Neue Fertigungstechnologie für flexible Elektronik

Ultradünne und flexible Computerschaltungen sind seit Jahren ein technisches Ziel, aber technische Hindernisse haben den für eine hohe Leistung erforderlichen Miniaturisierungsgrad verhindert. Forscher der Stanford University haben nun eine Fertigungstechnik erfunden, die flexible und atomar dünne Transistoren mit einer Länge von weniger als 100 Nanometern herstellt – um ein Vielfaches kleiner als bisher möglich. Diese Technologie wird in einem am 17. Juni veröffentlichten Papier detailliert beschrieben Natur Elektronik.

Mit Fortschritten rückt die sogenannte „Flextronics“ näher an die Realität heran, so die Forscher. Flexible Elektronik verspricht biegsame, verformbare, energieeffiziente Computerschaltkreise, die getragen oder in den menschlichen Körper implantiert werden können, um unzählige gesundheitsbezogene Aufgaben zu erfüllen. Darüber hinaus sollte das kommende „Internet der Dinge“, in dem fast jedes Gerät unseres Lebens integriert und mit flexibler Elektronik verbunden ist, die Vorteile flexibler Elektronik nutzen.

Unter den Materialien, die für flexible Elektronik geeignet sind, haben sich zweidimensionale (2D) Halbleiter aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften selbst im Nanobereich als vielversprechend erwiesen, was sie zu einem besseren Kandidaten macht als herkömmliches Silizium oder organische Materialien.

Die technische Herausforderung bestand bisher darin, dass das Formen dieser nahezu unmöglich dünnen Bauteile einen Prozess erfordert, der für flexible Kunststoffsubstrate extrem hohe Wärme erfordert. Dieses flexible Material schmilzt und zersetzt sich im Produktionsprozess einfach.

Laut Eric Pope, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, und Alwyn Dawes, Postdoktorand in Popes Labor, der die Technologie entwickelt hat, besteht die Lösung darin, dies schrittweise zu tun, beginnend mit einem Substrat, das nicht flexibel ist.

Auf einer glasbeschichteten Silizium-Feststoffplatte bilden Pop und Daus einen atomaren dünnen Film aus zweidimensionalem Molybdändisulfid (MoS2), der mit winzigen Gold-Nanoelektroden bedeckt ist. Da dieser Schritt auf einem herkömmlichen Siliziumsubstrat durchgeführt wird, können die Abmessungen des Nanotransistors unter Verwendung aktueller fortschrittlicher Strukturierungstechniken entworfen werden, wodurch eine Präzision auf flexiblen Kunststoffsubstraten unmöglich wird.

Die Schichttechnik, bekannt als chemische Gasphasenabscheidung (CVD), lässt eine Schicht aus MoS2 eine Schicht von Atomen nach der anderen wachsen. Der resultierende Film ist nur drei Atome dick, erfordert jedoch Temperaturen von bis zu 850 °C (über 1500 °F), um zu funktionieren. Zum Vergleich: Das flexible Substrat – aus Polyimid, einem dünnen Kunststoff – hat bei etwa 360 °C längst seine Form verloren und zersetzt sich bei höheren Temperaturen vollständig.

Indem diese kritischen Teile zuerst auf festem Silizium geformt und geformt und dann abgekühlt werden, können die Stanford-Forscher das flexible Material ohne Beschädigung auftragen. Mit einem einfachen Bad in entionisiertem Wasser wird das gesamte Gerät zurückgeschält und nun vollständig auf das Elastomer übertragen.

Nach einigen zusätzlichen Herstellungsschritten sind die Ergebnisse flexible Transistoren, die in der Lage sind, ein Vielfaches an Leistung zu erbringen als alle Transistoren, die vor der Verwendung atomar dünnerer Halbleiter hergestellt wurden. Während komplette Schaltungen aufgebaut und dann auf das flexible Material übertragen werden können, erleichtern einige Feinheiten mit nachfolgenden Schichten diese zusätzlichen Schritte nach dem Transfer, so die Forscher.

„Letztendlich ist die gesamte Struktur nur 5 Mikrometer dick, einschließlich des flexiblen Polyimids“, sagte Pope, der leitende Autor der Forschungsarbeit. „Das ist zehnmal dünner als ein menschliches Haar.“

Die technische Meisterleistung, Nano-Transistoren auf flexiblem Material herzustellen, ist an sich schon bemerkenswert, die Forscher bezeichnen ihre Geräte aber auch als „hochleistungsfähig“, was in diesem Zusammenhang bedeutet, dass sie hohe elektrische Ströme bei geringem Betrieb bewältigen können Spannungen, wie erforderlich, um niedrige Energie zu verbrauchen.

„Diese Verkleinerung hat mehrere Vorteile“, sagte Dawes, der Erstautor des Papiers. „Man kann natürlich mehr Transistoren in einem gegebenen Raum unterbringen, aber man kann auch höhere Ströme bei niedrigeren Spannungen erzielen – höhere Geschwindigkeit bei geringerer Leistungsaufnahme.“

Währenddessen leiten die Goldmetallkontakte die von den Transistoren während des Gebrauchs erzeugte Wärme ab – Wärme, die das flexible Polyimid beeinträchtigen könnte.

Nachdem der Prototyp und die Patentanmeldung abgeschlossen waren, wandten sich Daus und Pop ihren nächsten Herausforderungen der Verbesserung der Hardware zu. Sie bauten ähnliche Transistoren aus zwei atomar dünnen Halbleitern (MoSe2 und WSe2), um die breite Anwendung dieser Technologie zu demonstrieren.

Dawes sagte, er freue sich auf die Integration drahtloser Schaltkreise in Geräte, die es zukünftigen Varianten ermöglichen werden, drahtlos mit der Außenwelt zu kommunizieren – ein weiterer großer Sprung in Richtung Überlebensfähigkeit für flexible Elektronik, insbesondere solche, die in den menschlichen Körper implantiert oder tief in andere angeschlossene Geräte eingebettet sind zum Internet der Dinge.

„Dies ist mehr als nur eine vielversprechende Produktionstechnologie“, sagte Bob. „Wir haben Flexibilität, Dichte, hohe Leistung und niedrige Energie gleichzeitig erreicht.“ „Wir hoffen, dass diese Arbeit die Technologie auf mehreren Ebenen voranbringen wird.“

###

Co-Autoren sind die Postdoktoranden Sam Waziri und Kevin Brenner, die Doktoranden Victoria Chen, Cha El Koro Lu, Ryan Grady, Connor Bailey, Christine Schäuble und der Forscher Hae Ryong Lee.

Diese Forschung wurde durch ein Early Mobility Postdoctoral Fellowship des Schweizerischen Nationalfonds, das Beijing Institute of Collaborative Innovation, die US National Science Foundation und die Stanford SystemX Alliance finanziert.