Flexibles Hochleistungssilikon

Dieselbe hochwertige Form von Silizium, die in vielen neuen Computern verwendet wird, könnte bald auf eine Plastikfolie gerollt werden. Forscher der University of Wisconsin, Madison, haben gezeigt, dass die Art von Hochgeschwindigkeits-Silizium, das in den letzten Jahren in Intels Mikroprozessoren verwendet wurde, das sogenannte verspannte Silizium, dünn genug gemacht werden kann, um auf ein flexibles Substrat übertragen zu werden.

Die Möglichkeit, Platten aus gespannten Siliziumtransistoren auf formbare Materialien zu legen, könnte zu hochwertigen flexiblen Displays und Solarzellen führen – oder schließlich sogar zu verbesserter Prothetik oder computergestützter Kleidung, so die Forscher.

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Flexible Elektronik besteht größtenteils aus organischen Polymeren, die zwar biegsam sind, aber eine relativ schlechte Leistung erbringen. Daher haben Forscher Silizium – dem Standardmaterial in der Elektronik – einen zweiten Blick gegeben, um biegsame Schaltungen herzustellen (siehe Dehnbares Silizium).



Obwohl Silizium normalerweise spröde ist, kann es sich verbiegen, wenn es dünn genug ist. Insbesondere wollten die Forscher aus Wisconsin flexible Formen von verspanntem Silizium herstellen, einer Art von Hochleistungssilizium, das kürzlich von Intel kommerzialisiert wurde. Elektronen bewegen sich durch gespanntes Silizium 80 Prozent schneller als in herkömmlichem Silizium, und Transistoren schalten bis zu 30 Prozent schneller ein und aus.

Bisher war jedoch gespanntes Silizium viel zu sperrig – Mikrometer dick – um sich zu biegen. Die Forscher aus Wisconsin unter der Leitung von Max Lagally , Professor für Materialwissenschaften, einen Weg gefunden, das Material auf einige hundert Nanometer zu verdünnen und effektiv von einem Siliziumwafer zu entfernen, was seinen Einsatz in der flexiblen und schnellen Elektronik ermöglicht. (Ihre Arbeit wird in einer aktuellen Ausgabe von Zeitschrift für Angewandte Physik .)

Verspanntes Silizium wird typischerweise unter Verwendung mehrerer Schichten eines Materials namens Silizium-Germanium hergestellt, das größere Abstände zwischen seinen Atomen aufweist als Silizium. Jede Schicht aus Silizium-Germanium wird chemisch verändert, um nach und nach mehr Raum zwischen den Atomen einzuführen. Abschließend wird eine dünne Siliziumschicht darauf aufgebracht. Wenn die Siliziumatome (von Natur aus näher beieinander angeordnet als die Siliziumgermaniumatome) die obere Schicht aus Siliziumgermanium berühren, ziehen sie sich unter Spannung, um sich daran zu binden. Wenn Sie das Siliziumgitter belasten, können Sie die Elektronenmobilität und -leistung in Ihrem Gerät verbessern, sagt John Rogers , Professor für Materialwissenschaften an der University of Illinois, Urbana.

Durch die Verwendung mehrerer Schichten aus Silizium-Germanium wird das Gerät jedoch zu dick, um sich zu biegen. Um das verspannte Silizium dünn genug zu machen, damit es sich biegen kann, beginnen Lagally und sein Team zunächst mit einem Siliziumwafer mit zwei zusätzlichen Schichten darüber: einer Siliziumoxidschicht und einer dünnen Siliziumschicht. Auf die dünne Siliziumschicht tragen sie nur eine 150 Nanometer dicke Schicht Siliziumgermanium auf. Da die Siliziumschicht unter dem Siliziumgermanium fixiert ist, drücken sich die Siliziumgermaniumatome, während sie weiter beabstandet sind als Silizium, zusammen und komprimieren sich, um sich an die Siliziumschicht darunter anzupassen. Dann fügen die Forscher eine dünne Siliziumschicht auf das Siliziumgermanium und bilden ein 250 Nanometer dickes Sandwich.

An diesem Punkt, erklärt Lagally, gibt es keine Spannung im Silizium; es gibt nur eine Kompression im Silizium-Germanium. Um die Spannung zu erhöhen, wird das Sandwich vom Siliziumwafer entfernt, indem es in Flusssäure gebadet wird, die das Siliziumoxid – die Schicht, die das Sandwich mit dem Wafer verbindet – zerfrisst. Sobald das Gerät frei ist, passt sich der Abstand der Atome in allen Schichten leicht an: Die früher komprimierten Silizium-Germanium-Atome lösen sich auf, und die Silizium-Atome, die zuvor normale Abstände hatten, entwickelten eine Spannung.

Das Entfernen des Geräts vom Wafer belastet nicht nur das Silizium, sondern ermöglicht es auch, es auf ein anderes Material zu übertragen, sagt Lagally. Von hier aus wird das Gerät in ein flexibles Material gepresst, auf dem es mit Hilfe eines Spezialklebers klebt.

Sigurd Wagner , Professor für Elektrotechnik an der Princeton University, sagt, die Arbeit sei ein gelungenes Beispiel für die Übertragung hochwertiger Geräte auf ein minderwertiges Substrat. Wichtig sei, sagt er, dass es beweise, dass gespanntes Silizium seine Eigenschaften nach dem Transferprozess beibehalte, was zuvor nicht gezeigt worden sei. Darüber hinaus, so Rogers, könnte das Verfahren auf die meisten anorganischen Materialien angewendet werden, von gespanntem Silizium in Mikroprozessoren bis hin zu Galliumarsenid-Transistoren in Leuchtdioden.

Lagally geht davon aus, dass diese Art von flexiblem Hochgeschwindigkeits-Silizium innerhalb weniger Jahre in kommerzielle Produkte Einzug halten wird, wahrscheinlich zunächst in flexiblen Bildgebungssystemen und hochwertigen Displays.

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