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yexuqing

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[交流] 【转帖】东京大学开发可揉成一团的有机电路，基板平坦化是关键已有2人参与

东京大学开发可揉成一团的有机电路，基板平坦化是关键
2010/12/17 00:00
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折成一团的TFT阵列薄膜。（照片由东京大学染谷研究室提供）　　东京大学研究生院工学系研究科电气系工学专业教授染谷隆夫与该专业讲师关谷毅组成的研究小组，开发出了具有弯曲特性的曲率半径仅为0.1～0.3mm的有机CMOS环形振荡电路及TFT阵列薄膜。除了“折叠起来揉成一团时性能也不会劣化”（染谷）之外，驱动电压只有2V左右也是其一大特点。
　　此次开发的目标是，“实现各种医疗保健用器件，能以面而不是点覆盖在具有复杂曲面的人体上”（染谷）。研究小组还实际试制出了表面具有压力传感器功能的2mm直径导管，证实用于医疗器件是有可能的（图1）。

图1：瞄准医疗保健用途
（a）为实际制作的具备压力传感器功能的导管照片。直径约为2mm。（b）为（a）的主要构造。（a）和（b）均由东京大学染谷研究室提供。
解决此消彼长问题
以前，柔性基板上的晶体管或集成电路的曲率半径与驱动电压之间一般为此消彼长关系。染谷过去曾开发过曲率半径为0.5mm的有机TFT阵列薄膜，但其驱动电压却高达40V。相反，驱动电压为1V的阵列薄膜，曲率半径却存在5mm左右的极限。
　　此次之所以能够打破以前的技术壁垒，实现曲率半径为0.1～0.3mm、却能以2V低电压驱动的电路，是因为对原来的技术上进行了以下三点改进（图2）。

图2：通过三点改进，提高了弯曲耐性并实现了低电压驱动性能
该图为有机TFT的截面构造示意图。弯曲耐性的提高是通过大幅减小基板厚度等措施实现的。低电压驱动性能是通过大幅减小绝缘层厚度实现的。
　　改进之处包括：①将基板厚度由原来的75μm减小到了13μm；②使封装膜变得与基板一样厚，以防止电路承受多余的翘曲应力；③通过将栅极绝缘层厚度由原来的500nm大幅降至6nm，提高了晶体管的电流驱动能力。
　　不过，此次的电路并非仅仅通过以上改进就可以实现。其中，③中绝缘层的薄膜化此前很难实现。这是因为，在柔性基板上形成较薄的栅极绝缘层时，很难确保层的均匀性，这样会导致成品率大幅下降。
　　此次染谷等人着眼于容易在硅基板等较为平坦的基板上形成薄而均匀的栅极绝缘层这一点，认为首先应该使柔性基板实现平坦化。其原因是，“市售柔性基板的表面有数十nm的凹凸。在上面形成6nm厚的均匀膜比较困难”（染谷）（图3）。

图3：为基板涂布“粉底”可使绝缘膜变薄
只减小绝缘膜厚度的话，基板的凹凸程度较大，因此会导致缺陷等增加，绝缘膜便无法发挥应用的作用（a）。以基板材料的前体为基础，使基板的凹凸处实现平坦化之后，实现了此次的薄膜化（b）。
将凹凸处涂平
　　基板的平坦化是通过“涂布”而不是像无机半导体那样通过“打磨”实现的。具体方法是，采用旋转涂布法等在基板上涂布含有聚酰亚胺前体的溶液，然后在180℃温度下对其进行退火（Anneal）处理。退火后，前体就会变成与基板相同的聚酰亚胺。这样，“表面凹凸处的尺寸便减小至0.2～0.3nm以下，平坦程度达到了原子级别”（东京大学的关谷）。“即使是聚萘二甲酸乙二醇（PEN）基板，也可采用相同的方法”（关谷）。
　　形成栅极绝缘层时，采用了非结晶状态的氧化铝（AlOx），以及磷酸类低分子材料——正十八烷基磷酸。后者只需将基材浸入其溶液，便可在常温下形成均匀的自组织单分子膜（SAM）。SAM具有可自发性排列并形成单分子膜的性质。基板大幅实现平坦化，使此类材料的使用成为可能。
　　此外，染谷等人还开发出了多项技术，采用这些技术可在不到100℃的低温下完成基板平坦化之后的所有制造工艺。这样，便可在柔性基板上直接形成有机CMOS电路。此次制成的5段有机CMOS环形振荡电路，在低电压驱动的情况下，实现了每段延迟仅为4.5ms的“全球最快速度”（染谷）（图4）。（记者：野泽哲生）

图4：在柔性基板上直接制作有机CMOS电路
（a）为5段CMOS环形振荡电路。通过将电路制造工艺的温度降至100℃以下，使在柔性基板上制作CMOS电路成为可能。（b）表示此次与其他制作实例的驱动电压与信号延迟的关系。（a）与（b）均由东京大学染谷研究室提供。
■日文原文：くしゃくしゃに曲がる有機回路、東京大学が開発

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