En 2016, las ventas anuales de semiconductores a nivel mundial alcanzaron su punto más alto, a $ 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 se pueden convertir en transistores, la luz emite diodos, 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 permitir dispositivos fabricados con más exóticos, Materiales semiconductores de mayor rendimiento que el silicio convencional.

El nuevo método informó hoy 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 elaboraron procedimientos cuidadosamente controlados para colocar hojas individuales de grafeno en una oblea cara. Luego cultivaron material semiconductor sobre la capa de grafeno. Descubrieron que el grafeno es lo suficientemente delgado como para parecer eléctricamente invisible, permitiendo que la capa superior vea a través del grafeno hasta 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. permitiendo a los ingenieros simplemente despegar la capa semiconductora superior de la oblea después de que se hayan impreso sus estructuras.

Jeehwan Kim, el Profesor Asistente de Desarrollo de Carrera 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 unido al semiconductor que es casi imposible separarlo 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, permitiéndoles copiar y pegar la oblea, separar una película copiada de la oblea, y reutilice la oblea muchas veces. Además de ahorrar en el 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 sobre semiconductores de mejor rendimiento, no hemos podido usarlos, por su costo, "Esto le da a la industria la libertad de elegir materiales semiconductores por desempeño y no por costo", dice Kim.

El equipo de investigación de Kim descubrió esta nueva técnica en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. Los coautores de Kim en el MIT son el primer autor y estudiante de posgrado Yunjo Kim; estudiantes de posgrado Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song, y Kuan Qiao; postdoctorado Kyusang Lee, Shinhyun Choi, y Wei Kong; el investigador invitado Chanyeol Choi; Eugene Fitzgerald, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Merton C. Flemings-SMA; profesor de ingeniería eléctrica e informática Jing Kong; y el profesor asistente de ingeniería mecánica Alexie Kolpak; junto con 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 excepcionales propiedades eléctricas con la esperanza de mejorar el rendimiento y el costo de los dispositivos electrónicos. El grafeno es un excelente conductor de electricidad, a medida que los electrones fluyen a través del grafeno prácticamente sin fricción. Investigadores por lo tanto, han tenido la intención de encontrar formas de adaptar el grafeno como un material semiconductor de alto rendimiento.

"La gente tenía tantas esperanzas de que pudiéramos fabricar dispositivos electrónicos realmente rápidos a partir del grafeno, "Dice Kim." Pero resulta que es muy difícil hacer un buen transistor de grafeno ".

Para que funcione un transistor, debe poder encender y apagar un flujo de electrones, para generar un patrón de unos y ceros, instruir a un dispositivo sobre cómo realizar un conjunto de cálculos. Como sucede, es muy difícil detener el flujo de electrones a través del grafeno, haciéndolo un excelente conductor pero un semiconductor pobre.

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.

"Creemos firmemente en el grafeno, porque es muy robusto, ultradelgado material y forma enlaces covalentes muy fuertes entre sus átomos en la dirección horizontal, "Dice Kim". Curiosamente, tiene fuerzas de Van der Waals muy débiles, 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 su ultrafino, Propiedades similares al teflón, se puede intercalar entre una oblea y su capa semiconductora, proporcionando una apenas perceptible, superficie antiadherente a través de la cual los átomos del material semiconductor aún pueden reorganizarse en el patrón de los cristales de la oblea. El material, una vez impreso, simplemente se puede despegar de la superficie del grafeno, permitiendo a los fabricantes reutilizar la oblea original.

El equipo descubrió que su técnica, que denominan "epitaxia remota, "logró copiar y despegar capas de semiconductores de las mismas obleas semiconductoras. Los investigadores tuvieron éxito al aplicar su técnica a obleas exóticas y materiales semiconductores, incluyendo fosfuro de indio, 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, indefinidamente."

Un futuro exótico

La técnica de despegado basada en grafeno del grupo también puede hacer avanzar el campo de la electrónica flexible. En general, las obleas son muy rígidas, haciendo que los dispositivos con los que están fusionados sean igualmente inflexibles. Kim dice ahora Los dispositivos semiconductores, como los LED y las células solares, pueden doblarse y torcerse. De hecho, el grupo demostró esta posibilidad mediante la fabricación de una pantalla LED flexible, estampado en el logo del MIT, usando su técnica.

"Supongamos que desea instalar células solares en su automóvil, que no es completamente plano:el cuerpo tiene curvas, "Dice Kim." ¿Puedes cubrir tu semiconductor encima? Es imposible ahora porque se pega a la oblea gruesa. Ahora, podemos despegarnos, curva, y puede hacer un revestimiento de conformación en automóviles, e incluso ropa ".

Avanzando, los investigadores planean diseñar una "oblea madre" reutilizable con regiones hechas de diferentes materiales exóticos. Usando grafeno como intermediario, esperan crear multifuncional, dispositivos de alto rendimiento. También están investigando mezclar y combinar varios semiconductores y apilarlos como una estructura multimaterial.

"Ahora, los materiales exóticos pueden ser populares de usar, "Dice Kim." No tienes que preocuparte por el costo de la oblea. Permítanos darle la fotocopiadora. Puede hacer crecer su dispositivo semiconductor, despegarlo, y reutilizar la oblea ".