一种新的弹性聚合物电介质，用于创建晶圆级可拉伸电子元件

使用真空沉积聚合物电介质对固有可拉伸晶体管阵列进行晶圆级制造的照片

在过去的几年里，材料科学家和电子工程师一直在尝试制造新的柔性无机材料，以创造可拉伸和高性能的电子设备。这些设备可以基于不同的设计，例如具有蛇形/分形互连的刚性岛活性电池、中性机械平面或双层结构。

尽管在可拉伸材料的制造方面取得了重大进展，但事实证明，一些挑战难以克服。例如，具有波浪形或蛇形互连设计的材料通常具有有限的面积密度，并且制造提议的可拉伸材料通常既困难又昂贵。此外，许多现有可拉伸材料的刚度与人体皮肤组织的刚度不匹配，使它们在皮肤上不舒服，因此不适合创建可穿戴技术。

成均馆大学（SKKU）、基础科学研究所（IBS）、首尔国立大学（SNU）和韩国科学技术院（KAIST）的研究人员最近制造了一种真空沉积弹性聚合物，用于开发可拉伸电子产品。这种材料在Nature Electronics上介绍，可用于制造有弹性的场效应晶体管（FET），这是当今市场上大多数电子设备的主要组件。

“最近，已经提出了采用软材料的各种方法，用于开发本质上可拉伸的电子产品，由于其固有的可变形性，不需要任何特定的结构设计，”进行这项研究的研究人员之一Donghee Son告诉Tech Xplore。“然而，此类设备采用溶液处理的介电材料，因此在实现高电气性能方面遇到了关键挑战。

溶液处理的有机栅极介电材料，可以在不导电的情况下传输电力（即绝缘）的材料，不是特别适合制造柔性电子产品。最值得注意的是，它们的厚度在微米级，绝缘性能差，化学不稳定和低均匀性。此外，它们通常与传统的微细加工工艺不兼容，因此难以大规模生产。

由于这些限制，基于这些溶液处理材料的电子元件受到栅极可控性差、工作电压高以及可扩展性有限的困扰。因此，Son和他的同事以及全球其他研究团队一直在尝试通过替代制造策略创造超薄，可拉伸，可扩展和高性能的电介质。

“在我们的研究中，我们提出了一种设计介电材料的新方法，以解决固有可拉伸电子设备中的上述挑战，”Son解释说。“我们的大规模真空沉积可伸缩电介质能够可扩展地制造固有可伸缩器件，其电气性能可与使用不可拉伸的无机和可拉伸有机电介质材料（例如，Al₂O₃通过原子层沉积和旋涂粘弹性层沉积）。

使用真空沉积聚合物电介质的本征可拉伸晶体管和逻辑门的图像

为了创建基于聚合物的电介质，Son和他的同事首先使用称为引发化学气相沉积（iCVD）的工艺共聚了两种不同的单体，即丙烯酸异壬酯（INA）和1，3，5-三甲基-1，3，5-三甲基-3，3，3-try乙烯基环三硅氧烷（V3D<>）。单体INA充当软链段，增加材料的拉伸性，而V<>D<>用作可交联的硬链段，使聚合物薄膜具有强大的绝缘性能。

“优化了单体（INA和V3D3）的混合比例，以实现设备的绝缘和拉伸性能，”Son说。“我们的真空沉积聚合物电介质，介电常数为3.59，击穿场为2.3 MV / cm，显示等效氧化物厚度（EOT）值小于200 nm，这是迄今为止报告的可拉伸介电层中最低的值。

为了证明他们的材料前景，研究人员用它来制造晶体管，然后用它们来制造有弹性的逆变器和逻辑门。在最初的测试中，这些组件取得了非常有希望的结果。

除了高介电常数和低EOT值外，它们还可以拉伸到40%的应变，同时保持其绝缘性能。研究小组还发现，他们的材料在微细加工过程中表现出很高的化学和热稳定性，并且在大面积上保持高度均匀。

“我们是真空沉积可伸缩电介质的第一个帐户，也展示了其在固有可拉伸电子设备中的应用，”Son说。“换句话说，与传统的厚聚合物电介质相比，可拉伸真空沉积纳米厚膜（约160纳米）具有出色的电气，机械和化学性能。我们的真空沉积方法固有的卓越优势可以促进高性能晶圆可扩展可穿戴设备的开发。我们研究的观察结果将改变 软电子的传统范式。

在未来，该团队的材料可以制造新的固有可拉伸和高性能晶体管和逻辑电路，消耗更少的电力。这些晶体管和电路可用于制造许多软电子产品，包括可穿戴和植入式设备。

“我认为在可拉伸电子设备中实现节能性能将是可靠可穿戴设备长期发展中最重要的问题，”孙正义补充道。“因此，真空沉积绝缘材料的厚度应越来越薄，以提高浇口的可控性，同时保持拉伸性。此外，其介电常数将提高到10以上，与高k无机电介质相当。