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Erweiterbares Silizium
Ein neues Design für siliziumbasierte Chips ermöglicht es, diese mechanisch großflächig zu dehnen. Diese erweiterten Chips, die tausendmal so groß wie das Original sein könnten, könnten verwendet werden, um billigere Sonnenkollektoren, Sensornetzwerke und Flachbildfernseher herzustellen.
Wachsende Chips: Forscher haben Chips gebaut (oben), die sich für großflächige Anwendungen erweitern lassen (unten).
Die von Forschern der Stanford University gebauten Chips bestehen aus frei schwebenden Siliziuminseln, die von Spulen aus Siliziumdraht umgeben sind. Jede Insel kann so verarbeitet werden, dass sie Transistoren, Sensoren oder Materialien für winzige Solarzellen enthält. Wenn die Ecken des Chips angezogen werden, wickeln sich die Spulen um die Siliziuminseln ab. Dabei breiten sich die Inseln, die sich anfangs fast berühren, auseinander. Das Endergebnis ist ein netzartiges Array von Silizium-Bauelementen.
Bisher haben die Forscher Arrays gezeigt, die 50-mal größer sind als der ursprüngliche Chip, aber sie waren durch die Größe ihrer Laborgeräte begrenzt. Peter Peumans , der Professor für Elektrotechnik in Stanford, der die Arbeit leitete, sagt, dass die Chips Tausende oder sogar Zehntausende Male erweitert werden könnten. Die Arbeit von Peumans wurde diese Woche auf dem International Electron Devices Meeting in Washington DC vorgestellt.
Silikonnetze: Forscher der Stanford University haben unter Verwendung konventioneller Siliziumverarbeitungstechniken Chips gebaut, die aus Siliziuminseln bestehen, die von Siliziumspulen umgeben sind. Das Bild oben links zeigt eine solche Siliziuminsel und das Bild unten links zeigt den gesamten Chip, der aus einem Array dieser Inseln besteht. Wenn an den Ecken des Chips gezogen wird, wickeln sich die Spulen ab und die Inseln spreizen sich. Das fertige Netzwerk wird unten rechts angezeigt. Das Bild oben rechts zeigt die Spulen vollständig abgewickelt.
Die Arbeit nimmt das in der Mikroelektronik so erfolgreiche Konzept integrierter Schaltungen auf und passt es für großflächige Anwendungen an, sagt Marc Baldo , Professor für Elektrotechnik am MIT. Die Halbleiterindustrie hat sich darin hervorgetan, mehr Hochleistungstransistoren auf einem gegebenen Raum unterzubringen, was die Kosten pro Transistor im Prozess senkt. Viele Anwendungen erfordern jedoch, dass Transistoren und andere Bauelemente auf Siliziumbasis stärker verteilt werden.
Beispielsweise benötigen Flachbildfernseher Millionen von Transistoren, die verteilt sind, um jedes Pixel zu steuern. Für LCD-TVs ist es möglich, relativ leistungsschwache Transistoren zu verwenden, die durch Abscheiden von amorphem Silizium auf großen Glasstücken hergestellt werden können. Aber die nächste Generation hellerer, farbenfroherer und energieeffizienterer Displays, wie organische LED-Displays, erfordern viel leistungsstärkere Transistoren aus höherwertigem Silizium, was extrem teuer sein kann, was es unpraktisch macht, ein ganzes Display mit zu beschichten es. Mit der Methode von Peumans könnte es möglich sein, nur eine geringe Menge an hochwertigem Silizium zu verwenden und damit Kosten zu sparen. Außerdem sind die Geräte bereits miteinander verkabelt. Das ist ein wichtiger Vorteil gegenüber einigen anderen Methoden zur Herstellung großflächiger Elektronik, da die Verdrahtung großflächiger Elektronik sehr teuer sein kann, sagt Baldo.
Die Möglichkeit, weniger Silizium zu verwenden und geordnete Anordnungen vorverdrahteter Siliziumvorrichtungen zu bilden, könnte auch für die Herstellung billigerer Solarmodule nützlich sein. Bei herkömmlichen Solarmodulen wird Licht absorbiert, da das gesamte Panel mit hochwertigem Silizium beschichtet ist. Jetzt reduzieren eine Reihe von Unternehmen den Siliziumbedarf, indem sie das Sonnenlicht auf kleinere Siliziumchips konzentrieren. Ein Unternehmen stellt beispielsweise eine Reihe kleiner Linsen her, die das Licht auf noch kleinere Siliziumsolarzellen fokussieren. Peumans sagt, dass seine Methode eine kostengünstigere Möglichkeit bietet, solche Solarzellen-Arrays herzustellen. Anfang dieses Jahres gründete er eine Firma namens NetCrystal mit Sitz in Mountainview, CA, um solche Panels herzustellen, von denen er erwartet, dass sie für ein Drittel der Kosten heutiger Panels hergestellt werden können.
Peumans arbeitet auch mit Boeing Sensornetzwerke für Flugzeuge zu entwickeln. Ziel ist es, Hochleistungssensoren auf Siliziumbasis zwischen Schichten der Verbundmaterialien zu verteilen, aus denen die Tragflächen und andere Teile neuer Flugzeuge wie der Boeing 787 bestehen. Diese Sensoren würden verwendet, um festzustellen, ob die Materialien rissig sind oder delaminieren. Die Sensoren könnten Ausfallzeiten für Inspektionen verkürzen und dem Wartungspersonal helfen, Probleme früher zu erkennen, sagt Peumans.
Die Technologie von Peumans ist nicht der erste Versuch, großflächige Elektronik herzustellen. Andere Ansätze neigen jedoch dazu, Vorrichtungen herzustellen, die erheblich hinter der Leistung von einkristallinem Silizium in Chipqualität zurückbleiben. Einige Forscher entwickeln beispielsweise kostengünstige Verfahren, die kommerzielle Drucktechniken verwenden, um anorganische oder organische Halbleitertinten abzuscheiden. Aber die besten Geräte auf anorganischer Tintenbasis schneiden etwa eine Größenordnung schlechter ab als einkristallines Silizium, während Transistoren auf organischer Tintenbasis tausendmal schlechter sind.
Die größte Hürde bei der Entwicklung des Ansatzes von Peumans bestand darin, zu zeigen, dass die Spulen um die Siliziuminseln stark genug sind, um beim Abwickeln nicht zu brechen, aber er zeigte eine Möglichkeit, die Spulen zu behandeln, um sie stärker zu machen. Der nächste Schritt besteht darin, funktionierende Geräte zu demonstrieren. Er hat bereits Prototypen von Solarzellen entwickelt und arbeitet an Partnerschaften, um weitere Anwendungen zu entwickeln.