绘制柔性电子的摩尔定律：一个5年期项目，将大幅提升薄膜晶体管电路的密度

欧洲微电子研究中心的5年期项目，

旨在大幅提升薄膜晶体管电路的密度。 

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在曼哈顿中城的一次会议上，克里斯•梅尼（Kris Myny）小心翼翼地拿起一张普通纸质名片样子的东西，把它放在智能手机上。卡片的详细信息几乎立即就通过自定义应用程序显示在屏幕上。

这只是一个简单的演示，但是梅尼认为它预示着柔性电路的广阔应用前景。1月份，他在比利时鲁汶的微电子研究中心（Imec）开始了一项为期5年的项目，以论证薄膜电子在显示电子领域之外的显著潜力。事实上，他希望这个得到欧洲研究委员会（ERC）150万欧元资助的项目，可以证明存在批量生产更加密集型柔性电路的途径，即存在可弯曲集成电路的摩尔定律。

5年前，梅尼和他的同事报道称，已经使用有机薄膜晶体管在柔性塑料上制造了一个8位微型处理器。在此之后的几年中，该团队将焦点转向了铟镓锌氧化物（IGZO）——一种由铟、镓、锌和氧混合组成的金属氧化物半导体。基于这种材料的薄膜晶体管比有机晶体管转移电荷的速度快得多；同时，该晶体管的制造条件仍可维持在室温上下——当试图将电子器件直接制造到塑料和其他受热易变形或损坏的材料上时，这是一个重要要求。

为了打造这张名片，梅尼和他的同事们研制出了一个含有超过1700个IGZO薄膜晶体管的柔性芯片。这种芯片的独特之处在于其符合ISO14443-A近场通信（NFC）标准。梅尼说，对于柔性电路而言，这是一个苛刻的要求，因为它需要足够快速的、能在13.56兆赫标准载波频率下工作的逻辑门。

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另一个挑战在于IGZO是一种有效的n型半导体，电子容易流动，却并不是特别好的p型材料；但与之类似的材料在允许空穴（电子流出，所以空穴被视为正电荷）流动方面也没有性能优异的。今天的逻辑电路同时使用p型和n型器件；在晶体管不处于切换状态时，这种互补配对有助于通过防止电流流动来控制能耗。只能使用n型器件，使得梅尼和他的同事不得不设计一种不同类型的电路。

通过ERC项目，Imec旨在解决一系列相关问题，努力将晶体管密度从每平方厘米5000个左右提高到10万个。梅尼说，这个数字与如今传统的刚性显示器基板上的薄膜晶体管密度相差不大。但是，要用数字逻辑电路实现这种密度（这需要更复杂的设计），并确保这些器件在非常精巧和不规则的基板上构建时保持可靠一致，就是另一回事了。

该团队还希望通过采用显示器晶片厂使用的制造技术，来证明该密度可以在实验室外实现。梅尼说，如果他和他的团队达到目标，那么只要花1美分就可以制成1平方厘米的快速柔性电路（假设批量生产）。同时，当电路密度增加时，该团队还必须提高晶体管频率并降低功耗，以防止过热。梅尼说，总体目标是证明“你确实能够制造出柔性电路——这不是科学幻想，而是要走向市场”。

在柔性基板上制作复杂数字电路，“我认为Imec是最有力的竞争者。”英国苏塞克斯大学的讲师尼可•穆恩赞里德尔（Niko Münzenrieder）说，他专门从事柔性电子研究。他指出，金属氧化物柔性电路已经开始实现商业化进程，他预计第一大应用将在射频识别（RFID）和近场通信领域实现。“这还不是一门成熟的技术，”他说，“但它已经快要准备好投入日常使用了。”

作者：Rachel Courtland

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