En 2016, las ventas anuales mundiales de semiconductores alcanzaron su punto más alto, con 339.000 millones de dólares en todo el mundo. En ese mismo año, la industria de semiconductores gastó alrededor de 7.200 millones de dólares a nivel mundial en obleas que sirven como sustratos para componentes microelectrónicos, que pueden convertirse en transistores, diodos emisores de luz y otros dispositivos electrónicos y fotónicos.

Una nueva técnica desarrollada por ingenieros del MIT puede reducir el coste total de la tecnología de obleas, y conseguir dispositivos fabricados con materiales semiconductores más exóticos y de mayor rendimiento que el silicio convencional.
El nuevo método usa grafeno, hojas de grafito de un solo átomo, como una especie de "máquina de copiar" para transferir patrones cristalinos intrincados desde una oblea de semiconductor subyacente hasta una capa superior de material idéntico.
Los ingenieros elaboraron procedimientos cuidadosamente controlados para colocar láminas individuales de grafeno sobre una oblea costosa. Luego crearon material semiconductor sobre la capa de grafeno. Encontraron que el grafeno es lo suficientemente delgado como para parecer eléctricamente invisible, permitiendo que la capa superior vea a través del grafeno la oblea cristalina subyacente, imprimiendo sus patrones sin ser influenciado por el grafeno.
El grafeno es también bastante "resbaladizo" y no tiende a pegarse a otros materiales fácilmente, permitiendo a los ingenieros pelar simplemente la capa semiconductora superior de la oblea después de que sus estructuras hayan sido impresas.
Jeehwan Kim, lProfesor en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales e Ingeniería, dice que en la fabricación de semiconductores convencionales, la oblea, una vez que su patrón cristalino se transfiere, está tan fuertemente unido al semiconductor que es casi imposible de separar sin dañar ambas capas.
"Se termina 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 el grafeno como una capa interna, permitiéndoles copiar y pegar la oblea, separar una película copiada de la oblea y reutilizar la oblea muchas veces. Además de ahorrar en el coste de las obleas, Kim dice que esto abre oportunidades para explorar materiales semiconductores más exóticos.
"La industria se ha quedado atascada en el silicio, y aunque hemos sabido sobre semiconductores de mejor desempeño, no hemos podido usarlos, debido a su coste", dice Kim. "Esto da a la industria libertad en la elección de materiales semiconductores por el rendimiento y no por el coste".
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 graduado Yunjo Kim; Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song y Kuan Qiao; Los postdocs Kyusang Lee, Shinhyun Choi y Wei Kong; El investigador visitante Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales Eugene Fitzgerald; Profesor de ingeniería eléctrica y informática Jing Kong; Y 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 a 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 coste de los dispositivos electrónicos. El grafeno es un conductor muy bueno de la electricidad, ya que los electrones fluyen a través del grafeno prácticamente sin fricción. Por lo tanto, los investigadores han estado empeñados en encontrar maneras de adaptar el grafeno como un material semiconductor barato y de alto rendimiento.
"La gente está tan esperanzada de que podríamos fabricar dispositivos electrónicos realmente rápidos a partir del grafeno", dice Kim. "Pero resulta que es realmente difícil hacer un buen transistor de grafeno".
Para que un transistor funcione, debe ser capaz de activar y desactivar un flujo de electrones, para generar un patrón de unos y ceros, instruyendo un dispositivo sobre cómo llevar a cabo 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 el uso del grafeno en los semiconductores. En lugar de centrarse en las propiedades eléctricas del grafeno, los investigadores examinaron las características mecánicas del material.
"Hemos tenido una fuerte creencia en el grafeno, porque es un material muy robusto, ultrafino, y forma una fuerte unión covalente entre sus átomos en la dirección horizontal", dice Kim. "Curiosamente, tiene fuerzas muy débiles de Van der Waals, 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 a Teflón, puede intercalarse entre una oblea y su capa semiconductora, proporcionando una superficie antiadherente apenas perceptible a través de la cual los átomos del material semiconductor pueden todavía reordenarse en el patrón de los cristales de la oblea . El material, una vez impreso, puede simplemente ser pelado fuera de la superficie del grafeno, permitiendo a los fabricantes reutilizar la oblea original.
El equipo descubrió que su técnica, que denominan epitaxia remota, tuvo éxito en copiar y pelar capas de semiconductores de las mismas obleas semiconductoras. Los investigadores tuvieron éxito en la aplicación de su técnica a la oblea exótica y materiales semiconductores, incluyendo fosfuro de indio, arsenenuro de galio y fosfuro de galio, materiales que son 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 de materiales de alto rendimiento, "conceptualmente, ad infinitum".

Un futuro exótico
La técnica de pelado basado en grafeno también puede avanzar en el campo de la electrónica flexible. En general, las obleas son muy rígidas, haciendo que los dispositivos que se fusionan sean igualmente inflexibles. Kim dice ahora que los dispositivos semiconductores tales como LEDs y células solares se pueden hacer doblar y girar. De hecho, el grupo demostró esta posibilidad al fabricar una pantalla LED flexible, modelada en el logotipo del MIT, utilizando su técnica.
"Digamos que usted desea instalar células solares en su coche, que no es completamente plano, el diseño tiene curvas", dice Kim. "¿Puedes colocar tu semiconductor encima? Es imposible ahora, porque se pega a la oblea gruesa. Ahora, podemos pelar, doblar, y usted puede hacer la capa conformal en los coches, e incluso en la 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 mezclar y emparejar varios semiconductores y apilarlos como una estructura multimaterial.
"Ahora, los materiales exóticos pueden utilizarse más", dice Kim. "No tienes que preocuparte por el coste de la oblea. Déjenos darle a la máquina de copiar. Usted puede hacer crecer su dispositivo semiconductor, quitarlo y reutilizar la oblea ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el One to One Joint Research Project entre el MI / MIT Cooperative Program y LG Electronics R & D center.

Escrito por Jennifer Chu, Oficina de Noticias del MIT