IT-Байки: Резиновая электроника / Аналитика

Эластичная электроника, способная претерпевать механические деформации без ущерба для работоспособности, в последнее время перестала быть всего лишь поводом для повышенного интереса со стороны прессы - в качестве этакой разновидности экзотических технологий. Гибкая электроника становится как никогда востребованной во многих отраслях. Взять к примеру типичный случай – биомедицинские устройства. Будучи изготовлены с применением классических полупроводниковых технологий на кремниевых пластинах, такие устройства не будут обладать элементарной гибкостью, не говоря уж о возможности претерпевать сгибы и тем более растяжения-сжатия.

Примеров, где могут быть востребованы гибкие, эластичные, скручиваемые и растягиваемые чипы, можно привести множество – "умные" перчатки хирурга, наглазные камеры, детали автомобилей, элементы крыльев самолётов, компоненты ЖК-дисплеев и так делее. По мере совершенствования гибких полупроводниковых технологий спрос продолжает расти. В наших статьях и новостях мы неоднократно обращались к теме гибкой электроники, но последствия изобретения, о котором на этой неделе пресс-релизом сообщил Университет Майами (University of Miami), пожалуй, вызовут значительный прорыв в этой области.
В последнем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) профессор инженерного колледжа при Университете Майами Джижоу Сонг (Jizhou Song) и его коллеги, профессор Джон Роджерс (John Rogers) из Университета Иллинойса (University of Illinois) и профессор Йонганг Нуан (Yonggang Huang) из Северозападного Университета (Northwestern University) опубликовали статью под названием "Materials and Noncoplanar Mesh Designs for Integrated Circuits with Linear Elastic Responses to Extreme Mechanical Deformations", где рассказали о разработке новой структуры не просто гибкой, а растягиваемой электроники. Такие электронные устройства могут обладать значительно сложной формой без какого-либо ущерба для работоспособности. Разработчики говорят о невероятных вещах. Новая электроника способна скручиваться в требуемой конфигурации вплоть до спиральной формы с очень плотным шагом навивки, до 90° на 1 см, а при линейной деформации соперничать при растяжении с самой настоящей резиной – то есть, тянуться на 140%! В чём же "изюминка" нового изобретения? Попробуем разобраться. Благо что в этот раз учёные не поленились и тщательно поработали над иллюстрацией своей публикации. Разумеется, и здесь, как и во всех современных изобретениях, не обошлось без термина "наноматериал". Хотя, в этот раз речь идёт не о фантастических углеродных нанотрубках, но о старом кремнии - правда, в хитрой кристаллической форме, и добром CMOS-техпроцессе, тоже не без хитростей. Процесс производства растягиваемой электроники состоит из двух этапов. Основной секрет дизайна растягиваемой электроники – в формировании прямоугольных CMOS-массивов ("островков"), представляющих собой классический инвертор (логический элемент НЕ). CMOS-массивы формируются на ультратонкой пластиковой подложке печатным способом и связываются "лентами" монокристаллического кремния.

Формирование прямоугольных CMOS-массивов

Полупроводниковые массивы, соединённые гибкими металлическими межкомпонентными соединениями, размещаются на химически связанной, предварительно деформированной (растянутой) эластомерной подложке. В процессе проведения экспериментов учёные работали с монокристаллическими лентами толщиной 260 нм и 290 нм для p-каналов и n-каналов полевых транзисторов (MOSFET), соответственно. В качестве диэлектрика затвора применялся слой SiO₂ 50-нм толщины, осаждённый с помощью плазменного осаждения. Тот же тип плёнки использовался для формирования межслойного диэлектрика для металлических соединительных линий и электродов (Ti:5 нм/Au:150 нм). Пластмассовая подложка состояла из тонкого (1,2 мкм) слоя полиамида на подложке-носителе с тонкоплёночным (100 нм) покрытием из полиметилметакрилата (PMMA).

Транзисторы (MOSFET), сформированные таким способом, показали подвижность на уровне 130 и 370 см²/Vs для p-каналов и n-каналов, соответственно, с коэффициентом вкл/выкл на уровне 106 при рабочем напряжении менее 5В. Сейчас учёные как раз дорабатывают и оптимизируют эту часть процесса. Вторая часть производственного процесса имеет непосредственное отношение к размещению полупроводниковых структур на эластичной подложке, стойкой к механическим деформациям. Для этого заведомо сегментированную "сетевую" структуру с соединёнными электрически или гибким полимером "островками" выполаскивают в ацетоне (для отделения от подложки-носителя). Далее полученную структуру размещают на предварительно деформированной (растянутой) по двум осям подложке из поли-диметилсилоксана (PDMS) и позволяют этой подложке сжаться до нормального состояния. В результате сила сжатия деформирует соединительные проводники, приподнимая их вверх над подложкой из PDMS, и формируя таким образом арочные структуры. Почему арки поднимаются именно вверх, подробно объясняется в статье, но в нашем материале мы воздержимся от многоэтажных математически длинных химических формул.

