Em 2016, as vendas globais de semicondutores atingiram o ponto mais alto da história, em US$ 339 bilhões em todo o mundo. Nesse mesmo ano, a indústria de semicondutores gastou cerca de US $ 7,2 bilhões em substratos para componentes microeletrônicos, que podem ser transformados em transistores, diodos emissores de luz e outros dispositivos eletrônicos e fotônicos.
Uma nova técnica desenvolvida pelos engenheiros do MIT pode reduzir consideravelmente o custo global da tecnologia de wafer e permitir que os dispositivos fabricados a partir de materiais semicondutores mais exóticos tenham alto desempenho do que o silício convencional.

O novo método, relatado na Nature, usa o grafeno como uma espécie de “máquina de cópia” para transferir padrões cristalinos intrincados de uma pastilha semicondutora subjacente para uma camada superior de material idêntico.

Os engenheiros elaboraram procedimentos cuidadosamente controlados para colocar folhas soltas de grafeno sobre um wafer. Eles então criaram material semicondutor sobre a camada de grafeno. Eles descobriram que o grafeno é fino o suficiente para parecer eletricamente invisível, permitindo que a camada superior possa “ver” através do grafeno a wafer cristalina subjacente, imprimindo seus padrões, sem ser influenciado pelo grafeno.

O grafeno também é um pouco “escorregadio” e não tende a ficar com outros materiais facilmente, permitindo aos engenheiros simplesmente descascar a camada semicondutora superior da wafer após suas estruturas terem sido impressas.

Jeehwan Kim, professor assistente nos departamentos de engenharia mecânica e ciência de materiais, diz que na fabricação de semicondutores convencional, a wafer, uma vez que seu padrão cristalino é transferido, é tão fortemente ligado ao semicondutor que é quase impossível separar sem danificar ambas as camadas. “Você acaba tendo que sacrificar a wafer – ela se torna parte do dispositivo”, disse Kim.

Com a nova técnica do grupo, Kim diz que os fabricantes agora podem usar o grafeno como uma camada intermediária, permitindo que eles copiem e cole a wafer, separem um filme copiado e reutilizem-na muitas vezes. Além de economizar no custo de wafers, Kim diz que isso abre oportunidades para explorar materiais semicondutores mais exóticos.

“A indústria está presa no silício, e mesmo sabendo sobre semicondutores de melhor desempenho, não conseguimos usá-los, por causa de seu custo”, disse Kim. “Isso dá à indústria liberdade na escolha de materiais semicondutores por desempenho e não custo.”

A equipe de pesquisa de Kim descobriu esta nova técnica no Laboratório de Pesquisas de Eletrônica do MIT.

Pesquisa de grafeno

Desde a descoberta do grafeno em 2004, os pesquisadores têm investigado suas propriedades elétricas excepcionais na esperança de melhorar o desempenho e o custo dos dispositivos eletrônicos. O grafeno é um condutor muito bom de eletricidade, porque os elétrons fluem através dele com praticamente nenhum atrito. Os pesquisadores, portanto, têm a intenção de encontrar maneiras de adaptar o grafeno como um material semicondutor barato e de alto desempenho.

“As pessoas estavam tão esperançosas de que poderíamos fazer dispositivos eletrônicos realmente rápidos a partir de grafeno”, disse Kim. “Mas acontece que é realmente difícil fazer um bom transistor de grafeno.”

Para que um transistor funcione, ele deve ser capaz de ativar e desativar um fluxo de elétrons, para gerar um padrão de uns e zeros, instruindo um dispositivo sobre como realizar um conjunto de cálculos. Como acontece, é muito difícil parar o fluxo de elétrons através do grafeno, tornando-o um excelente condutor, mas um semicondutor ruim.

O grupo de Kim tomou um rumo inteiramente novo ao usar grafeno nos semicondutores. Em vez de se concentrar nas propriedades elétricas do grafeno, os pesquisadores analisaram as características mecânicas do material.

“Tivemos uma forte crença no grafeno, porque é um material muito robusto, ultrafino, e forma uma ligação covalente muito forte entre seus átomos na direção horizontal”, disse Kim. “Curiosamente, tem forças muito fracas de Van der Waals, o que significa que não reage com nada verticalmente, o que torna a superfície do grafeno muito escorregadia”.

A equipe agora relata que o grafeno, com suas propriedades ultrafinas semelhantes a Teflon, pode ser colocado entre uma wafer e sua camada semicondutora, proporcionando uma superfície não aderente, quase imperceptível, através da qual os átomos do material semicondutor ainda podem se rearranjar no padrão dos cristais da wafer. O material, uma vez impresso, pode simplesmente ser descascado da superfície do grafeno, permitindo que os fabricantes reutilizem a wafer original.

A equipe descobriu que sua técnica, que eles chamam de “epitaxia remota”, foi bem sucedida em copiar e descascar camadas de semicondutores das mesmas wafers de semicondutores. Os pesquisadores tiveram sucesso na aplicação de sua técnica a wafer exóticos e materiais semicondutores, incluindo fosfeto de índio, arseneneto de gálio e fosfeto de gálio – materiais que são 50 a 100 vezes mais caros do que o silício.

Kim diz que esta nova técnica torna possível para os fabricantes reutilizar wafers de silício e materiais de alto desempenho “conceitualmente, ad infinitum”.

Eletrônica Flexível

A técnica de peel-off baseada em grafeno do grupo também pode avançar no campo da eletrônica flexível. Em geral, as wafers são muito rígidas, tornando os dispositivos que são fundidos de forma inflexível. Kim diz agora, dispositivos semicondutores, como LEDs e células solares podem ser feitas para dobrar e torcer. De fato, o grupo demonstrou essa possibilidade ao fabricar uma tela LED flexível, padronizada no logotipo do MIT, usando sua técnica.

This image shows LEDs grown on graphene and then peeled. (Image courtesy of MIT.)

“Digamos que você deseja instalar células solares no seu carro, que não é completamente plana – o corpo tem curvas”, diz Kim. “Você pode revestir o seu semicondutor em cima dele? É impossível agora, porque ele adere à wafer grossa. Agora, podemos descascar, dobrar, e você pode fazer o revestimento conformal em carros e até mesmo roupas.”

Indo para a frente, os investigadores planejam projetar um reutilizável “mãe wafer” com regiões feitas de diferentes materiais exóticos. Usando o grafeno como intermediário, eles esperam criar dispositivos multifuncionais de alto desempenho. Eles também estão investigando misturando e combinando vários semicondutores e empilhando-os como uma estrutura “multimaterial”.

“Agora, materiais exóticos podem ser populares de usar”, disse Kim. “Você não precisa se preocupar com o custo da wafer, vamos dar-lhe a máquina de cópia, você pode fazer crescer seu dispositivo semicondutor, descascar e reutilizá-la.”

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Fontes:

  • http://news.mit.edu/2017/graphene-copy-machine-cheaper-semiconductor-wafers-0419
  • https://engenheironaweb.com/2017/01/21/grafeno-o-material-magico-de-1001-utilidades/
  • https://engenheironaweb.com/2017/01/21/grafeno-o-material-10x-mais-forte-que-o-aco/
  • https://engenheironaweb.com/2017/01/21/placa-solar-que-gera-energia-com-chuva-tambem/
  • http://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/14755/How-Graphene-Could-Reduce-the-Cost-of-Semiconductor-Wafers.aspx

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