Paradójicamente, un nuevo proceso de deposición de solución para semiconductores produce transistores de mayor rendimiento al introducir más defectos. Los investigadores utilizaron estos dispositivos para crear circuitos lógicos de alta velocidad y pantallas LED inorgánicas operativas de alta resolución.
Las técnicas de fabricación estándar para dispositivos semiconductores (las tecnologías que hacen posible la electrónica) implican el procesamiento de materias primas a altas temperaturas en recipientes de vacío. Esto esencialmente limita la eficiencia y la escalabilidad de la fabricación.
Los procesos basados en la deposición de soluciones químicas a bajas temperaturas y presiones ambientales se han buscado durante mucho tiempo como una alternativa más eficiente y escalable, pero dichos procesos generalmente dan como resultado materiales que presentan una gran cantidad de defectos estructurales que resultan en un rendimiento deficiente del dispositivo.
El laboratorio de Keng Kao, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería Granger de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, ha desarrollado un proceso para producir los semiconductores de mayor rendimiento hasta la fecha a partir de semiconductores depositados en solución. . Sin embargo, el equipo de investigación se sorprendió al descubrir que el semiconductor ideal para este proceso tiene una concentración de defectos mayor que su material base.
“Es notable que, aunque hay más defectos, la variedad de pares de defectos de su organización es la razón por la que nuestros materiales tienen un rendimiento récord para aquellos fabricados con procesos de deposición de solución”, dijo Kao. “Fuimos más allá de la ciencia de los materiales básicos para demostrar que se pueden crear circuitos y sistemas funcionales como pantallas, allanando el camino para su adopción en muchas aplicaciones emergentes para la electrónica de alto rendimiento de gran superficie”.
El estudio, publicado recientemente en la revista Avances en la cienciadescribe un método para fabricar dispositivos a partir del semiconductor compuesto defectuoso ordenado CuIn.5do8 Elaborado recogiendo soluciones. Con ellos se crearon circuitos lógicos de alta velocidad que funcionan en megahercios y una micropantalla con una resolución de 508 píxeles por pulgada. Los transistores de la pantalla accionaban microLED inorgánicos, que son una alternativa más brillante y duradera al estándar actual de LED orgánicos, pero requieren transistores mucho más potentes para controlar cada píxel. Cao cree que el nuevo material y proceso podrían ampliarse para admitir pantallas microLED inorgánicas de próxima generación y dispositivos electrónicos imprimibles de alta velocidad para atención médica, embalajes inteligentes e Internet de las cosas.
Promesa de enviar solución
Las condiciones extremas requeridas para la fabricación de semiconductores estándar limitan las superficies de los materiales procesados. Aunque esto es aceptable para chips y microelectrónica, es económicamente prohibitivo para aplicaciones que requieren la integración y distribución de muchos dispositivos en un área grande, como las pantallas electrónicas. La deposición de soluciones, en la que los semiconductores se disuelven en un líquido y se esparcen sobre un sustrato objetivo, no sólo permitirá aplicaciones en áreas grandes sino que también hará que el procesamiento sea más eficiente.
“El hecho de que la deposición de la solución sólo pueda ocurrir a presión ambiente y temperaturas muy bajas la convierte en una alternativa deseable a la deposición de vapor estándar en términos de rendimiento de fabricación, costo y compatibilidad del sustrato”, dijo Kao.
Sin embargo, las técnicas de deposición de vapor se han desarrollado hasta el punto en que el material procesado tiene muy pocos defectos, lo que lleva a dispositivos de alto rendimiento. Antes de que una solución pueda someterse a procesamiento comercial, debe desarrollarse hasta el punto en que tenga el mismo nivel de rendimiento que el material a partir del cual se crea.
Un semiconductor mejorado
Kao recuerda que los materiales de cobre, indio y selenio atrajeron por primera vez la atención de su laboratorio por su potencial. Cambiar la proporción exacta de cada elemento en el material les permitió un amplio espacio de diseño de materiales para realizar células solares eficientes con una proporción de cobre-indio-selenio de 0,9:1:2.
“La idea era que tenemos control sobre las proporciones de los materiales, entonces, ¿podemos ajustarlas para hacer buenos semiconductores para la electrónica en lugar de buenas células solares?” Dijo Kao. “Desarrollamos un proceso de deposición de solución para estos materiales y experimentamos con proporciones hasta que encontramos un buen material para fines electrónicos, que es cobre-indio-selenio. proporción de 1:5:8. De hecho, el compuesto que encontramos superó no sólo otros semiconductores procesables en solución, sino también la mayoría de los semiconductores utilizados actualmente en pantallas”.
