Nouvelle technique de fabrication pour l'électronique flexible

Les circuits informatiques ultrafins et flexibles sont un objectif d'ingénierie depuis des années, mais des obstacles techniques ont empêché le degré de miniaturisation nécessaire pour atteindre des performances élevées. Aujourd'hui, des chercheurs de l'université de Stanford ont inventé une technique de fabrication qui produit des transistors flexibles et atomiquement minces de moins de 100 nanomètres de long, soit plusieurs fois plus petits qu'auparavant.

Avec l'avancée, expliquent les chercheurs, la soi-disant « flextronique » se rapproche de la réalité. L'électronique flexible promet des circuits informatiques pliables, façonnables, mais économes en énergie qui peuvent être portés ou implantés dans le corps humain pour effectuer une myriade de tâches liées à la santé. De plus, l'« Internet des objets » à venir, dans lequel presque tous les appareils de notre vie sont intégrés et interconnectés, devrait également bénéficier de la flextronique.

Parmi les matériaux appropriés pour l'électronique flexible, les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) se sont révélés prometteurs en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et électriques, même à l'échelle nanométrique, ce qui en fait de meilleurs candidats que le silicium conventionnel ou les matériaux organiques.

Le défi technique à ce jour était que la formation de ces dispositifs d'une épaisseur presque impossible nécessitait un processus beaucoup trop intensif en chaleur pour les substrats en plastique flexibles. Ces matériaux fondraient et se décomposeraient simplement au cours du processus de production.

La solution selon les chercheurs, est de procéder par étapes, en commençant par un substrat de base qui est tout sauf flexible. Ils ont formé un film atomiquement mince de disulfure de molybdène (MoS2) semi-conducteur 2D recouvert de petites électrodes en or à nano-motifs au-dessus d'une plaque solide de silicium recouverte de verre. Étant donné que cette étape est effectuée sur le substrat de silicium conventionnel, les dimensions du transistor à l'échelle nanométrique peuvent être modelées avec des techniques de modelage avancées existantes, obtenant une résolution autrement impossible sur des substrats en plastique flexibles.

Cette technique de stratification, connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), fait croître un film de MoS2 une couche d'atomes à la fois. Le film résultant n'a que trois atomes d'épaisseur mais nécessite des températures atteignant 850 ° C (plus de 1500 ° F) pour fonctionner. En comparaison, le substrat flexible - en polyimide, un plastique fin - aurait perdu sa forme aux alentours de 360 °C (680 °F) et se serait complètement décomposé à des températures plus élevées.

En modelant et en formant d'abord ces pièces critiques sur du silicium rigide et en les laissant refroidir, les chercheurs de Stanford peuvent appliquer le matériau flexible sans dommage. Avec un simple bain dans de l'eau désionisée, l'ensemble de la pile de dispositifs se décolle, maintenant entièrement transféré sur le polyimide flexible.

Après quelques étapes de fabrication supplémentaires, les résultats sont des transistors flexibles capables de performances plusieurs fois supérieures à celles produites auparavant avec des semi-conducteurs atomiquement minces. Les chercheurs ont déclaré que si des circuits entiers pouvaient être construits puis transférés sur le matériau flexible, certaines complications avec les couches suivantes facilitent ces étapes supplémentaires après le transfert.

« Au final, l'ensemble de la structure ne fait que 5 microns d'épaisseur, y compris le polyimide souple », précise le professeur Eric Pop. "C'est environ dix fois plus fin qu'un cheveu humain."

Alors que la réalisation technique dans la production de transistors à l'échelle nanométrique sur un matériau flexible est remarquable en soi, les chercheurs ont également décrit leurs dispositifs comme « hautes performances », ce qui signifie dans ce contexte qu'ils sont capables de gérer des courants électriques élevés tout en fonctionnant à basse tension. , comme requis pour une faible consommation d'énergie.

"Cette réduction d'échelle a plusieurs avantages", a déclaré le Dr Daus. "Vous pouvez installer plus de transistors dans une empreinte donnée, bien sûr, mais vous pouvez également avoir des courants plus élevés à une tension plus faible - une vitesse élevée avec une consommation d'énergie moindre."

Pendant ce temps, les contacts en métal doré dissipent et diffusent la chaleur générée par les transistors pendant leur utilisation, une chaleur qui pourrait autrement compromettre le polyimide flexible.

Avec un prototype et une demande de brevet terminés, Daus et Pop sont passés à leurs prochains défis de raffinage des appareils. Ils ont construit des transistors similaires en utilisant deux autres semi-conducteurs atomiquement minces (MoSe2 et WSe2) pour démontrer la large applicabilité de la technique.

Pendant ce temps, Daus a déclaré qu'il envisageait d'intégrer des circuits radio aux appareils, ce qui permettra aux futures variations de communiquer sans fil avec le monde extérieur - un autre grand pas vers la viabilité de la flextronique, en particulier celles implantées dans le corps humain ou intégrées profondément dans d'autres appareils. connecté à l'internet des objets.

« C'est plus qu'une technique de production prometteuse. Nous avons atteint la flexibilité, la densité, des performances élevées et une faible consommation d'énergie, tout cela en même temps », a déclaré Pop. "Nous espérons que ce travail fera avancer la technologie à plusieurs niveaux."