En 2016, las ventas globales anuales de semiconductores alcanzaron su punto más alto, con $ 339 mil millones en todo el mundo. En ese mismo año, la industria de semiconductores gastó alrededor de $ 7.2 mil millones en todo el mundo en obleas que sirven como sustratos para componentes microelectrónicos, que pueden convertirse entransistores, diodos emisores de luz y otros dispositivos electrónicos y fotónicos.
Una nueva técnica desarrollada por ingenieros del MIT puede reducir enormemente el costo total de la tecnología de obleas y habilitar dispositivos hechos de materiales semiconductores más exóticos y de mayor rendimiento que el silicio convencional.
El nuevo método, informado en Naturaleza , utiliza grafeno láminas de grafito delgadas de un solo átomo como una especie de "máquina fotocopiadora" para transferir patrones cristalinos intrincados desde una oblea semiconductora subyacente a una capa superior de material idéntico.
Los ingenieros desarrollaron procedimientos cuidadosamente controlados para colocar hojas individuales de grafeno en una oblea costosa. Luego cultivaron material semiconductor sobre la capa de grafeno. Descubrieron que el grafeno es lo suficientemente delgado como para parecer eléctricamente invisible, lo que permite que la capa superior vea a través de la capa de grafeno.grafeno a la oblea cristalina subyacente, imprimiendo sus patrones sin ser influenciado por el grafeno.
El grafeno también es bastante "resbaladizo" y no tiende a adherirse fácilmente a otros materiales, lo que permite a los ingenieros simplemente despegar la capa semiconductora superior de la oblea después de que se hayan impreso sus estructuras.
Jeehwan Kim, profesor asistente de desarrollo profesional de la promoción de 1947 en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales, dice que en la fabricación de semiconductores convencionales, la oblea, una vez que se transfiere su patrón cristalino, está tan fuertemente adherida al semiconductor quees casi imposible separar sin dañar ambas capas.
"Terminas teniendo que sacrificar la oblea, se convierte en parte del dispositivo", dice Kim.
Con la nueva técnica del grupo, Kim dice que los fabricantes ahora pueden usar grafeno como capa intermedia, lo que les permite copiar y pegar la oblea, separar una película copiada de la oblea y reutilizar la oblea muchas veces. Además de ahorrar enel costo de las obleas, Kim dice que esto abre oportunidades para explorar materiales semiconductores más exóticos.
"La industria se ha quedado estancada en el silicio, y aunque sabemos que los semiconductores tienen un mejor rendimiento, no hemos podido usarlos debido a su costo", dice Kim. "Esto le da a la industria la libertad de elegirmateriales semiconductores por rendimiento y no por costo. "
El equipo de investigación de Kim descubrió esta nueva técnica en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. Los coautores del MIT de Kim son el primer autor y estudiante de posgrado Yunjo Kim; los estudiantes de posgrado Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song y Kuan Qiao; posdoctorados KyusangLee, Shinhyun Choi y Wei Kong; el investigador invitado Chanyeol Choi; el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Merton C. Flemings-SMA Eugene Fitzgerald; el profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación Jing Kong; y el profesor asistente de ingeniería mecánica Alexie Kolpak; junto concon Jared Johnson y Jinwoo Hwang de la Universidad Estatal de Ohio e Ibraheem Almansouri del Instituto Masdar de Ciencia y Tecnología.
cambio de grafeno
Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, los investigadores han estado investigando sus propiedades eléctricas excepcionales con la esperanza de mejorar el rendimiento y el costo de los dispositivos electrónicos. El grafeno es un conductor de electricidad extremadamente bueno, ya que los electrones fluyen a través del grafeno prácticamente sin fricción. Por lo tanto, los investigadores, han tenido la intención de encontrar formas de adaptar el grafeno como un material semiconductor barato y de alto rendimiento.
"La gente tenía tantas esperanzas de que podríamos hacer dispositivos electrónicos realmente rápidos a partir del grafeno", dice Kim. "Pero resulta que es muy difícil hacer un buen transistor de grafeno".
Para que un transistor funcione, debe poder encender y apagar un flujo de electrones, generar un patrón de unos y ceros, instruyendo a un dispositivo sobre cómo realizar un conjunto de cálculos. Como sucede,Es muy difícil detener el flujo de electrones a través del grafeno, lo que lo convierte en un excelente conductor pero un semiconductor deficiente.
El grupo de Kim adoptó un enfoque completamente nuevo para usar grafeno en semiconductores. En lugar de centrarse en las propiedades eléctricas del grafeno, los investigadores observaron las características mecánicas del material.
"Hemos tenido una fuerte creencia en el grafeno, porque es un material muy robusto, ultrafino, y forma enlaces covalentes muy fuertes entre sus átomos en la dirección horizontal", dice Kim. "Curiosamente, tiene un Van der muy débilWaals fuerzas, lo que significa que no reacciona con nada verticalmente, lo que hace que la superficie del grafeno sea muy resbaladiza ".
Copiar y pelar
El equipo ahora informa que el grafeno, con sus propiedades ultrafinas, similares al teflón, se puede intercalar entre una oblea y su capa semiconductora, proporcionando una superficie antiadherente apenas perceptible a través de la cual los átomos del material semiconductor aún pueden reorganizarse en el patrón de lacristales de la oblea. El material, una vez impreso, se puede despegar de la superficie de grafeno, lo que permite a los fabricantes reutilizar la oblea original.
El equipo descubrió que su técnica, a la que denominan "epitaxia remota", logró copiar y despegar capas de semiconductores de las mismas obleas de semiconductores. Los investigadores lograron aplicar su técnica a materiales exóticos de obleas y semiconductores, incluido el indio.fosfuro, arsenenuro de galio y fosfuro de galio, materiales que son de 50 a 100 veces más caros que el silicio.
Kim dice que esta nueva técnica hace posible que los fabricantes reutilicen obleas, de silicio y materiales de mayor rendimiento, "conceptualmente, ad infinitum".
Un futuro exótico
La técnica de peel-off basada en grafeno del grupo también puede avanzar en el campo de la electrónica flexible. En general, las obleas son muy rígidas, lo que hace que los dispositivos con los que se fusionan sean igualmente inflexibles. Kim dice ahora, dispositivos semiconductores como LED y células solarespueden doblarse y torcerse. De hecho, el grupo demostró esta posibilidad al fabricar una pantalla LED flexible, con el patrón del logotipo del MIT, utilizando su técnica.
"Supongamos que desea instalar células solares en su automóvil, que no es completamente plano; el cuerpo tiene curvas", dice Kim. "¿Puede cubrir su semiconductor encima? Es imposible ahora, porque se adhiere ala oblea gruesa. Ahora, podemos despegar, doblar y usted puede hacer un revestimiento de conformación en automóviles e incluso ropa ".
En el futuro, los investigadores planean diseñar una "oblea madre" reutilizable con regiones hechas de diferentes materiales exóticos. Utilizando el grafeno como intermediario, esperan crear dispositivos multifuncionales de alto rendimiento. También están investigando la combinación y combinación de varios semiconductoresy apilarlos como una estructura multimaterial.
"Ahora, el uso de materiales exóticos puede ser popular", dice Kim. "No tiene que preocuparse por el costo de la oblea. Permítanos darle la fotocopiadora. Puede hacer crecer su dispositivo semiconductor, despegarloy reutilizar la oblea ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :