Кремний — компонент будущих растворимых микросхем

Интегральные схемы, которые растворяются в воде и биожидкостях за месяцы или даже дни, могут найти применение в биомедицинских имплантах, безотходно утилизируемых сенсорах и многих других полупроводниковых устройствах.

Технологии так называемой врéменной (transient) электроники стали предметом исследования Джона Роджерса (John A. Rogers) из Иллинойсского университета в Урбана-Шампань и Фиоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) из Университета Тафтса (штат Массачусетс). В недавнем издании Applied Physics Letters вышла их статья, в которой анализируются производительность и время растворения различных полупроводниковых материалов.

В более ранних работах эти авторы продемонстрировали, что кремний — самый популярный современный полупроводник — хоть и слабо, но растворяется в воде. Для полного исчезновения даже небольшого фрагмента этого материала могут потребоваться столетия, однако тонкие слои кремния способны истончаться в водяной среде с вполне разумной скоростью 5-90 нм в день. Растворение происходит в результате гидролиза с образованием безвредной кремниевой кислоты.

Авторы публикации исследовали характеристики растворимости двуокиси кремния и вольфрама в двух типах экспериментальных устройств — полевых транзисторах и кольцевых генераторах.

В условиях, имитирующих человеческий организм (37 °C, 7,4 pH), длительность полного растворения составляла от одной недели для вольфрама и от 3 месяцев до 3 лет для диоксида кремния.

Помимо толщины слоя на скорость растворения влияли и другие факторы, такие как концентрация и тип ионов в растворе, и метод, применяемый для нанесения материала на подложку.

Под микроскопом видно, что растворение не протекает равномерно, слой за слоем, в некоторых местах материал исчезает быстрее, чем в других. Это вызвано микротрещинами в хрупком материале схем, позволяющими раствору проникать вглубь слоя.

Свойство биодеградации присуще многим органическим электронным материалам, но кремниевая электроника является более предпочтительной благодаря ее высокому быстродействию и использованию дешевого и массового производственного процесса КМОП.

«Мы, вместе с коммерческими производственными предприятиями, работаем над созданием более сложных схем и технологий сборки, которые позволят наносить такие схемы на биодеградируемую полимерную основу», — сообщил Роджерс.