Silicium flexible hautes performances

La même forme de silicium de haute qualité qui est utilisée dans de nombreux nouveaux ordinateurs pourrait bientôt être enroulée sur une feuille de plastique. Des chercheurs de l'Université du Wisconsin, à Madison, ont montré que le type de silicium haute vitesse utilisé ces dernières années dans les microprocesseurs d'Intel, appelé silicium contraint, peut être suffisamment fin pour être transféré sur un substrat flexible.

Selon les chercheurs, la possibilité de placer des plaques de transistors en silicium tendu sur des matériaux malléables pourrait conduire à des écrans flexibles et à des cellules solaires de haute qualité, voire à des prothèses améliorées ou à des vêtements informatisés.

Pour la plupart, l'électronique flexible est constituée de polymères organiques qui, bien que pliables, produisent des performances relativement médiocres. Ainsi, les chercheurs ont donné au silicium – le matériau standard en électronique – un second regard en tant que moyen de fabriquer des circuits pliables (voir Stretchable Silicon ).

Bien que le silicium soit généralement cassant, il peut se plier lorsqu'il est suffisamment fin. En particulier, les chercheurs du Wisconsin ont entrepris de fabriquer des formes flexibles de silicium contraint, un type de silicium haute performance récemment commercialisé par Intel. Les électrons se déplacent à travers le silicium contraint 80 % plus rapidement que dans le silicium conventionnel, et les transistors s'allument et s'éteignent jusqu'à environ 30 % plus rapidement.

Jusqu'à présent, cependant, le silicium contraint était beaucoup trop volumineux – quelques micromètres d'épaisseur – pour fléchir. Les chercheurs du Wisconsin, dirigés par Max Lagally , professeur de science des matériaux, a trouvé un moyen d'amincir le matériau à quelques centaines de nanomètres, ainsi que de le retirer efficacement d'une plaquette de silicium, permettant son utilisation dans l'électronique flexible et à grande vitesse. (Leur travail est décrit dans un récent numéro de Journal de physique appliquée .)

Le silicium contraint est généralement fabriqué à l'aide de plusieurs couches d'un matériau appelé silicium germanium, qui a des espaces plus grands entre ses atomes que le silicium. Chaque couche de silicium germanium est modifiée chimiquement pour introduire progressivement plus d'espace entre les atomes. Enfin, une fine couche de silicium est déposée sur le dessus. Lorsque les atomes de silicium (naturellement plus rapprochés que les atomes de silicium-germanium) entrent en contact avec la couche supérieure de silicium-germanium, ils s'efforcent de s'y lier. Si vous tendez le réseau de silicium, vous pouvez améliorer la mobilité des électrons et les performances de votre appareil, dit John Rogers , professeur de science des matériaux à l'Université de l'Illinois, Urbana.

Mais en utilisant plusieurs couches de silicium germanium, l'appareil devient trop épais pour être plié. Pour rendre le silicium tendu suffisamment fin pour fléchir, Lagally et son équipe commencent d'abord par une plaquette de silicium surmontée de deux couches supplémentaires : une couche d'oxyde de silicium et une fine couche de silicium. Au-dessus de la fine couche de silicium, ils appliquent une seule couche de silicium germanium, d'à peine 150 nanomètres d'épaisseur. Étant donné que la couche de silicium sous le silicium-germanium est fixe, les atomes de silicium-germanium, bien qu'espaces plus larges que le silicium, se serrent les uns contre les autres, se comprimant pour se conformer à la couche de silicium située en dessous. Ensuite, les chercheurs ajoutent une fine couche de silicium sur le silicium germanium, formant un sandwich de 250 nanomètres d'épaisseur.

À ce stade, explique Lagally, il n'y a pas de contrainte dans le silicium ; il n'y a que de la compression dans le silicium germanium. Afin d'ajouter de la contrainte, le sandwich est retiré de la plaquette de silicium en le baignant dans de l'acide fluorhydrique, qui ronge l'oxyde de silicium - la couche reliant le sandwich à la plaquette. Une fois l'appareil libéré, l'espacement des atomes dans toutes les couches s'ajuste légèrement : les atomes de silicium-germanium, autrefois comprimés, se relâchent, et les atomes de silicium, qui avaient auparavant un espacement normal, ont développé une déformation.

Le retrait du dispositif de la plaquette ajoute non seulement une contrainte au silicium, mais permet également de le transférer sur un autre matériau, explique Lagally. De là, l'appareil est pressé dans un matériau flexible, auquel il adhère à l'aide d'une colle spéciale.

Sigurd Wagner , professeur de génie électrique à l'Université de Princeton, affirme que le travail est un exemple bien exécuté de transfert de dispositifs de haute qualité sur un substrat de mauvaise qualité. Surtout, dit-il, cela prouve que le silicium tendu conserve ses propriétés après le processus de transfert, ce qui n'avait pas été démontré auparavant. En outre, dit Rogers, le processus pourrait être applicable à la plupart des matériaux inorganiques, du silicium contraint utilisé dans les microprocesseurs aux transistors à l'arséniure de gallium dans les diodes électroluminescentes.

Lagally s'attend à ce que ce type de silicium flexible à haute vitesse se retrouve dans les produits commerciaux d'ici quelques années, très probablement initialement dans les systèmes d'imagerie flexibles et les écrans de haute qualité.

cacher