Stanford Doorbraak: 100-nm Atoomdunne Transistoren Drijven Flexibele Elektronica Vooruit

Ultradunne, flexibele computercircuits zijn al jaren een engineering doel, maar technische hindernissen hebben de mate van miniaturisatie verhinderd die nodig is om hoge prestaties te bereiken. Nu hebben onderzoekers aan Stanford University een productietechniek uitgevonden die flexibele, atoombestande transistoren levert van minder dan 100 nanometer in lengte — verschillende keren kleiner dan eerder mogelijk.

Met de vooruitgang, zeiden de onderzoekers, bewegen zogenaamde "flextronics" dichter bij de realiteit. Flexibele elektronica belooft buigbare, vormbare, maar energie-efficiënte computercircuits die op, of geïmplanteerd in, het menselijk lichaam gedragen kunnen worden om tal van gezondheidsgerelateerde taken uit te voeren. Wat meer is, de komende "internet of things," waarin bijna elk apparaat in ons leven geïntegreerd en geïnterconnect is, zou op gelijke wijze moeten profiteren van flextronics.

Onder geschikte materialen voor flexibele elektronica, hebben tweedimensionale (2D) halfgeleiders belofte getoond vanwege hun uitstekende mechanische en elektrische eigenschappen, zelfs op de nanoschaal, wat ze betere kandidaten maakt dan conventioneel silicium of organische materialen.

De engineering uitdaging tot nu toe is geweest dat het vormen van deze bijna onmogelijk dunne apparaten een proces vereist dat veel te hitte-intensief is voor flexibele plastic substraten. Deze materialen zouden simpelweg smelten en decomponeren in het productieproces.

De oplossing volgens de onderzoekers, is om het in stappen te doen, beginnend met een basissubstraat dat alles behalve flexibel is. Ze vormden een atoombestande film van de 2D halfgeleider molybdeen disulfide (MoS2) overlaagd met kleine nano-gepatterneerde goud elektroden op een solide plaat van silicium bedekt met glas. Omdat deze stap uitgevoerd wordt op het conventionele silicium substraat, kunnen de nanoschaal transistordimensies gepatroneerd worden met bestaande geavanceerde patroneringstechnieken, wat een resolutie bereikt die anders onmogelijk is op flexibele plastic substraten.

Deze laagtechniek, bekend als chemische dampdepositie (CVD), laat een film van MoS2 groeien één laag atomen per keer. De resulterende film is slechts drie atomen dik maar vereist temperaturen die 850°C (meer dan 1500°F) bereiken om te werken. Als vergelijking, het flexibele substraat — gemaakt van polyimide, een dun plastic — zou de vorm ergens rond 360°C (680°F) verliezen, en volledig decomponeren bij hogere temperaturen.

Door eerst deze cruciale delen op starre silicium te patroneren en te vormen en ze te laten afkoelen, kunnen de Stanford onderzoekers het flexibele materiaal zonder schade aanbrengen. Met een eenvoudig bad in gedemineraliseerd water, pelt het hele apparaatstapel terug, nu volledig overgedragen op het flexibele polyimide.

Na een paar extra fabricagestappen, zijn de resultaten flexibele transistoren capabel van verschillende keren betere prestaties dan ooit eerder geproduceerd met atoombestande halfgeleiders. De onderzoekers zeiden dat hoewel hele circuits gebouwd en dan overgedragen kunnen worden naar het flexibele materiaal, bepaalde complicaties met opvolgende lagen deze extra stappen na overdracht makkelijker maken.

"Uiteindelijk is de hele structuur slechts 5 micron dik, inclusief het flexibele polyimide," zei Professor Eric Pop. "Dat is ongeveer tien keer dunner dan een menselijk haar."

Terwijl de technische prestatie in het produceren van nanoschaal transistoren op een flexibel materiaal op zich al opmerkelijk is, beschreven de onderzoekers hun apparaten ook als "hoge prestaties," wat in deze context betekent dat ze in staat zijn om hoge elektrische stromen te hanteren tijdens ze werken bij lage spanning, zoals vereist voor laag stroomverbruik.

"Deze verkleining heeft verschillende voordelen," zei Dr. Daus. "Je kunt meer transistoren in een gegeven voetafdruk passen, natuurlijk, maar je kunt ook hogere stromen bij lagere spanning hebben — hoge snelheid met minder stroomverbruik."

Terwijl de goud metaal contacten de warmte die gegenereerd wordt door de transistoren tijdens gebruik afvoeren en spreiden — warmte die anders het flexibele polyimide in gevaar zou brengen.

Met een prototype en patentaanvraag compleet, zijn Daus en Pop verhuisd naar hun volgende uitdagingen van het verfijnen van de apparaten. Ze hebben vergelijkbare transistoren gebouwd met twee andere atoombestande halfgeleiders (MoSe2 en WSe2) om de brede toepasbaarheid van de techniek te demonstreren.

Ondertussen zei Daus dat hij kijkt naar het integreren van radio circuits met de apparaten, wat toekomstige variaties in staat zal stellen om draadloos te communiceren met de buitenwereld — nog een grote sprong naar haalbaarheid voor flextronics, met name die geïmplanteerd in het menselijk lichaam of geïntegreerd diep binnen andere apparaten verbonden met het internet of things.

"Dit is meer dan een veelbelovende productietechniek. We hebben flexibiliteit, dichtheid, hoge prestaties en laag vermogen — allemaal tegelijk," zei Pop. "Dit werk zal de technologie hopelijk op meerdere niveaus vooruit helpen."