Nel 2016, le vendite globali annuali di semiconduttori hanno raggiunto il punto più alto di sempre, a 339 miliardi di dollari in tutto il mondo. In quello stesso anno, l'industria dei semiconduttori ha speso circa 7,2 miliardi di dollari in tutto il mondo in wafer che fungono da substrati per componenti di microelettronica, che possono essere trasformati in transistor, diodi emettitori di luce, e altri dispositivi elettronici e fotonici.

Una nuova tecnica sviluppata dagli ingegneri del MIT può ridurre notevolmente il costo complessivo della tecnologia dei wafer e consentire dispositivi realizzati con materiali più esotici, materiali semiconduttori più performanti rispetto al silicio convenzionale.

Il nuovo metodo, segnalato oggi in Natura , utilizza il grafene, fogli di grafite sottili come un atomo, come una sorta di "fotocopiatrice" per trasferire intricati modelli cristallini da un wafer semiconduttore sottostante a uno strato superiore di materiale identico.

Gli ingegneri hanno elaborato procedure attentamente controllate per posizionare singoli fogli di grafene su un costoso wafer. Hanno quindi coltivato materiale semiconduttore sullo strato di grafene. Hanno scoperto che il grafene è abbastanza sottile da apparire elettricamente invisibile, consentendo allo strato superiore di vedere attraverso il grafene il wafer cristallino sottostante, imprimendo i suoi modelli senza essere influenzato dal grafene.

Il grafene è anche piuttosto "scivoloso" e non tende ad attaccarsi facilmente ad altri materiali, consentendo agli ingegneri di rimuovere semplicemente lo strato semiconduttore superiore dal wafer dopo che le sue strutture sono state stampate.

Jeehwan Kim, la classe del 1947 Career Development Assistant Professor nei dipartimenti di Ingegneria Meccanica e Scienza e Ingegneria dei Materiali, afferma che nella produzione convenzionale di semiconduttori, l'ostia, una volta trasferito il suo modello cristallino, è così fortemente legato al semiconduttore che è quasi impossibile separarlo senza danneggiare entrambi gli strati.

"Finisci per dover sacrificare il wafer:diventa parte del dispositivo, " dice Kim.

Con la nuova tecnica del gruppo, Kim afferma che i produttori possono ora utilizzare il grafene come strato intermedio, consentendo loro di copiare e incollare il wafer, separare un film copiato dal wafer, e riutilizzare il wafer molte volte. Oltre a risparmiare sul costo dei wafer, Kim dice che questo apre opportunità per esplorare materiali semiconduttori più esotici.

"L'industria è rimasta bloccata sul silicio, e anche se sappiamo di semiconduttori con prestazioni migliori, non siamo stati in grado di usarli, a causa del loro costo, " Dice Kim. "Questo dà all'industria la libertà nella scelta dei materiali semiconduttori in base alle prestazioni e non al costo".

Il team di ricerca di Kim ha scoperto questa nuova tecnica presso il Research Laboratory of Electronics del MIT. I coautori di Kim al MIT sono il primo autore e studente laureato Yunjo Kim; studenti laureati Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi canzone, e Kuan Qiao; postdoc Kyusang Lee, Shinhyun Choi, e Wei Kong; studioso di ricerca in visita Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali Eugene Fitzgerald; professore di ingegneria elettrica e informatica Jing Kong; e assistente professore di ingegneria meccanica Alexie Kolpak; insieme a Jared Johnson e Jinwoo Hwang della Ohio State University, e Ibraheem Almansouri del Masdar Institute of Science and Technology.

spostamento del grafene

Dalla scoperta del grafene nel 2004, i ricercatori hanno studiato le sue eccezionali proprietà elettriche nella speranza di migliorare le prestazioni e il costo dei dispositivi elettronici. Il grafene è un ottimo conduttore di elettricità, poiché gli elettroni fluiscono attraverso il grafene praticamente senza attrito. Ricercatori, perciò, sono stati intenti a trovare modi per adattare il grafene come un prodotto economico, materiale semiconduttore ad alte prestazioni.

