Кремниевая электроника: согни меня полностью!

Сегодня кажется, что современная электроника, это что-то монолитное, твёрдое, но недалёк тот день и час, когда электронные устройства станут гибкими (и некоторые производители уже преуспели!), смартфоны можно будет свернуть в трубочку, а монитор в 2 метра будет автоматически «раскатываться» при включении телевизора или компьютера… Это, конечно, пока мечты, но реальная гибкая электроника уже во всю производится в лабораториях по всему миру в качестве опытных образцов для поиска наиболее оптимальной и дешёвой технологии.

Тема создания гибкой не углеродной, а именно кремниевой электроники побудила разработчиков из Института науки и технологий короля Абдулы, что в Саудовской Аравии (да-да, нефть прогрессу не помеха), разработать новый метод переноса микроэлектронных компонентов таких, как ёмкости, транзисторы, а также целых микрочипов на гибкую подложку диоксида кремния или поликристаллического/аморфного кремния.

Конечно, решение данного вопроса не ново и многие лаборатории уже проделали немалую работу на этом поприще. Например, IBM год назад представила своё видение ^[1] гибкой электроники, до этого была предпринята масса попыток создавать «подпружиненые» контакты ^[2], скреплять между собой отдельные, небольшие чипы на обычном кремнии проводящими полимерами ^[3] и даже решение на основе углеродных нанотрубок ^[4], однако описанная ниже технология требует лишь небольшого изменения техпроцессов на производстве и использует кремний и диоксид кремния.

Итак, немногие, наверное, знают, что обычное стекло можно согнуть практически пополам, всё дело лишь в толщине изделия. Это фактически то же самое, что сравнивать алюминиевую или железную тонкую фольгу с объёмным куском металла. Вот и представленная технология использует данный эффект, то есть толщина подложки уменьшена до всего-навсего 5 микрон. Чтобы отделить подложку от носителя в ней «сверлятся» дырки размером около 3-5 микрометров, через которые затем и происходит реакционное травление с равномерным отделением подложки он носителя.

Два процесса создания гибкой электроники: а) на прозрачной подложке из диоксида кремния и б) на обычной кремниевой подложке

Чтобы проверить работоспособность и воспроизводимость данного технологического процесса, авторы работы создали гибкие полупроводниковые ёмкости (MOSCAP), полевые транзисторы (MOSFET ^[5]), и конденсаторы типа металл-изолятор-металл (MIMCAP). Все тестовые образцы уверенно гнутся и демонстрируют практически неотличимые характеристики по сравнению с объёмными собратьями.

Конденсаторы и полевые транзисторы, созданные на тонкой и от того гибкой пластине кремния

Но и это ещё не всё, в работе так же представлена работа готовых устройств таких, как микро-Li-Ion батарейка и термоэлектрический генератор:

Демонстрация работы реальных устройств: a-b) термоэлектрический генератор и его характеристики ©, d) литиевая батарейка и её ёмкость (e)

Говоря о стоимости, авторы пишут, что все задействованные в изготовлении процессы равнозначны тем, что используются на обычном производстве, за исключением одного – реактивного травления с помощью XeF₂ с последующим отделением пластины. Однако на 18 см² пластину расходуется около 2 г данного соединения (100 циклов, 30 с/цикл). Учитывая стоимость в 8$/г, получается, что всё процедура травления выходит в 0.88$/см², что не так уж и мало. А рекуперация Xe – хотя бы частичная – позволит снизить издержки многократно. К тому же, утоньшение подложки позволит существенно экономить материалы.

И напоследок, видео, в котором авторы «играются» с 4 дюймовой пластиной, взять которое можно тут ^[6].

Оригинальная статья опубликована в журнале ACSNano ^[7].

Автор: Tiberius

Источник ^[8]