REVISTA DE INGENIERIA DYNA

En 2016, las ventas anuales mundiales de semiconductores alcanzaron su punto más alto, con 339.000 millones de dólares en todo el mundo. En ese mismo año, la industria de los semiconductores gastó alrededor de 7.200 millones de dólares en todo el mundo en obleas que se usan como sustratos para componentes microelectrónicos, que pueden convertirse en transistores, diodos emisores de luz y otros dispositivos electrónicos y fotónicos.

El nuevo método, publicado en Nature, usa el grafeno como una especie de "máquina de copiar" para transferir patrones cristalinos intrincados, desde una oblea semiconductora a otra, en una capa superior de material idéntico.

Los ingenieros elaboraron un proceso cuidadosamente controlado para colocar láminas individuales de grafeno sobre una oblea. Posteriormente, crearon material semiconductor sobre la capa de grafeno. Se dieron cuenta de que el grafeno es lo suficientemente delgado como para parecer eléctricamente invisible, permitiendo que la capa superior vea a través del grafeno a la oblea cristalina subyacente, imprimiendo sus patrones sin ser influenciado por el grafeno.

El grafeno es también bastante "resbaladizo" y no tiende a pegarse a otros materiales fácilmente, permitiendo de esta forma retirar simplemente la capa semiconductora superior de la oblea, después de que sus estructuras fueran impresas.

Jeehwan Kim, profesor asistente en los departamentos de ingeniería mecánica y ciencia de materiales e ingeniería, dice que en la fabricación de semiconductores convencionales, la oblea, una vez que su patrón cristalino se transfiere, está tan fuertemente unida al semiconductor que es casi imposible separarla sin dañar ambas capas.

Con la nueva técnica del grupo, Kim dice que los fabricantes podrán usar el grafeno como una capa intermedia, permitiéndoles copiar y pegar la oblea, separar una película copiada de la oblea y reutilizar la oblea muchas veces. Además del ahorro producido en la fabricación de la oblea, se abren nuevas oportunidades para diseñar materiales semiconductores más exóticos.

"La industria se ha quedado atascada en el silicio, y aunque conocemos semiconductores mejores, no hemos podido usarlos, debido a su costo", dijo Kim. "Esto da a la industria la libertad en la elección de materiales semiconductores por su rendimiento y no por el costo".

Investigación del grafeno

Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, los investigadores han estado investigando sus propiedades eléctricas excepcionales con la esperanza de mejorar el rendimiento y el costo de los dispositivos electrónicos. El grafeno es un gran conductor de electricidad, ya que los electrones fluyen a través del grafeno prácticamente sin fricción. Consecuentemente, los investigadores han estado empeñados en encontrar maneras de adaptar el grafeno como un material semiconductor barato y de alto rendimiento.

"La gente estaba muy esperanzada en poder fabricar dispositivos electrónicos realmente rápidos a partir del grafeno", dijo Kim. "Pero en la práctica resulta muy difícil hacer un buen transistor de grafeno".

Para que un transistor funcione, debe ser capaz de activar y desactivar un flujo de electrones, generando de esta forma un patrón de unos y ceros, indicando a un dispositivo cómo llevar a cabo un conjunto de cálculos. Aunque ocurre que es muy difícil detener el flujo de electrones a través del grafeno, lo que lo convierte en un excelente conductor pero un semiconductor deficiente.

El grupo de Kim adoptó un enfoque completamente nuevo para el uso del grafeno en los semiconductores. En lugar de centrarse en las propiedades eléctricas del grafeno, los investigadores examinaron las características mecánicas del material.

"Hemos depositado una gran esperanza en el grafeno, porque es un material muy robusto, ultrafino, y forma una fuerte unión covalente entre sus átomos en la dirección horizontal", comentó Kim. "Curiosamente, tiene fuerzas de Van der Waals muy débiles, lo que significa que no reacciona con nada verticalmente, provocando que la superficie del grafeno sea muy resbaladiza".

El grafeno con sus propiedades ultrafinas, similares a Teflón, puede intercalarse entre una oblea y su capa semiconductora, proporcionando una superficie antiadherente apenas perceptible a través de la cual los átomos del material semiconductor pueden todavía reordenarse en el patrón de los cristales de la oblea. El material, una vez impreso, puede simplemente ser pelado fuera de la superficie del grafeno, permitiendo a los fabricantes reutilizar la oblea original.

Esta técnica, que los investigadores denominan epitaxia remota, tuvo éxito en copiar y pelar capas de semiconductores de las mismas obleas semiconductoras. Los investigadores lograron aplicar su técnica a obleas de materiales semiconductores como fosfuro de indio, arsenenuro de galio y fosfuro de galio, materiales que son 50 a 100 veces más caros que el silicio.