"La gente era così fiduciosa che potessimo realizzare dispositivi elettronici davvero veloci dal grafene, " dice Kim. "Ma si scopre che è davvero difficile fare un buon transistor al grafene."

Affinché un transistor funzioni, deve essere in grado di attivare e disattivare un flusso di elettroni, per generare un modello di uno e zero, istruire un dispositivo su come eseguire una serie di calcoli. Come succede, è molto difficile fermare il flusso di elettroni attraverso il grafene, rendendolo un ottimo conduttore ma un povero semiconduttore.

Il gruppo di Kim ha adottato un approccio completamente nuovo all'utilizzo del grafene nei semiconduttori. Invece di concentrarci sulle proprietà elettriche del grafene, i ricercatori hanno esaminato le caratteristiche meccaniche del materiale.

"Abbiamo avuto una forte convinzione nel grafene, perché è molto robusto, ultra sottile, materiale e forma un legame covalente molto forte tra i suoi atomi in direzione orizzontale, " Kim dice. "Interessante, ha forze di Van der Waals molto deboli, il che significa che non reagisce con nulla verticalmente, il che rende la superficie del grafene molto scivolosa."

Copia e sbuccia

Il team ora riferisce che il grafene, con il suo ultrasottile, proprietà simili al teflon, può essere inserito tra un wafer e il suo strato semiconduttore, fornendo un appena percettibile, superficie antiaderente attraverso la quale gli atomi del materiale semiconduttore possono ancora riorganizzarsi nello schema dei cristalli del wafer. Il materiale, una volta impresso, può essere semplicemente staccato dalla superficie del grafene, consentendo ai produttori di riutilizzare il wafer originale.

Il team ha scoperto che la sua tecnica, che chiamano "epitassia remota, " ha avuto successo nel copiare e staccare strati di semiconduttori dagli stessi wafer semiconduttori. I ricercatori hanno avuto successo nell'applicare la loro tecnica a wafer esotici e materiali semiconduttori, compreso il fosfuro di indio, arsenenuro di gallio, e fosfuro di gallio, materiali che sono da 50 a 100 volte più costosi del silicio.

Kim afferma che questa nuova tecnica consente ai produttori di riutilizzare i wafer, di silicio e materiali più performanti, "concettualmente, verso l'infinito."

Un futuro esotico

La tecnica peel-off del gruppo a base di grafene potrebbe anche far avanzare il campo dell'elettronica flessibile. Generalmente, i wafer sono molto rigidi, rendendo i dispositivi a cui sono fusi allo stesso modo inflessibili. Kim dice ora, dispositivi a semiconduttore come LED e celle solari possono essere piegati e attorcigliati. Infatti, il gruppo ha dimostrato questa possibilità fabbricando un display a LED flessibile, modellato nel logo del MIT, usando la loro tecnica.

"Supponiamo che tu voglia installare celle solari sulla tua auto, che non è completamente piatto:il corpo ha curve, " Dice Kim. "Puoi rivestirci sopra il tuo semiconduttore? è impossibile ora, perché si attacca alla spessa cialda. Ora, possiamo staccarci, curva, e puoi fare il rivestimento protettivo sulle auto, e anche l'abbigliamento».

Andando avanti, i ricercatori hanno in programma di progettare un "wafer madre" riutilizzabile con regioni realizzate con diversi materiali esotici. Utilizzando il grafene come intermediario, sperano di creare multifunzionali, dispositivi ad alte prestazioni. Stanno anche studiando la combinazione e l'abbinamento di vari semiconduttori e l'accatastamento in una struttura multimateriale.

"Ora, i materiali esotici possono essere popolari da usare, " Kim dice. "Non devi preoccuparti del costo del wafer. Lascia che ti diamo la fotocopiatrice. Puoi far crescere il tuo dispositivo a semiconduttore, staccalo, e riutilizzare il wafer."