Integrazione ad alta densità di transistor a film sottile inorganico estensibile con prestazioni e affidabilità eccellenti

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4963 (2022) Citare questo articolo

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I transistor con semiconduttori inorganici hanno prestazioni e affidabilità superiori rispetto ai transistor organici. Tuttavia, sono sfavorevoli per la costruzione di prodotti elettronici elastici a causa della loro natura fragile. A causa di questo inconveniente, sono stati posizionati per lo più su parti non allungabili per evitare sollecitazioni meccaniche, gravando sulle interconnessioni deformabili, che collegano queste parti rigide, con la sollecitazione dell'intero sistema. La densità di integrazione deve quindi essere sacrificata quando l'estensibilità è la prima priorità perché la porzione di cablaggi estensibili dovrebbe essere aumentata. In questo studio, mostriamo l'integrazione ad alta densità di transistor a film sottile di ossido con prestazioni e affidabilità eccellenti incorporando direttamente i dispositivi in ​​stringhe a serpentina estensibili per annullare tale compromesso. I transistor integrati non si sottraggono alla deformazione e sopportano da soli sollecitazioni fino al 100%; pertanto, la densità di integrazione può essere migliorata senza sacrificare l'estensibilità. Ci aspettiamo che il nostro approccio possa creare un'elettronica estensibile più compatta con funzionalità di fascia alta rispetto a prima.

L'elettronica estensibile non solo espande le loro dimensioni, ma anche le possibilità innovative e le esperienze creative degli utenti. Le skin elettroniche sono un esempio rappresentativo di tale interessante applicazione1,2,3. Possono allungarsi insieme alle dita per rendere i robot più simili agli esseri umani sentendo trame e forze. Inoltre, i riscaldatori conformi possono riscaldare i robot freddi alla temperatura del corpo umano per renderli più familiari e confortevoli al tatto3.

I transistor sono elementi costitutivi essenziali per tale elettronica estensibile, poiché elaborano vari segnali di ingresso e controllano le operazioni di altri componenti4. Esistono due strategie principali per rendere estensibili questi transistor e circuiti cruciali: utilizzare materiali intrinsecamente estensibili, inclusi conduttori, dielettrici e semiconduttori5,6,7,8,9,10,11, o posizionare dispositivi non estensibili su isole rigide e collegare queste isole con interconnessioni estensibili, che possono essere costituite da ponti a forma di serpentina, metalli liquidi, ecc.12,13,14,15,16,17,18,19,20. Per questo le isole funzionali sono quasi completamente disaccoppiate a fatica ed i cablaggi estensibili assorbono la quasi totalità della deformazione.

La prima strategia, ovvero i materiali semiconduttori intrinsecamente estensibili, ha ottenuto notevoli progressi negli ultimi anni. Possono allungarsi fino al 100% della deformazione pur mostrando una mobilità superiore a 1 cm2 V−1 s−1. Inoltre, recentemente sono stati segnalati materiali organici foto-modellabili ed anche estensibili, che consentono la microfabbricazione basata sulla litografia ottica21. Tuttavia, la loro mobilità è leggermente troppo bassa per applicazioni ad alta velocità come sensori di immagine con frame rate elevati, processori per applicazioni mobili, ecc.

L'altra strategia è stata quella di concentrarsi sulle prestazioni elevate del dispositivo. Una combinazione di isole rigide e cablaggi estensibili travolge le prestazioni organiche poiché è possibile utilizzare transistor inorganici. Kim et al. riportati circuiti integrati estensibili a semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS) mediante stampa a trasferimento di pezzi di silicio monocristallino drogati con sorgente/drain (SD) su isole di poliimmide (PI)12,14. Tuttavia, lo svantaggio principale di questa strategia è che la densità di integrazione (numero di transistor per unità di area) è significativamente limitata perché la proporzione di interconnessioni estensibili rispetto alle isole rigide dovrebbe essere aumentata per far fronte all'elevata tensione sull'intero sistema (Fig. 1a e Figura supplementare 1). Ciò porta a un dispositivo estensibile ingombrante con molti ponti a serpentina con poche isole funzionali che è indesiderabile sia per l'esperienza dell'utente che per i costi di fabbricazione (Fig. 1d).