우수한 성능과 신뢰성을 갖춘 신축성 무기박막 트랜지스터의 고밀도 집적화

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4963(2022) 이 기사 인용

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무기 반도체를 사용한 트랜지스터는 유기 트랜지스터에 비해 성능과 신뢰성이 뛰어납니다. 그러나 부서지기 쉬운 특성으로 인해 신축성 있는 전자 제품을 만드는 데에는 적합하지 않습니다. 이러한 단점으로 인해 기계적 변형을 피하기 위해 대부분 신축성이 없는 부품에 배치되어 이러한 견고한 부품을 연결하는 변형 가능한 상호 연결에 전체 시스템의 변형을 가하는 부담을 줍니다. 따라서 신축성이 최우선인 경우에는 신축성 있는 배선의 부분을 높여야 하기 때문에 집적밀도를 희생해야 한다. 본 연구에서는 이러한 상충관계를 극복하기 위해 장치를 신축성 있는 구불구불한 끈에 직접 내장함으로써 우수한 성능과 신뢰성을 갖는 산화물 박막 트랜지스터의 고밀도 집적을 보여줍니다. 내장된 트랜지스터는 변형으로부터 숨기지 않고 자체적으로 최대 100% 변형을 견뎌냅니다. 따라서 신축성을 희생하지 않고 집적 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 우리는 우리의 접근 방식이 이전보다 고급 기능을 갖춘 더 컴팩트하고 신축성 있는 전자 장치를 만들 수 있을 것으로 기대합니다.

신축성 전자 장치는 크기를 확장할 뿐만 아니라 사용자의 혁신적인 가능성과 창의적인 경험을 확장합니다. 전자 스킨은 이러한 흥미로운 응용 프로그램의 대표적인 예입니다1,2,3. 그들은 질감과 힘을 느껴 로봇을 인간처럼 만들기 위해 손가락을 따라 늘어날 수 있습니다. 더욱이, 컨포멀 히터는 차가운 로봇을 인체 온도에 맞춰 따뜻하게 하여 더 친숙하고 만지기 편하게 만들 수 있습니다3.

트랜지스터는 다양한 입력 신호를 처리하고 다른 구성 요소의 작동을 제어하므로 신축성 있는 전자 장치의 필수 구성 요소입니다4. 이러한 중요한 트랜지스터와 회로를 신축 가능하게 만드는 두 가지 주요 전략이 있습니다. 즉, 도체, 유전체 및 반도체를 포함한 본질적으로 신축 가능한 재료를 사용하거나5,6,7,8,9,10,11 신축성이 없는 장치를 단단한 섬에 배치하고 연결하는 것입니다. 구불구불한 모양의 다리, 액체 금속 등으로 만들 수 있는 신축성 있는 상호 연결이 있는 이러한 섬입니다.12,13,14,15,16,17,18,19,20. 이를 위해 기능성 아일랜드는 변형과 거의 완전히 분리되고 신축성 있는 배선이 거의 전체 변형을 차지합니다.

첫 번째 전략인 본질적으로 신축성이 있는 반도체 재료는 최근 몇 년 동안 놀라운 발전을 이루었습니다. 1 cm2 V−1 s−1 이상의 이동성을 나타내면서 변형률의 100%까지 늘어날 수 있습니다. 또한 최근에는 광 패턴화 가능하고 신축성이 있는 유기 재료가 보고되어 광학 리소그래피 기반 미세 가공이 가능해졌습니다. 그러나 프레임 속도가 높은 이미지 센서, 모바일 애플리케이션 프로세서 등과 같은 고속 애플리케이션에는 이동성이 약간 너무 낮습니다.

또 다른 전략은 높은 장치 성능에 초점을 맞추는 것이었습니다. 견고한 아일랜드와 신축성 있는 배선의 조합은 무기 트랜지스터를 사용할 수 있기 때문에 성능면에서 유기물을 압도합니다. Kim et al. 폴리이미드(PI) 아일랜드12,14에 인쇄 소스/드레인(SD) 도핑된 단결정 실리콘 조각을 전사하여 신축성 있는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 집적 회로를 보고했습니다. 그러나 이 전략의 가장 큰 단점은 전체 시스템의 높은 변형을 수용하기 위해 단단한 섬에 대한 신축성 상호 연결의 비율을 늘려야 하기 때문에 집적 밀도(단위 면적당 트랜지스터 수)가 상당히 제한된다는 것입니다(그림 1a 및 그림 1a 및 보충 그림 1). 이는 사용자 경험과 제조 비용 모두에 바람직하지 않은 기능적 섬이 거의 없는 구불구불한 다리가 많은 부피가 큰 신축성 장치로 이어집니다(그림 1d).