Integração de alta densidade de transistores inorgânicos de película fina esticáveis ​​com excelente desempenho e confiabilidade

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4963 (2022) Citar este artigo

4565 acessos

1 Citações

2 Altmétrica

Detalhes das métricas

Este artigo foi atualizado

Os transistores com semicondutores inorgânicos têm desempenho e confiabilidade superiores em comparação aos transistores orgânicos. No entanto, eles são desfavoráveis ​​para a construção de produtos eletrônicos elásticos devido à sua natureza frágil. Devido a esta desvantagem, eles têm sido colocados principalmente em partes não esticáveis ​​para evitar esforços mecânicos, sobrecarregando as interconexões deformáveis, que ligam essas partes rígidas, com o esforço de todo o sistema. A densidade de integração deve, portanto, ser sacrificada quando a elasticidade é a primeira prioridade porque a porção de fiações extensíveis deve ser elevada. Neste estudo, mostramos a integração de alta densidade de transistores de filme fino de óxido com excelente desempenho e confiabilidade, incorporando diretamente os dispositivos em cadeias de serpentina esticáveis ​​para derrotar tal trade-off. Os transistores embutidos não se escondem da deformação e suportam tensões de até 100% sozinhos; assim, a densidade de integração pode ser aumentada sem sacrificar a elasticidade. Esperamos que nossa abordagem possa criar eletrônicos elásticos mais compactos com funcionalidade de ponta do que antes.

A eletrônica extensível não apenas expande suas dimensões, mas também as possibilidades inovadoras e as experiências criativas dos usuários. As capas eletrônicas são um exemplo representativo dessa aplicação interessante1,2,3. Eles podem se esticar junto com os dedos para tornar os robôs mais parecidos com os humanos, sentindo texturas e forças. Além disso, os aquecedores conformais podem aquecer os robôs frios às temperaturas do corpo humano para se tornarem mais familiares e confortáveis ​​ao toque3.

Os transistores são blocos de construção essenciais para esses eletrônicos extensíveis, pois processam vários sinais de entrada e controlam as operações de outros componentes4. Existem duas estratégias principais para tornar esses transistores e circuitos cruciais elásticos: usando materiais intrinsecamente elásticos, incluindo condutores, dielétricos e semicondutores5,6,7,8,9,10,11, ou colocando dispositivos não elásticos em ilhas rígidas e conectando essas ilhas com interconexões esticáveis, que podem ser feitas de pontes em forma de serpentina, metais líquidos, etc.12,13,14,15,16,17,18,19,20. Para isso, as ilhas funcionais são quase totalmente desacopladas com a deformação e as fiações extensíveis absorvem quase toda a deformação.

A primeira estratégia, materiais semicondutores intrinsecamente elásticos, alcançou avanços notáveis ​​nos últimos anos. Eles podem esticar até 100% da tensão enquanto exibem mobilidade acima de 1 cm2 V-1 s-1. Além disso, materiais orgânicos que são fotopadronizáveis ​​e também elásticos foram relatados recentemente, permitindo a microfabricação baseada em litografia óptica21. No entanto, sua mobilidade é um pouco baixa para aplicativos de alta velocidade, como sensores de imagem com altas taxas de quadros, processadores de aplicativos móveis, etc.

A outra estratégia tem sido focar no alto desempenho do dispositivo. Uma combinação de ilhas rígidas e fiações elásticas sobrecarrega os orgânicos em desempenho, pois transistores inorgânicos podem ser usados. Kim e outros. relataram circuitos integrados de semicondutores de óxido de metal complementar elásticos (CMOS) elásticos por transferência de impressão fonte/dreno (SD) pedaços de silício cristalino dopados em ilhas de poliimida (PI)12,14. No entanto, a principal desvantagem dessa estratégia é que a densidade de integração (número de transistores por unidade de área) é significativamente limitada porque a proporção de interconexões elásticas para ilhas rígidas deve ser aumentada para acomodar a alta tensão em todo o sistema (Fig. 1a e Suplementar Fig. 1). Isso leva a um dispositivo elástico volumoso com muitas pontes serpentinas com poucas ilhas funcionais, o que é indesejável tanto para a experiência do usuário quanto para o custo de fabricação (Fig. 1d).