En 2016, les ventes mondiales annuelles de semi-conducteurs ont atteint leur plus haut niveau jamais enregistré, à 339 milliards de dollars dans le monde. Cette même année, l'industrie des semi-conducteurs a dépensé environ 7,2 milliards de dollars dans le monde pour des plaquettes qui servent de substrats pour les composants microélectroniques, qui peuvent être transformés en transistors, diodes électroluminescentes, et d'autres appareils électroniques et photoniques.

Une nouvelle technique développée par les ingénieurs du MIT peut réduire considérablement le coût global de la technologie des plaquettes et permettre des appareils fabriqués à partir de matériaux plus exotiques, des matériaux semi-conducteurs plus performants que le silicium conventionnel.

La nouvelle méthode, rapporté aujourd'hui dans La nature , utilise du graphène - des feuilles de graphite minces à un seul atome - comme une sorte de "machine à copier" pour transférer des motifs cristallins complexes d'une plaquette semi-conductrice sous-jacente à une couche supérieure de matériau identique.

Les ingénieurs ont élaboré des procédures soigneusement contrôlées pour placer des feuilles individuelles de graphène sur une plaquette coûteuse. Ils ont ensuite fait pousser un matériau semi-conducteur sur la couche de graphène. Ils ont découvert que le graphène est suffisamment fin pour apparaître électriquement invisible, permettre à la couche supérieure de voir à travers le graphène jusqu'à la plaquette cristalline sous-jacente, imprimer ses motifs sans être influencé par le graphène.

Le graphène est également plutôt « glissant » et n'a pas tendance à coller facilement aux autres matériaux, permettant aux ingénieurs de simplement décoller la couche semi-conductrice supérieure de la plaquette après que ses structures aient été imprimées.

Jeehwan Kim, la promotion de 1947 professeur adjoint en développement de carrière dans les départements de génie mécanique et de science et génie des matériaux, dit que dans la fabrication de semi-conducteurs conventionnels, la galette, une fois son motif cristallin transféré, est si fortement lié au semi-conducteur qu'il est presque impossible de séparer sans endommager les deux couches.

"Vous finissez par devoir sacrifier la plaquette - elle devient une partie de l'appareil, " dit Kim.

Avec la nouvelle technique du groupe, Kim dit que les fabricants peuvent désormais utiliser le graphène comme couche intermédiaire, leur permettant de copier et coller la plaquette, séparer un film copié de la plaquette, et réutiliser la plaquette plusieurs fois. En plus d'économiser sur le coût des plaquettes, Kim dit que cela ouvre des opportunités pour explorer des matériaux semi-conducteurs plus exotiques.

"L'industrie a été bloquée sur le silicium, et même si nous connaissons des semi-conducteurs plus performants, nous n'avons pas pu les utiliser, en raison de leur coût, " dit Kim. "Cela donne à l'industrie la liberté de choisir des matériaux semi-conducteurs en fonction des performances et non du coût."

L'équipe de recherche de Kim a découvert cette nouvelle technique au Laboratoire de recherche en électronique du MIT. Les co-auteurs de Kim au MIT sont le premier auteur et étudiant diplômé Yunjo Kim; étudiants diplômés Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song, et Kuan Qiao; post-doctorants Kyusang Lee, Shinhyun Choi, et Wei Kong; chercheur invité Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA Professeur de science et d'ingénierie des matériaux Eugene Fitzgerald; professeur de génie électrique et d'informatique Jing Kong; et professeur adjoint de génie mécanique Alexie Kolpak; avec Jared Johnson et Jinwoo Hwang de l'Ohio State University, et Ibraheem Almansouri de l'Institut des sciences et technologies de Masdar.

décalage de graphène

Depuis la découverte du graphène en 2004, les chercheurs ont étudié ses propriétés électriques exceptionnelles dans l'espoir d'améliorer les performances et le coût des appareils électroniques. Le graphène est un très bon conducteur d'électricité, car les électrons traversent le graphène sans pratiquement aucun frottement. Des chercheurs, donc, ont été déterminés à trouver des moyens d'adapter le graphène comme un produit bon marché, matériau semi-conducteur haute performance.

