Прорыв Стэнфорда: 100-нм атомно-тонкие транзисторы продвигают гибкую электронику вперед

Ультротонкие гибкие компьютерные схемы были инженерной целью годами, но технические препятства предотвращали степень миниатюризации, необходимую для высокой производительности. Теперь исследователи Стэнфордского университета изобрели производственную технику, дающую гибкие атомно-тонкие транзисторы длиной менее 100 нанометров — в несколько раз меньше, чем было возможно ранее.

С этим достижением, сказали исследователи, так называемые «флекстрон» приближаются к реальности. Гибкая электроника обещает сгибаемые, формируемые, но энергоэффективные компьютерные схемы, которые можно носить на теле или имплантировать в человеческое тело для выполнения множества медицинских задач. Более того, грядущий «интернет вещей», в котором почти каждое устройство в нашей жизни интегрировано и взаимосвязано, также должен выиграть от флекстрон.

Среди подходящих материалов для гибкой электроники двумерные (2D) полупроводники показали перспективу из-за их отличных механических и электрических свойств даже на наномасштабе, делая их лучшими кандидатами, чем обычный кремний или органические материалы.

Инженерный вызов до сих пор заключался в том, что формирование этих почти невероятно тонких устройств требует процесса, который слишком интенсивен по теплу для гибких пластиковых подложек. Эти материалы просто расплавились бы и разложились в производственном процессе.

Решение по мнению исследователей — делать это поэтапно, начиная с базовой подложки, которая никоим образом не гибка. Они сформировали атомно-тонкую пленку 2D полупроводника дисульфида молибдена (MoS₂) с наложенными малыми нано-паттернированными золотыми электродами на твердой плите из кремния, покрытой стеклом. Поскольку этот шаг выполняется на обычной кремниевой подложке, наномасштабные размеры транзистора могут быть запаттернены существующими передовыми техниками паттернинга, достигая разрешения, иначе невозможного на гибких пластиковых подложках.

Эта техника слоистости, известная как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), выращивает пленку MoS₂ по одному атомному слою за раз. Полученная пленка имеет толщину всего три атома, но требует температур до 850 °C (более 1500 °F) для работы. В сравнении, гибкая подложка — из полиимида, тонкого пластика — потеряла бы форму где-то около 360 °C (680 °F) и полностью разложилась бы при более высоких температурах.

Сначала паттернируя и формируя эти критические части на жестком кремнии и позволяя им остыть, исследователи Стэнфорда могут наносить гибкий материал без повреждений. Простым купанием в деионизированной воде весь стек устройства отслаивается, теперь полностью перенесенный на гибкий полиимид.

После нескольких дополнительных производственных шагов результаты — гибкие транзисторы, способные на в несколько раз лучшую производительность, чем любые ранее произведенные с атомно-тонкими полупроводниками. Исследователи сказали, что хотя целые схемы могли быть построены и затем перенесены на гибкий материал, определенные сложности со последующими слоями делают эти дополнительные шаги легче после переноса.

«В конце концов, вся структура имеет толщину всего 5 микрон, включая гибкий полиимид», — сказал профессор Эрик Поп. «Это примерно в десять раз тоньше человеческого волоса».

Хотя техническое достижение в производстве наномасштабных транзисторов на гибком материале замечательно само по себе, исследователи также описали свои устройства как «высокопроизводительные», что в этом контексте означает, что они способны обрабатывать высокие электрические токи при работе на низком напряжении, как требуется для низкого потребления энергии.

«Это уменьшение масштаба имеет несколько преимуществ», — сказал д-р Даус. «Вы можете разместить больше транзисторов в данном отпечатке, конечно, но также можете иметь более высокие токи при более низком напряжении — высокая скорость с меньшим потреблением энергии».

В то же время золотые металлические контакты рассеивают и распределяют тепло, генерируемое транзисторами во время использования — тепло, которое иначе могло бы поставить под угрозу гибкий полиимид.

С прототипом и заявкой на патент, Даус и Поп перешли к следующим вызовам по уточнению устройств. Они построили похожие транзисторы с двумя другими атомно-тонкими полупроводниками (MoSe₂ и WSe₂) для демонстрации широкой применимости техники.

Между тем, Даус сказал, что он смотрит в сторону интеграции радиочастотной схемы с устройствами, что позволит будущим вариациям беспроводно общаться с внешним миром — еще один большой шаг к жизнеспособности флекстрон, особенно имплантируемых в человеческое тело или интегрированных глубоко внутри других устройств, подключенных к интернету вещей.

«Это больше, чем многообещающая производственная техника. Мы достигли гибкости, плотности, высокой производительности и низкого потребления — всё одновременно», — сказал Поп. «Эта работа, надеемся, продвинет технологию вперед на нескольких уровнях».