Высокая плотность интеграции растягивающихся неорганических тонкопленочных транзисторов с превосходными характеристиками и надежностью.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4963 (2022) Ссылаться на эту статью

4565 Доступов

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Эта статья обновлена

Транзисторы с неорганическими полупроводниками имеют превосходные характеристики и надежность по сравнению с органическими транзисторами. Однако они не подходят для создания растягивающихся электронных изделий из-за своей хрупкости. Из-за этого недостатка их чаще всего размещают на нерастягивающихся частях, чтобы избежать механических напряжений, нагружающих деформируемые межсоединения, которые соединяют эти жесткие части, напряжением всей системы. Поэтому плотностью интеграции приходится жертвовать, когда растяжимость является главным приоритетом, потому что часть растягивающихся проводов должна быть увеличена. В этом исследовании мы демонстрируем высокую плотность интеграции оксидных тонкопленочных транзисторов, обладающих превосходными характеристиками и надежностью, путем непосредственного внедрения устройств в растягиваемые змеевидные струны, чтобы избежать такого компромисса. Встроенные транзисторы не боятся деформации и сами выдерживают нагрузку до 100%; таким образом, плотность интеграции может быть повышена без ущерба для растяжимости. Мы ожидаем, что наш подход позволит создать более компактную, растягиваемую электронику с высококлассной функциональностью, чем раньше.

Растягивающаяся электроника расширяет не только свои размеры, но и инновационные возможности и творческий опыт пользователей. Электронные скины являются одним из показательных примеров такого интересного применения1,2,3. Они могут растягиваться пальцами, чтобы сделать роботов более похожими на людей, ощущая текстуры и силы. Более того, конформные обогреватели могут нагреть холодных роботов до температуры человеческого тела, чтобы они стали более привычными и удобными на ощупь3.

Транзисторы являются важными строительными блоками такой гибкой электроники, поскольку они обрабатывают различные входные сигналы и управляют работой других компонентов4. Существует две основные стратегии, позволяющие сделать эти важные транзисторы и схемы растяжимыми: использование растягивающихся материалов, включая проводники, диэлектрики и полупроводники5,6,7,8,9,10,11, или размещение нерастягивающихся устройств на жестких островках и соединение эти острова с растягивающимися межсоединениями, которые могут быть изготовлены из змеевидных перемычек, жидких металлов и т. д.12,13,14,15,16,17,18,19,20. При этом функциональные островки практически полностью развязаны с деформацией, а растягивающиеся проводки принимают на себя почти всю деформацию.

Первая стратегия — полупроводниковые материалы, обладающие способностью к растяжению, — за последние годы добилась значительных успехов. Они могут растягиваться до 100% деформации, демонстрируя подвижность выше 1 см2 В-1 с-1. Кроме того, недавно появились сообщения об органических материалах, на которых можно наносить фотопаттерны, а также растягиваться, что позволяет осуществлять микропроизводство на основе оптической литографии21. Однако их мобильность слишком мала для высокоскоростных приложений, таких как датчики изображения с высокой частотой кадров, процессоры мобильных приложений и т. д.

Другая стратегия заключалась в том, чтобы сосредоточиться на высокой производительности устройств. Сочетание жестких островков и растягивающихся проводов превосходит органику по производительности, поскольку можно использовать неорганические транзисторы. Ким и др. сообщили о растягивающихся интегральных схемах на основе комплементарного металлооксида-полупроводника (CMOS) путем переноса печатных частей монокристаллического кремния, легированного истоком/стоком (SD), на полиимидные (PI) островки12,14. Однако основным недостатком этой стратегии является то, что плотность интеграции (количество транзисторов на единицу площади) существенно ограничена, поскольку соотношение растягиваемых межсоединений и жестких островков должно быть увеличено, чтобы выдержать высокую нагрузку на всю систему (рис. 1а и Дополнительный рисунок 1). Это приводит к созданию громоздкого растягивающегося устройства, имеющего множество змеевидных перемычек с небольшим количеством функциональных островков, что нежелательно как с точки зрения удобства пользователя, так и с точки зрения стоимости изготовления (рис. 1d).