纳米级厚度中，这些结构具有极低的抗弯刚度（例如，比相应材料的传统晶片小超过10），即使弯曲到很小的曲率半径，也会经历最小的应变，这两种情况都是力学基本原理的结果-弯曲刚度为EH/12，其中E为弹性模量，H为厚度（晶圆为0.5mm，纳米膜的最大弯曲应变为ε=H/（2r），其中r为曲率半径（ε=0.001%，H=10nm，r=0.5mm）图1总结了这类纳米材料的三种代表性路线。第一个(图1a)对具有(111)晶体取向的硅晶圆进行各向异性加工。在这里，反应离子蚀刻法定义沟槽，其宽度和深度控制良好，方向垂直于(110)方向。随后在这些沟槽的顶面和侧壁上沉积钝化层（例如，二氧化硅、金），在用氢氧化钾（KOH）或四甲基氢氧化铵（TMAH）对暴露的硅进行各向异性腐蚀期间保护它们。与（111）相比，该工艺以更高的速率（大于100倍）沿着（110）平面去除材料，从而释放晶圆近表面区域的纳米级厚度的线/带/膜。沟槽的几何形状和钝化层的覆盖范围决定了这些结构的尺寸。重复这些步骤可以将晶圆的几乎所有材料转换成这些类型的元素或其他纳米结构形式。相关方案适用于其他材料，如GaAs和InP。利用硅的进一步工艺能够以一种在单个流程序列中生成大量纳米材料的方式释放厚的多层堆栈。
一种互补的方法使用由晶圆键合和抛光或受控断裂或外延生长形成的层状材料。最常见的例子是绝缘体上的硅（SOI）晶片。采用氢氟酸对埋地氧化物进行咬边腐蚀，或采用图1a的方案对硅支架进行咬边腐蚀，无论绝缘体是否完好，均可使硅表面层脱离。后一个过程如图1b所示。其它类似SOI结构的例子包括绝缘体上锗(GOI)、绝缘体上硅锗(SGOI)以及III-V半导体和许多其他组合。对于最后一类材料，还可以采用外延发射技术。在最近的一个先进方案中，砷化镓（GaAs）和砷化铝（AlAs）的交替层均在GaAs晶圆上外延增长，在用氢氟酸选择性地去除AlAs后产生大量GaAs纳米带/膜（图1c，右框）。在这种情况下，晶圆可以重复用于多种增长，如图1c所示。
利用图1所示的方案生成的纳米材料，甚至超薄的全成形器件，都可以通过转移打印技术以可控的、确定性的方式集成到所选择的衬底上。这一过程的一个重要特征是它利用了已知的、通过光刻技术确定的刻底纳米结构的位置和方向，每个纳米结构的角都固定在基板上。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)图章，可以从这些预定位点进行检索，然后释放到其他底物上。(图2a)该过程涉及利用粘弹性和/或几何效应，将这些结构和PDMS之间的粘附强度从强状态转换为弱状态。更进一步的操作允许在环境条件下每小时打印数百万个结构，输出率超过99.99%，亚微米定位和覆盖精度。图2b中显示了具有这些和其他功能的自动化打印系统。图2c显示了用此工具打印到塑料片上的GaAs血小板阵列的图像。厚度从亚纳米级到几十微米，横向尺寸从纳米到厘米级的材料也可以用类似的方式操作。
图1所示。半导体纳米带和薄膜的原理图(左)和相应的图像(右)是通过平版印刷和咬边蚀刻从晶片规模的材料来源获得的。(a)具有(111)方向的硅晶圆的各向异性湿化学蚀刻。右侧的扫描电子显微镜图像显示了一组部分释放的带状物质(约500 纳米厚度)。(b)蚀刻绝缘体上硅(SOI)晶圆暴露的埋藏氧化物，释放顶部硅，产生纳米带集合(此处显示的厚度为300纳米)。(c)在砷化镓/砷化镓外延多层堆叠中蚀刻砷化镓牺牲层，释放出大量的砷化镓纳米膜。
图2。转移打印为半导体纳米材料的确定性组装提供了一种高速、可扩展的方法。(a)印刷过程示意图。(b)自动转移印刷工具的图像，该工具由一组精密的、计算机控制的运动级和用于重叠配准的高分辨率成像系统组成。(c)的图像数组的砷化镓薄膜(250times;250mu;m)转移印刷板上的玻璃和一个薄的灵活的塑料板材(插图)。
