Silicio flessibile ad alte prestazioni

La stessa forma di silicio di alta qualità utilizzata all'interno di molti nuovi computer potrebbe presto essere arrotolata su un foglio di plastica. I ricercatori dell'Università del Wisconsin, a Madison, hanno dimostrato che il tipo di silicio ad alta velocità utilizzato negli ultimi anni nei microprocessori Intel, chiamato silicio deformato, può essere reso abbastanza sottile da essere trasferito su un substrato flessibile.

Secondo i ricercatori, la capacità di mettere fogli di transistor in silicio deformato su materiali malleabili potrebbe portare a display flessibili di alta qualità e celle solari – o eventualmente anche a protesi migliorate o vestiti computerizzati.

Per la maggior parte, l'elettronica flessibile è costituita da polimeri organici che, sebbene pieghevoli, producono prestazioni relativamente scarse. Quindi i ricercatori hanno dato al silicio – il materiale standard nell'elettronica – una seconda occhiata come un modo per creare circuiti flessibili (vedi Stretchable Silicon).

Sebbene il silicio sia solitamente fragile, può piegarsi quando è abbastanza sottile. In particolare, i ricercatori del Wisconsin si sono proposti di realizzare forme flessibili di silicio deformato, un tipo di silicio ad alte prestazioni recentemente commercializzato da Intel. Gli elettroni si muovono attraverso il silicio deformato dell'80% più velocemente rispetto al silicio convenzionale e i transistor si accendono e si spengono fino a circa il 30% più velocemente.

Fino ad ora, tuttavia, il silicio teso è stato troppo ingombrante – spesso micrometri – per flettersi. I ricercatori del Wisconsin, guidati da Max Lagally , professore di scienza dei materiali, ha trovato un modo per assottigliare il materiale fino a un paio di centinaia di nanometri, nonché per rimuoverlo efficacemente da un wafer di silicio, consentendone l'uso nell'elettronica flessibile e ad alta velocità. (Il loro lavoro è descritto in un recente numero di Rivista di fisica applicata .)

Il silicio teso viene in genere fabbricato utilizzando più strati di un materiale chiamato silicio germanio, che ha spazi più grandi tra i suoi atomi rispetto al silicio. Ogni strato di silicio germanio viene alterato chimicamente per introdurre gradualmente più spazio tra gli atomi. Infine, sulla parte superiore viene depositato un sottile strato di silicio. Quando gli atomi di silicio (naturalmente distanziati tra loro più vicini degli atomi di silicio germanio) entrano in contatto con lo strato superiore di silicio germanio, si sforzano per legarsi ad esso. Se sforzi il reticolo di silicio, puoi migliorare la mobilità e le prestazioni degli elettroni nel tuo dispositivo, afferma John Rogers , professore di scienza dei materiali presso l'Università dell'Illinois, Urbana.

Ma utilizzando più strati di silicio germanio, il dispositivo diventa troppo spesso per piegarsi. Per rendere il silicio teso abbastanza sottile da flettersi, Lagally e il suo team iniziano prima con un wafer di silicio con due strati aggiuntivi sopra: uno strato di ossido di silicio e uno strato sottile di silicio. Sopra il sottile strato di silicio applicano solo uno strato di silicio germanio, spesso solo 150 nanometri. Poiché lo strato di silicio al di sotto del silicio germanio è fisso, gli atomi di silicio germanio, sebbene distanziati più a lungo del silicio, si comprimono insieme, comprimendosi per conformarsi allo strato di silicio sottostante. Quindi, i ricercatori aggiungono un sottile strato di silicio sopra il silicio germanio, formando un sandwich di 250 nanometri di spessore.

A questo punto, spiega Lagally, non c'è tensione nel silicio; c'è solo compressione nel silicio germanio. Per aumentare la tensione, il sandwich viene rimosso dal wafer di silicio immergendolo in acido fluoridrico, che corrode l'ossido di silicio, lo strato che collega il sandwich al wafer. Una volta che il dispositivo è libero, la spaziatura degli atomi in tutti gli strati si regola leggermente: gli atomi di silicio germanio, precedentemente compressi, si allentano e gli atomi di silicio, che prima avevano una spaziatura normale, hanno sviluppato una deformazione.

La rimozione del dispositivo dal wafer non solo aggiunge tensione al silicio, ma consente anche di trasferirlo su un altro materiale, afferma Lagally. Da qui, il dispositivo viene pressato in un materiale flessibile, al quale aderisce con l'ausilio di una colla speciale.

Sigurd Wagner , professore di ingegneria elettrica all'Università di Princeton, afferma che il lavoro è un esempio ben eseguito di trasferimento di dispositivi di alta qualità su un substrato di bassa qualità. È importante sottolineare che, dice, dimostra che il silicio teso mantiene le sue proprietà dopo il processo di trasferimento, qualcosa che non era stato mostrato prima. Inoltre, afferma Rogers, il processo potrebbe essere applicabile alla maggior parte dei materiali inorganici, dal silicio deformato utilizzato nei microprocessori ai transistor all'arseniuro di gallio nei diodi emettitori di luce.

Lagally prevede che questo tipo di silicio flessibile e ad alta velocità troverà la sua strada nei prodotti commerciali entro pochi anni, molto probabilmente inizialmente in sistemi di imaging flessibili e display di alta qualità.

nascondere