Produktionsprocessen fordobler hastigheden og effektiviteten af ​​fleksibel elektronik

Udstrakt tøj er måske ikke en god praksis til vaskedag, men i tilfælde af mikroprocessorfremstilling, at strække siliciumets atomare struktur i de kritiske komponenter i en enhed kan være en god måde at øge et kredsløbs ydeevne på.

At skabe "strakte" halvledere med større mellemrum mellem siliciumatomer, almindeligvis omtalt som "spændt silicium, " tillader elektroner at bevæge sig lettere gennem materialet. Historisk set, halvlederindustrien har brugt anstrengt silicium til at presse lidt mere effektivitet og ydeevne ud af de konventionelle mikroprocessorer, der driver de stationære og bærbare computere, vi bruger hver dag.

Imidlertid, fabrikanternes manglende evne til at introducere anstrengt silicium i fleksibel elektronik har begrænset deres teoretiske hastighed og kraft til, højst, cirka 15 gigahertz. Takket være en ny produktionsproces, der er blevet udviklet af University of Wisconsin-Madison ingeniører, den hætte kunne løftes.

"Dette nye design er stadig ret konservativt, " siger Zhenqiang (Jack) Ma, professor i elektro- og computerteknik. "Hvis vi var mere aggressive, den kan blive op til 30 eller 40 gigahertz, let."

Ma og hans samarbejdspartnere rapporterede deres nye proces ind Naturvidenskabelige rapporter den 18. feb. 2013.

Ma bestræbte sig på at adressere et paradoks for straining og doping af siliciumelektronik bygget på et fleksibelt substrat. Strækprocessen svarer til at strække en t-shirt ud:Forskerne trækker et lag silicium over et lag af atomisk større siliciumgermaniumlegering, som strækker siliciumet ud og tvinger mellemrum mellem atomer til at udvide sig. Dette tillader elektroner at flyde mellem atomer mere frit, at bevæge sig gennem materialet med lethed - ligesom en t-shirt strakt over en dummy vil have mere plads mellem trådene, lader den trække vejret.

Problemet kommer under dopingprocessen. Dette nødvendige trin i halvlederfremstilling introducerer urenheder, der giver elektroner, der i sidste ende strømmer gennem kredsløbet. Doping af et enkeltstående ark af anstrengt silicium er som at stryge et mærkat på en strakt t-shirt. Ligesom et påstryget design revner og bøjer, når t-shirten er strakt og ustrakt, dopinghandlingen forvrænger den fleksible fritstående siliciumplade, begrænser dets stabilitet og anvendelighed som materiale til integrerede kredsløb.

"Vi var nødt til at dope dette materiale på en måde, så gitterstrukturen indeni ikke ville blive forvrænget, giver mulighed for silicium, der både er anstrengt og dopet, " siger mor.

Løsningen svarer til at farve et mønster ind i stoffet på en skjorte, frem for at stryge det på bagefter. Ma og hans UW-Madison samarbejdspartnere - Max Lagally, Erwin W. Mueller-professor og Bascom-professor i overfladevidenskab og materialevidenskab og -teknik; og Paul Voyles, en lektor i materialevidenskab og teknik – har udviklet en proces, hvorigennem de doper et lag silicium, derefter vokse et lag silicium germanium oven på silicium, derefter vokse et sidste lag silicium over det. Nu, dopingmønsteret strækker sig sammen med silicium.

"Strukturen vedligeholdes, og dopingen er der stadig, " siger mor.

Forskerne kalder den nye struktur for en "begrænset delingsstruktur." Ma mener, at brug af materialet til at designe næste generations fleksible kredsløb vil give fleksibel elektronik, der tilbyder meget højere clockhastigheder til en brøkdel af energiomkostningerne.

Det næste skridt vil være at realisere processorer, radiofrekvensforstærkere, og andre komponenter, der ville have gavn af at blive bygget på fleksible materialer, men tidligere har krævet mere avancerede processorer for at være gennemførlige. "Vi kan fortsætte med at øge hastigheden og forfine brugen af ​​chipsene i en bred vifte af komponenter, " siger mor. "På dette tidspunkt, den eneste begrænsning er det litografiske udstyr, der bruges til at fremstille højhastighedsenheder."