El rendimiento de los semiconductores a menudo se cuantifica con la movilidad de la carga, una medida de la facilidad con la que los electrones se mueven a través del material cuando se aplica un voltaje. En comparación con los semiconductores de silicio amorfo utilizados en grandes pantallas LCD, el material CuIn5Se8 de los investigadores tiene una movilidad 500 veces mayor. En comparación con los semiconductores de óxido metálico utilizados en la mayoría de las pantallas LED orgánicas modernas, el nuevo material tiene cuatro veces más movilidad.
La movilidad del CuIn5Se8 es comparable a la del silicio policristalino de baja temperatura utilizado en las pantallas de los teléfonos inteligentes. Sin embargo, el procesamiento de silicio policristalino requiere recocido por láser, lo que dificulta su ampliación e incorporación a dispositivos más grandes. CuIn5Se8 depositado en solución puede facilitar pantallas grandes de alto rendimiento.
Más defectos, sorprendentemente
El siguiente paso de los investigadores fue descubrir por qué CuIn5Se8 funcionó tan bien. Consultaron a Jianmin Zhou, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Granger Engineering y experto en propiedades de materiales.
“En general, como científicos de materiales, pensamos que los materiales con mejor rendimiento tienden a tener menos defectos, y eso es lo que esperábamos inicialmente”, dijo Cao. “Pero luego, el profesor Zhou volvió a nosotros después de utilizar microscopía electrónica de transmisión para observar la estructura microscópica. ¡Resultó que no sólo había más defectos que los compuestos básicos, sino que posiblemente coexistían dos tipos de defectos! “
Para resolver la aparente paradoja, los investigadores recurrieron al teórico Andrey Shalev, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Grainger Engineering. Simulando el nuevo material de cobre, indio y selenio, el grupo de Schleife descubrió que dos tipos de defectos en CuIn5Se8 pueden combinarse para formar un sistema material conocido como compuesto de defecto ordenado. En tales sistemas, los diferentes tipos de defectos materiales se organizan en un patrón regular y se “cancelan”, mejorando la movilidad de la carga.
Un camino hacia la electrónica de alta velocidad y la impresión de display de alto rendimiento
Los investigadores demostraron las capacidades de su proceso para crear pantallas utilizando sus nuevos semiconductores de cobre, indio y selenio tolerantes a defectos combinados con microLED a base de nitruro de galio. El material CuIn5Se8 forma la base de los transistores de alto rendimiento que impulsan los píxeles LED de 8 por 8 micras, que están estrechamente empaquetados con una resolución de 508 píxeles por pulgada.
“Si bien los LED orgánicos son el estándar en pantallas de alto rendimiento, los LED basados en materiales inorgánicos como el nitruro de galio están surgiendo como una alternativa más rápida, de mayor brillo y más eficiente energéticamente”, explicó Kao. “Sin embargo, debido a que son tan brillantes, requieren electrónica de alta potencia para funcionar y esto es particularmente difícil si queremos exprimirlos en un espacio pequeño para una alta resolución. Se puede desarrollar eficazmente con soluciones de agrupación”.
Además de controlar los LED, estos transistores se pueden integrar para formar circuitos lógicos, ofreciendo nuevamente un rendimiento mucho mejor que la competencia basada en semiconductores con otras soluciones. Estos circuitos pueden funcionar a MHz con un retraso de hasta 75 nanosegundos. Una solución de bajo costo sin sacrificar el rendimiento es compatible con el proceso de deposición y es prometedora para la electrónica imprimible del futuro. Pueden encontrar aplicaciones en monitoreo continuo de la salud, empaques inteligentes con sensores e informática integrados y dispositivos asequibles de Internet de las cosas.
Cao señala que si bien el proceso se ha desarrollado lo suficiente como para comercializarlo, están postergando hasta que pueda hacerse más respetuoso con el medio ambiente.
Actualmente el proceso se basa en hidracina, que se utiliza como combustible para cohetes, afirmó. “Se puede utilizar en un entorno industrial, pero primero queremos modificar el proceso para utilizar productos químicos con los que sea más seguro trabajar y que dejen un menor impacto ambiental”.