гибкий полупроводниковый материал на эластичной подложке - некомпланарный сетевой дизайн

Получаемый таким образом гибкий полупроводниковый материал на эластичной подложке получил название некомпланарный сетевой дизайн (noncoplanar mesh design). На картинках, иллюстрирующих этот процесс, приведены как схематические рисунки, так и фотографии, сделанные с помощью электронного микроскопа.

Полученные в результате структуры способны на 100% "амплитуду" сжатия или растягивания, а в некоторых случаях даже больше, при этом деформация возможна в любых направлениях и комбинациях внешнего и внутреннего изгиба чипа. То есть, на практике получается реализуемым комплексное скручивание, смещение и другие сложные разновидности деформации.

Тестирование работоспособности полупроводников - 17%

Тестирование работоспособности полученных в результате полупроводников учёные проводили на примере 3-ступенчатых кольцевых генераторов, в которых каждый "островок" использовал n- и p-канальные полевые транзисторы (MOSFET). при этом ширина каналов составляла 100 мкм и 300 мкм соответственно, а длина каналов составляла 13 мкм. На рисунке ниже представлены снимки типичных значений деформации - 17% на растяжение и сжатие, амплитуда "арок" в крайних значениях менялась от 116,3 мкм до 445 мкм.

Тактовые частоты и другие свойства чипов при этом менялись незначительно.

Дополнительные деформации – сжатие/растяжение более 18% плюс скручивание/разворачивание по всем осям привели к большим, и всё же не особо значительным изменениям электрических характеристик.

Тестирование работоспособности полупроводников - 18%

Следующие иллюстрации относятся к экспериментам на экстремальные деформации – изгибу на 90° на расстоянии, сравнимом с дистанцией между парой мостов и "островков".

Тестирование работоспособности полупроводников - изгиб на 90°

Электрические измерения до и после деформации показали достаточно стабильные результаты как для инверторов (D верхний график), так и для кольцевых генераторов (D нижний график). Иными словами, даже такие сложные деформации позволяют говорить о вполне стабильной работе деформируемой электроники.

Приведённые выше примеры имеют отношение к достаточно простым цепям вроде инверторов и кольцевых генераторов, но что будет в случае работы с более сложными и нестандартными цепями? Приведённые ниже иллюстрации имеют отношение к экспериментам с дифференциальным усилителем, разделённым в "теле" чипа на четыре секции, каждая из которых формирует "островок" с гибкими металлическими "арочными" мостиками-проводниками.

Тестирование работоспособности дифференциального усилителя

Такой дизайн гораздо ближе к реальным приложениям. Даже сворачивание 2-сантиметрового фрагмента чипа на 180° не принесло каких-либо значительных изменений в электрических характеристиках.

Достаточно простым методом дальнейшего повышения эластичности чипов без изменения схемотехники или материалов для техпроцесса учёные называют элементарное увеличение интервалов между "островками" и уменьшение толщины связующих мостиков. Количественный эффект от предварительной деформации соединительных проводников будет выражен в превращении "арок" в змеевидно изогнутые кривые. На иллюстрациях ниже показано как будут выглядеть при 70% изгибе чипы, построенные с 35% предварительной деформацией.

чипы, построенные с 35% предварительной деформацией

В перспективе подобную электронику можно будет сворачивать в трубочку, крутить в бараний рог и чуть ли не мять. Воображение живо подсказывает шпионский галстук будущего – завязал на шее, подключил какой-нибудь Bluetooth v5.0 и пошёл на здоровье шпионить. Или, скажем, футуристическая многоразовая газетка – достал из кармана, развернул, разгладил ладонью углы, нажал верхний правый уголок для активации RSS и читай на здоровье новости; подошёл транспорт – свернул газетку в карман и поехал дальше… Однако пора, наконец, задать наиболее важный и щекотливый вопрос. Хорошо, скрутил-свернул, это понятно, но изгибов и скручиваний вытерпит такая электроника? Понятно, что решение явно не одноразовое, но ведь нас и трёх-пяти разовое не устроит, верно? Учёные и на этот случай провели эксперименты. Как показали тесты на устойчивость, практически все электрические свойства "резиновой" электроники практически не изменяются после 1000 циклов деформации. На иллюстрации ниже показан чип с 90% предварительной деформацией, позволяющий в результате получить рекордные "резиновые" 140%. Ниже - графики тестирования электрических характеристик на протяжении 1000 циклов деформации.

Неплохо бы такую электронику вшивать, например, в куртку. Или в бейсболку, в шарфик. Или на крайний случай хотя бы мобильный телефончик, наматываемый на запястье любого диаметра.

Судя по глубине проработки вопроса (в статье указаны мельчайшие детали техпроцесса, характеристики всех применявшихся материалов, вплоть до указания типа подложек с SOI и их производителя), коммерциализация идеи – лишь дело времени и наличия интереса той или иной компании. Как скоро в продаже появятся MP3 плееры, наматываемые на палец, зависит уже не от технологий, а от того, заинтересуется ли кто-нибудь такой идеей настолько сильно, чтобы вложить в производство растягиваемой электроники приличные деньги.
Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: