Uma nova técnica desenvolvida por engenheiros do MIT pode reduzir o custo total da tecnologia de wafers e possibilitar o fabrico de dispositivos com materiais semicondutores mais exóticos e de melhor desempenho do que o silício convencional.
O novo método utiliza grafeno, folhas de grafite com átomos individuais, como uma espécie de "máquina de copiar" para transferir padrões cristalinos complexos de uma bolacha semicondutora subjacente para uma camada superior de material idêntico.
Os engenheiros desenvolveram procedimentos cuidadosamente controlados para depositar folhas individuais de grafeno sobre um wafer dispendioso. De seguida, criaram material semicondutor sobre a camada de grafeno. Descobriram que o grafeno é suficientemente fino para parecer eletricamente invisível, permitindo que a camada superior veja através do grafeno até à bolacha cristalina subjacente, imprimindo os seus padrões sem ser influenciada pelo grafeno.
O grafeno é também bastante "escorregadio" e não tende a aderir facilmente a outros materiais, permitindo aos engenheiros simplesmente remover a camada semicondutora superior do wafer após a impressão das suas estruturas.
Jeehwan Kim, professor dos departamentos de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais, afirma que, no fabrico convencional de semicondutores, o wafer, uma vez transferido o seu padrão cristalino, fica tão fortemente ligado ao semicondutor que é quase impossível separá-lo sem danificar ambas as camadas.
"Acaba por ter de sacrificar o wafer; ele torna-se parte do dispositivo", diz Kim.
Com a nova técnica do grupo, Kim afirma que os fabricantes podem agora utilizar grafeno como camada interna, permitindo copiar e colar o wafer, retirar uma película copiada do wafer e reutilizar o wafer várias vezes. Além de poupar nos custos do wafer, Kim diz que isto abre oportunidades para explorar materiais semicondutores mais exóticos.
"A indústria estava presa ao silício e, embora soubéssemos da existência de semicondutores com melhor desempenho, não os conseguíamos utilizar devido ao seu custo", diz Kim. "Isto dá à indústria a liberdade de escolher materiais semicondutores com base no desempenho, em vez do custo".
A equipa de investigação de Kim descobriu esta nova técnica no Laboratório de Investigação Eletrónica do MIT. Os coautores de Kim no MIT incluem o primeiro autor e estudante de pós-graduação Yunjo Kim; Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song e Kuan Qiao; os pós-doutorandos Kyusang Lee, Shinhyun Choi e Wei Kong; o investigador visitante Chanyeol Choi; o Professor Eugene Fitzgerald de Ciência e Engenharia de Materiais Merton C. Flemings-SMA; o Professor Jing Kong de Engenharia Eletrotécnica e Ciência da Computação; e o Professor Assistente Alexie Kolpak de Engenharia Mecânica; juntamente com Jared Johnson e Jinwoo Hwang da Universidade Estadual de Ohio, e Ibraheem Almansouri do Instituto Masdar de Ciência e Tecnologia.

Uma mudança para o grafeno:
Desde a descoberta do grafeno em 2004, os investigadores têm investigado as suas propriedades elétricas excecionais na esperança de melhorar o desempenho e reduzir o custo dos dispositivos eletrónicos. O grafeno é um excelente condutor de eletricidade, uma vez que os eletrões fluem através dele praticamente sem atrito. Por isso, os investigadores têm-se concentrado em encontrar formas de adaptar o grafeno como um material semicondutor barato e de alto desempenho.
"As pessoas têm muita esperança de que possamos fabricar dispositivos eletrónicos realmente rápidos com grafeno", diz Kim. "Mas acontece que é muito difícil fazer um bom transístor de grafeno."
Para que um transístor funcione, é necessário que seja capaz de ligar e desligar um fluxo de eletrões, gerando um padrão de uns e zeros, instruindo o dispositivo sobre como realizar um conjunto de cálculos. Acontece que é muito difícil interromper o fluxo de eletrões através do grafeno, o que o torna um excelente condutor, mas um mau semicondutor.
O grupo de Kim adotou uma abordagem completamente nova para utilizar o grafeno em semicondutores. Em vez de se concentrarem nas propriedades elétricas do grafeno, os investigadores examinaram as características mecânicas do material.
"Temos uma grande confiança no grafeno porque é um material ultrafino e muito robusto, que forma uma forte ligação covalente entre os seus átomos na direção horizontal", diz Kim. "Curiosamente, possui forças de Van der Waals muito fracas, o que significa que não interage com nada na vertical, tornando a superfície do grafeno muito escorregadia."

Copiar e Descascar:
A equipa informa agora que o grafeno, com as suas propriedades ultrafinas semelhantes ao Teflon, pode ser intercalado entre um wafer e a sua camada semicondutora, proporcionando uma superfície antiaderente quase impercetível através da qual os átomos do material semicondutor ainda se podem rearranjar no padrão cristalino do wafer. O material, uma vez impresso, pode ser simplesmente removido da superfície de grafeno, permitindo aos fabricantes reutilizar o wafer original.
A equipa descobriu que a sua técnica, a que chamam epitaxia remota, foi bem-sucedida na cópia e remoção de camadas semicondutoras dos mesmos wafers semicondutores. Os investigadores obtiveram sucesso ao aplicar a sua técnica a wafers e materiais semicondutores exóticos, incluindo fosfeto de índio, arseneto de gálio e fosfeto de gálio — materiais que são 50 a 100 vezes mais caros do que o silício.
Kim afirma que esta nova técnica possibilita aos fabricantes reutilizar wafers, tanto de silício como de materiais de alto desempenho, “conceptualmente, ad infinitum”.

Um Futuro Exótico:
A técnica de descolamento baseada em grafeno também pode impulsionar o campo da eletrónica flexível. Em geral, os wafers são demasiado rígidos, tornando os dispositivos fundidos a eles igualmente inflexíveis. Kim afirma que os dispositivos semicondutores, como os LEDs e as células solares, podem agora ser dobrados e torcidos. De facto, o grupo demonstrou esta possibilidade fabricando um display LED flexível, modelado a partir do logótipo do MIT, utilizando a sua técnica.
"Digamos que quer instalar células solares no seu carro, que não é completamente plano; o design tem curvas", diz Kim. "Consegue colocar o seu semicondutor por cima? É impossível agora porque se cola à bolacha espessa. Agora, podemos descolar, dobrar e criar a camada conformável nos carros e até na roupa."
No futuro, os investigadores planeiam conceber um "wafer de matriz" reutilizável com regiões feitas de diferentes materiais exóticos. Usando o grafeno como intermediário, esperam criar dispositivos multifuncionais de alto desempenho. Estão também a investigar a combinação de vários semicondutores e o seu empilhamento numa estrutura multimaterial.
"Agora, os materiais exóticos podem ser utilizados de forma mais ampla", diz Kim. "Não tem de se preocupar com o custo do wafer. Nós fornecemos a fotocopiadora. Pode fabricar o seu dispositivo semicondutor, removê-lo e reutilizar o wafer."
Esta investigação foi financiada, em parte, pelo Projeto Conjunto de Investigação "Um para Um" entre o Programa Cooperativo MI/MIT e o centro de I&D da LG Electronics.

Escrito por Jennifer Chu, Assessoria de Imprensa do MIT