Gli indumenti allungati potrebbero non essere un'ottima pratica per il giorno del bucato, ma nel caso della fabbricazione di microprocessori, allungare la struttura atomica del silicio nei componenti critici di un dispositivo può essere un buon modo per aumentare le prestazioni di un circuito.
Creazione di semiconduttori "allungati" con spazi più ampi tra gli atomi di silicio, comunemente indicato come "silicio teso, " permette agli elettroni di muoversi più facilmente attraverso il materiale. Storicamente, l'industria dei semiconduttori ha utilizzato il silicio teso per ottenere un po' più di efficienza e prestazioni dai microprocessori convenzionali che alimentano i computer desktop e laptop che usiamo ogni giorno.
Però, l'incapacità dei produttori di introdurre silicio teso nell'elettronica flessibile ha limitato la loro velocità e potenza teoriche a, al massimo, circa 15 gigahertz. Grazie a un nuovo processo di produzione sperimentato dagli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison, quel tappo potrebbe essere sollevato.
"Questo nuovo design è ancora piuttosto conservatore, " dice Zhenqiang (Jack) Ma, un professore di ingegneria elettrica e informatica. "Se fossimo più aggressivi, potrebbe arrivare fino a 30 o 40 gigahertz, facilmente."
Ma e i suoi collaboratori hanno riportato il loro nuovo processo in Rapporti scientifici sulla natura il 18 febbraio, 2013.
Ma ha cercato di affrontare un paradosso per la deformazione e il drogaggio dell'elettronica al silicio costruita su un substrato flessibile. Il processo di tensione è simile all'allungamento di una maglietta:i ricercatori tirano uno strato di silicio su uno strato di lega di silicio-germanio atomicamente più grande, che allunga il silicio e costringe gli spazi tra gli atomi ad allargarsi. Ciò consente agli elettroni di fluire tra gli atomi più liberamente, muovendosi attraverso il materiale con facilità, proprio come una t-shirt tesa su un manichino avrà più spazio tra i fili, permettendogli di respirare.
Il problema nasce durante il processo di doping. Questo passaggio necessario nella produzione di semiconduttori introduce impurità che forniscono elettroni che alla fine fluiscono attraverso il circuito. Drogare un foglio di silicone teso è come stirare un adesivo su una t-shirt tesa. Proprio come un disegno stirato si rompe e si piega quando la t-shirt viene allungata e non stirata, l'atto di drogaggio distorce il foglio di silicone flessibile indipendente, limitandone la stabilità e l'utilità come materiale per circuiti integrati.
"Avevamo bisogno di drogare questo materiale in modo che la struttura reticolare all'interno non fosse distorta, consentendo il silicio che è sia teso che drogato, "dice Ma.
La soluzione è come trasformare un motivo nel tessuto di una camicia, piuttosto che stirarlo dopo il fatto. Ma e i suoi collaboratori UW-Madison-Max Lagally, l'Erwin W. Mueller Professor e Bascom Professor di Surface Science e Materials Science and Engineering; e Paul Voyles, un professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, hanno sviluppato un processo attraverso il quale drogano uno strato di silicio, poi fai crescere uno strato di silicio germanio sopra il silicio, quindi far crescere un ultimo strato di silicio su quello. Ora, il modello di drogaggio si estende insieme al silicone.
"La struttura è mantenuta, e il doping è ancora lì, "dice Ma.
I ricercatori chiamano la nuova struttura una "struttura di condivisione vincolata". Ma crede che l'utilizzo del materiale per progettare circuiti flessibili di nuova generazione produrrà un'elettronica flessibile che offre velocità di clock molto più elevate a una frazione del costo energetico.
Il prossimo passo sarà realizzare processori, amplificatori a radiofrequenza, e altri componenti che trarrebbero vantaggio dall'essere costruiti su materiali flessibili, ma in precedenza richiedevano processori più avanzati per essere fattibili. "Possiamo continuare ad aumentare la velocità e perfezionare l'uso dei chip in un'ampia gamma di componenti, " dice Ma. "A questo punto, l'unico limite è l'attrezzatura litografica utilizzata per realizzare i dispositivi ad alta velocità."