非常规的设计和可拉伸电子产品
打印在弹性衬底上的相互连接的纳米材料组件可以产生可拉伸的电子/光电器件。在这里，分析和计算力学模型有助于定义最小化半导体和其他电子材料应变的布局，其中大多数材料在应变小于等于1%时断裂。一些简单的几何路线为此目的，如图3所示，以成对的实验图像(左)和相关应变分布的力学模型(右)表示。第一个例子是将硅纳米膜与双轴预应变（4%）橡胶板连接（图3a），以在释放该应变时实现可控屈曲。与预应变释放相关的压应力会导致非线性屈曲不稳定性，从而在膜中形成具有“人字型”布局的“波浪型”结构。当这种类型的硬/软材料结构的拉伸量不超过预应变时，波纹结构的形状会发生变化，以适应膜中涉及最小应变的整体变形。弹性支撑提供整体恢复力。薄膜中的最大应变与预应变有关，
（1）
其中=/4 是硅薄膜和PDMS衬底的临界屈曲应变，且非常小；sim;0.036%, 对于硅薄膜和PDMS衬底，Ef和Es分别是薄膜和衬底的平面应变模量。薄膜中的应变减少了3倍和9倍，对于分别为1%和10%。Whitesides等人。首次报道了在PDMS上直接蒸发金薄膜的这种几何结构。随后的研究表明，通过方程式1中几何结构的变化和薄膜中微/纳米裂纹的运动的综合效应，可以在PDMS上使用这些和其他相关的金结构，以实现具有显著变形性水平（例如，200%可拉伸性）的可拉伸互连。
对这种方法的改进包括(1)将膜构造成开放的网格几何形状和(2)仅在节点处选择性地将得到的网格连接到弹性体。图3b显示了硅纳米膜图案化成矩形节点阵列（即岛屿）的结果，矩形节点阵列由成对的直桥连接，直桥在释放预应变后从基底分层，采用拱形结构。在变形情况下，这些非共面桥梁根据施加的应变（对于小于预应变的应变）移动，从而为岛屿提供一定程度的机械隔离。ε桥和岛屿，ε岛，与有关，
， （2）
其中是桥梁长度，和分别是桥梁和岛屿厚度，和分别是桥梁的杨氏模量和岛屿的平面应变模量。当桥的厚度远小于桥的长度，并且岛的大小与它们的分离相比很小时，这种策略是最有效的。当=50nm和e=20mu;m时，桥中的应变减少了6倍、21倍和90倍时，分别=1%、10%和100%，而对于薄桥和长桥，ε桥可以进一步减小。对于弹性模量和厚度相同的岛屿和桥梁，岛的应变与桥相同；并且随着岛屿弹性模量和厚度的增加，岛可以进一步减小。
图3。四种不同类型结构的实验图像(左)和力学建模(右)。(a)硅纳米膜均匀地粘接在弹性衬底上，采用“波浪”人字形形貌。(b)类似的膜结构为网格布局，仅在节点处有选择地粘结，其形式涉及悬挂的弧形桥梁(互连)。与(a)中的情况相比，这种设计提供了增强的可拉伸范围。(c)开发具有与网格结构节点相匹配的表面浮雕特征的弹性体衬底，以改进力学，使其具有高的面积覆盖和大范围的可拉伸性。(d)结构的高级版本(b)，其中互连桥呈非共面蛇形。
一些例如可伸缩光伏、图像传感器和显示/照明模块中的应用，受益于具有设备岛的高面积覆盖的布局。这种要求可以通过设计修改来解决，该设计修改涉及到薄弹性体基板，其具有与岛屿的大小和布局相匹配的横向尺寸的凸起的浮雕特征。在这种情况下，变形引起的应变几乎完全局限于岛屿之间的凹陷区域，对应于向下弯曲的弧形互连的位置。这里，桥梁和岛屿的最大应变与有关，
（3）
