柔性基板的技術特征：

• 可折疊揉成一團性能不會劣化
• 驅動電壓只有 2V左右
• 解決了此消彼長問題

柔性基板的應用范圍：

• 各種醫(yī)療保健用器件

東京大學研究生院工學系研究科電氣系工學專業(yè)教授染谷隆夫與該專業(yè)講師關谷毅組成的研究小組，開發(fā)出了具有彎曲特性的曲率半徑僅為0.1～0.3mm的有機CMOS環(huán)形振蕩電路及TFT陣列薄膜。除了“折疊起來揉成一團時性能也不會劣化”（染谷）之外，驅動電壓只有 2V左右也是其一大特點。

此次開發(fā)的目標是，“實現(xiàn)各種醫(yī)療保健用器件，能以面而不是點覆蓋在具有復雜曲面的人體上”（染谷）。研究小組還實際試制出了表面具有壓力傳感器功能的2mm直徑導管，證實用于醫(yī)療器件是有可能的（圖1）。
（a）為實際制作的具備壓力傳感器功能的導管照片，直徑約為2mm。
（b）為（a）的主要構造。
（a）和（b）均由東京大學染谷研究室提供。
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解決此消彼長問題
以前，柔性基板上的晶體管或集成電路的曲率半徑與驅動電壓之間一般為此消彼長關系。染谷過去曾開發(fā)過曲率半徑為0.5mm的有機TFT陣列薄膜，但其驅動電壓卻高達40V。相反，驅動電壓為1V的陣列薄膜，曲率半徑卻存在5mm左右的極限。

此次之所以能夠打破以前的技術壁壘，實現(xiàn)曲率半徑為0.1～0.3mm、卻能以2V低電壓驅動的電路，是因為對原來的技術上進行了以下三點改進（圖2）。


該圖為有機TFT的截面構造示意圖。彎曲耐性的提高是通過大幅減小基板厚度等措施實現(xiàn)的。低電壓驅動性能是通過大幅減小絕緣層厚度實現(xiàn)的。

改進之處包括：①將基板厚度由原來的75μm減小到了13μm；②使封裝膜變得與基板一樣厚，以防止電路承受多余的翹曲應力；③通過將柵極絕緣層厚度由原來的500nm大幅降至6nm，提高了晶體管的電流驅動能力。

不過，此次的電路并非僅僅通過以上改進就可以實現(xiàn)。其中，③中絕緣層的薄膜化此前很難實現(xiàn)。這是因為，在柔性基板上形成較薄的柵極絕緣層時，很難確保層的均勻性，這樣會導致成品率大幅下降。

此次染谷等人著眼于容易在硅基板等較為平坦的基板上形成薄而均勻的柵極絕緣層這一點，認為首先應該使柔性基板實現(xiàn)平坦化。其原因是，“市售柔性基板的表面有數(shù)十nm的凹凸。在上面形成6nm厚的均勻膜比較困難”（染谷）（圖3）。


只減小絕緣膜厚度的話，基板的凹凸程度較大，因此會導致缺陷等增加，絕緣膜便無法發(fā)揮應用的作用（a）。以基板材料的前體為基礎，使基板的凹凸處實現(xiàn)平坦化之后，實現(xiàn)了此次的薄膜化（b）。

將凹凸處涂平
基板的平坦化是通過“涂布”而不是像無機半導體那樣通過“打磨”實現(xiàn)的。具體方法是，采用旋轉涂布法等在基板上涂布含有聚酰亞胺前體的溶液，然后在180℃溫度下對其進行退火（Anneal）處理。退火后，前體就會變成與基板相同的聚酰亞胺。這樣，“表面凹凸處的尺寸便減小至0.2～0.3nm以下，平坦程度達到了原子級別”（東京大學的關谷）。“即使是聚萘二甲酸乙二醇（PEN）基板，也可采用相同的方法”（關谷）。

形成柵極絕緣層時，采用了非結晶狀態(tài)的氧化鋁（AlOx），以及磷酸類低分子材料——正十八烷基磷酸。后者只需將基材浸入其溶液，便可在常溫下形成均勻的自組織單分子膜（SAM）。SAM具有可自發(fā)性排列并形成單分子膜的性質?；宕蠓鶎崿F(xiàn)平坦化，使此類材料的使用成為可能。

此外，染谷等人還開發(fā)出了多項技術，采用這些技術可在不到100℃的低溫下完成基板平坦化之后的所有制造工藝。這樣，便可在柔性基板上直接形成有機CMOS電路。此次制成的5段有機CMOS環(huán)形振蕩電路，在低電壓驅動的情況下，實現(xiàn)了每段延遲僅為4.5ms的“全球最快速度”（染谷）（圖 4）。


（a）為5段CMOS環(huán)形振蕩電路。通過將電路制造工藝的溫度降至100℃以下，使在柔性基板上制作CMOS電路成為可能。
（b）表示此次與其他制作實例的驅動電壓與信號延遲的關系。
（a）與（b）均由東京大學染谷研究室提供。