覺(jué)得柔性電子就是可穿戴？那你就大錯特錯了

柔性電子技術(shù)的存在許多可能。

目前，業(yè)內針對從脈搏和活性監測到電解質(zhì)平衡測量等各種應用提出了各種相應的柔性電子器件。這使得要將柔性電子設備泛化和通用化變得比較困難，不過(guò)，目前提出的各種柔性電子器件大部分都涉及到傳感器、電源、板載數據存儲器、分析性電子器件以及用于配置和數據傳輸的某種形式的通信部件的組合。

與剛性電子相比，柔性電子在成本和可用性上都具備一定的優(yōu)勢。（因此，本文將柔性電子和像智能手表這樣的可穿戴電子產(chǎn)品區分開(kāi)）。來(lái)自柔性電子產(chǎn)品的數據可能用于支持慢性疾病患者的治療決策，所以準確和一致的測量至關(guān)重要。像皮膚一樣彎曲和拉伸的貼片比尺寸更大、體積更大的器件的可穿戴性更好。而且，采用印刷電路技術(shù)制造的電子設備可能更便宜，如果出于衛生的原因需要把設備設計為一次性的，成本也是非常重要的一個(gè)考慮因素。

不過(guò)，隨著(zhù)應用的推廣，柔性電子設備的靈活性和性能之間的矛盾和權衡很快就體現出來(lái)了。雖然在過(guò)去幾年中，可印刷半導體技術(shù)取得了顯著(zhù)的進(jìn)步，但是它們依然無(wú)法匹配先進(jìn)硅片器件的高性能?；诖?，許多觀(guān)察者期望柔性電子設備使用混合技術(shù)，將非常薄的硅邏輯和通信電路和可印刷的傳感器和可能的電源供應結合起來(lái)。

這種混合集成方案需要在不損壞硅電路的情況下將之轉換貼裝到柔性基板上。正如紐約大學(xué)的一名研究生Abdullah Alharbi在2016年12月份的IEEE電子器件會(huì )議上的演講中所解釋的，轉換貼裝技術(shù)分為三大類(lèi)。第一類(lèi)，強力方法，使用機械和/或化學(xué)拋光來(lái)薄化半導體。第二類(lèi)，通過(guò)蝕刻等方法將外延層剝離，具體方法取決于將哪些嵌入的犧牲層選擇性橫向移除。

第三類(lèi)方法，通過(guò)基板破裂進(jìn)行機械剝離，也稱(chēng)為剝落。在受控剝落技術(shù)中，首先將具有高度斷裂韌性和固有拉伸應力的亞穩定膜沉積到基材上。比如，在超薄絕緣體上硅（ETSOI）器件的頂部沉積預先拉伸張緊的鎳。ETSOI這種材料非常理想，因為它的短溝道效應不強，使得設計者可以利用體偏置進(jìn)行優(yōu)化，并且不需要溝道摻雜。

接下來(lái)，使用一個(gè)柔性帶拉動(dòng)鎳層，直到下面的襯底失效，在埋藏氧化物下方約20微米處開(kāi)裂。這種方法的擴展性很好，而且是一個(gè)在室溫下就可以操作的過(guò)程，適用于任何脆性基板。

應變工程是先進(jìn)工藝流程中的一項重要特征，但柔性器件的應變工程幾乎沒(méi)有開(kāi)展過(guò)任何研究工作。通過(guò)受控剝離，半導體從襯底釋放之后會(huì )經(jīng)歷殘余壓縮應變。在GaAs中，這種殘余應變可以用于調節帶隙。例如，紐約大學(xué)的研究人員在制造用于能量收集的柔性GaAs太陽(yáng)能電池的過(guò)程中，通過(guò)調節帶隙，針對預期的光條件進(jìn)行優(yōu)化。

由于產(chǎn)量的限制，以及印刷電子器件需要較大的面積，全部采用印刷技術(shù)的電子器件可能最多只能容納幾百個(gè)晶體管而已，因此，混合電子技術(shù)很具有吸引力。最先進(jìn)的印刷電路的線(xiàn)寬只能夠能夠做到幾十微米。盡管如此，對于成本及其敏感的應用，比如用于醫學(xué)檢查的一次性傳感器，印刷電子具有巨大的優(yōu)勢。非晶銦鎵鋯氧化物（a-IGZO）的載流子遷移率高達12cm 2 / V-sec，與多晶硅相當，是n型印刷半導體的主要候選者。不幸的是，根據Imec的Paul Heremans的說(shuō)法，目前尋找互補p型半導體工作的進(jìn)展有限。

迄今為止，p型半導體最好的候選材料是SnO，它的載流子遷移率為4.6cm 2 / V-sec?，F在已經(jīng)證明可以將SnO與a-IGZO在互補邏輯中進(jìn)行集成，但是效果很差。SnO的缺點(diǎn)包括多晶結構和沉積膜中存在n型SnO 2和金屬Sn。通過(guò)對候選材料進(jìn)行原始演算篩選，（K，Na）2Sn 2 O 3、B 6 O和ZrOS也是很有希望的潛在替代物。然而，在進(jìn)一步的模擬中發(fā)現，這些材料的非晶化會(huì )導致出現空穴。這樣一來(lái)，這些材料不可能實(shí)現半導體器件所需的帶狀載流子傳輸。

大阪府立大學(xué)的Kuniharu Takei小組分別使用碳納米管和濺射a-IGZO作為p型和n型半導體，Cr / Au電極作為源極和漏極。 聚酰亞胺提供鈍化和應變弛豫層。在商用器件的球形燈中，碳納米管薄膜晶體管表現出來(lái)的載流子遷移率為9.95cm 2 / V-sec。這種器件的通道為100微米長(cháng)、400微米寬，為將來(lái)通過(guò)工藝收縮節約功耗和面積留下了很大空間。

正如在電子器件會(huì )議中的典型做法，這里討論的器件只是一些原型以及對一些概念的可制造性證明。醫療傳感器的發(fā)展道路還很長(cháng)，面臨商業(yè)應用時(shí)尤甚。然而，正如這些論文所展示的那樣，現在正在出現一些技術(shù)平臺，可以支持柔性電子技術(shù)的許多可能的不同用途。

【編者按】本文轉自微信公眾號：印刷電子在線(xiàn)

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