其中L岛和L沟分别是岛屿的长度和岛屿之间的海沟的长度。当H桥=50nm，L岛=L沟=20mu;m时，器件岛的面积覆盖率为25%，当=100%时，桥中的应变减少了230倍。对于相同的总长度L岛 L沟=40mu;m，但沟槽长度L沟=5mu;m（即L岛=35mu;m）要小得多，装置岛的面积覆盖率增加到77%，在相同的预应变=100%下，桥中的应变减少150倍。如图3c所示。通过将直线桥的连接处替换为具有蛇形的连接处，可以实现极好的拉伸性(gt;100%)，如图3d所示。在这里，施加的应变可以大大超过预应变。当外加应变ε=106%时，这类桥梁的最大应变仅为0.35%（即应变减少300倍）。与其他例子一样，在岛和互连点处的强和弱连接分别导致非共面布局最适合容纳应变。共面方案已经被其他团队探索过，他们使用的制造和集成策略与这里讨论的不同，但互补。在所有情况下，实际应用需要在整个区域使用机械保护和环境屏障的密封剂。正如系统的实验和建模研究所证明的那样，低模量材料对互连运动提供最小的约束是可取的。在这种情况下，可根据预应变和包封层弹性模量的函数解析确定拉伸性。我们注意到，对于任何设计，其性能在很大程度上取决于详细的几何结构和材料。
这些简单的材料、组装/集成和力学概念立即使各种可伸缩的电子和光电器件的产生成为可能。图4提供了一些示例。图4a中显示了一个利用图3a的力学原理的系统。这里，一种超薄（sim;1.7mu;m）互补金属氧化物硅（CMOS）电路，在中性机械平面布局中使用硅纳米膜作为活性材料，与底层弹性体以“波浪状”配置结合。当轻微拉伸时，波的振幅和波长分别减小和增大，以避免设备中的显著应变。尽管这种设计可以实现电路元件的全面积覆盖，但可拉伸性的范围不大（即20%或更小）。图4b显示了使用图3c的方案的示例，该方案保留了覆盖能力，但扩展到了10%的尺寸变化。蛇形互连进一步改善了力学性能，如图4c所示，橡胶带上的超薄（sim;2mu;m）、微型无机发光二极管（mu;-iled）阵列所示。力学模型（图4d）显示，在扭转720度的情况下，剪切应变接近50%。当器件中的最大应变仅为1%时，相关设备显示接近PDMS基板断裂极限（即200%）的拉伸范围。
图4。可拉伸硅电路、AlInGaP发光二极管和GaAs光伏的例子。(a)二维波形互补金属氧化物硅(CMOS)电路，按预制(顶部)和变形(底部)配置。(b)在结构弹性体衬底上放置一组砷化镓光伏微电池。(c)的砷化镓微尺度无机发光二极管(mu;-ILEDs)平州和360°和720°的扭曲。(d)扭转基底的应变分布，以720°扭转为例，通过三维有限元建模计算。
除了可伸缩性外，该机械装置还可以将设备安装在几乎任何种类的基板上，无论是平的还是弯曲的。整合可以通过弹性平面化和粘接层进一步促进，这些粘接层提供了一些底层基板变形与安装电路中变形的机械解耦。如图5所示，电子和光电器件集成到从织物（图5a）、乙烯基（图5b）、皮革（图5c）和纸张（图5d）到铝箔片（图5e）和树叶（图5f）的衬底中。其中一些实例有明确的预期用途，例如在“器械”外科手套（图5b）或纸质诊断设备（图5d）中；另一些则纯粹是探索性的（图5f），如下文所讨论的，它们展示了不寻常的工程选择，暗示了生物整合的机会。
图5。可拉伸的电子/光电子集成到不同的衬底上的例子，通过使用薄的、隔离应变的粘合剂来实现。(a)织物(a)、乙烯基(b)和皮革(c)手套上的硅CMOS电路。相互关联的一系列微尺度无机发光二极管(mu;-ILEDs)在一张折叠的纸(d),一张铝箔(e),叶片(f)。
仿生照相机
关于系统级设备示例，我们重点关注其他电子形式没有很好解决的两类技术：具有仿生半球形布局和生物集成设备的数码相机，用于心脏病、神经病和其他相关医学领域的临床应用。与第一种相对
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