"Les gens espéraient tellement que nous pourrions fabriquer des appareils électroniques très rapides à partir de graphène, " dit Kim. " Mais il s'avère que c'est vraiment difficile de faire un bon transistor au graphène. "

Pour qu'un transistor fonctionne, il doit être capable d'activer et de désactiver un flux d'électrons, pour générer un motif de uns et de zéros, indiquer à un appareil comment effectuer un ensemble de calculs. Comme ça arrive, il est très difficile d'arrêter le flux d'électrons à travers le graphène, ce qui en fait un excellent conducteur mais un mauvais semi-conducteur.

Le groupe de Kim a adopté une toute nouvelle approche de l'utilisation du graphène dans les semi-conducteurs. Au lieu de se concentrer sur les propriétés électriques du graphène, les chercheurs ont examiné les caractéristiques mécaniques du matériau.

"Nous avons une forte croyance dans le graphène, car c'est un très robuste, très mince, matériau et forme une liaison covalente très forte entre ses atomes dans le sens horizontal, " dit Kim. " Fait intéressant, il a des forces de Van der Waals très faibles, ce qui signifie qu'il ne réagit pas avec quoi que ce soit verticalement, ce qui rend la surface du graphène très glissante."

Copier et éplucher

L'équipe rapporte maintenant que le graphène, avec son ultrafin, Propriétés de type téflon, peut être pris en sandwich entre une plaquette et sa couche semi-conductrice, fournissant un à peine perceptible, surface antiadhésive à travers laquelle les atomes du matériau semi-conducteur peuvent encore se réorganiser dans le motif des cristaux de la plaquette. Le matériel, une fois imprimé, peut simplement être décollé de la surface de graphène, permettant aux fabricants de réutiliser la plaquette d'origine.

L'équipe a découvert que sa technique, qu'ils appellent "épitaxie à distance, " a réussi à copier et à décoller des couches de semi-conducteurs des mêmes plaquettes de semi-conducteurs. Les chercheurs ont réussi à appliquer leur technique à des plaquettes exotiques et à des matériaux semi-conducteurs, y compris le phosphure d'indium, arséniure de gallium, et le phosphure de gallium, des matériaux 50 à 100 fois plus chers que le silicium.

Kim dit que cette nouvelle technique permet aux fabricants de réutiliser des plaquettes - de silicium et de matériaux plus performants - « conceptuellement, À l'infini."

Un avenir exotique

La technique de pelage du groupe à base de graphène pourrait également faire progresser le domaine de l'électronique flexible. En général, les plaquettes sont très rigides, rendant les appareils auxquels ils sont fusionnés de la même manière inflexible. Kim dit maintenant, les dispositifs semi-conducteurs tels que les LED et les cellules solaires peuvent être pliés et tordus. En réalité, le groupe a démontré cette possibilité en fabriquant un écran LED flexible, à motifs du logo MIT, en utilisant leur technique.

"Disons que vous voulez installer des cellules solaires sur votre voiture, qui n'est pas complètement plat - le corps a des courbes, " dit Kim. " Pouvez-vous enduire votre semi-conducteur dessus ? C'est impossible maintenant, car il colle à la plaquette épaisse. Maintenant, nous pouvons décoller, pliez, et vous pouvez faire un revêtement conforme sur les voitures, et même des vêtements."

Aller de l'avant, les chercheurs prévoient de concevoir une « plaquette mère » réutilisable avec des régions fabriquées à partir de différents matériaux exotiques. En utilisant le graphène comme intermédiaire, ils espèrent créer multifonctionnel, appareils performants. Ils étudient également le mélange et l'appariement de divers semi-conducteurs et leur empilement en une structure multimatériaux.

"Maintenant, les matériaux exotiques peuvent être populaires à utiliser, " dit Kim. " Vous n'avez pas à vous soucier du coût de la plaquette. Laissez-nous vous donner la photocopieuse. Vous pouvez développer votre dispositif semi-conducteur, décollez-le, et réutiliser la plaquette."