Uitgestrekte kleding is misschien geen goede gewoonte voor de wasdag, maar in het geval van microprocessorfabricage, het uitrekken van de atomaire structuur van het silicium in de kritieke componenten van een apparaat kan een goede manier zijn om de prestaties van een circuit te verbeteren.

Het creëren van "uitgerekte" halfgeleiders met grotere ruimtes tussen siliciumatomen, gewoonlijk aangeduid als "gespannen silicium, " zorgt ervoor dat elektronen gemakkelijker door het materiaal kunnen bewegen. Historisch gezien de halfgeleiderindustrie heeft gespannen silicium gebruikt om wat meer efficiëntie en prestaties uit de conventionele microprocessors te persen die de desktop- en laptopcomputers aandrijven die we elke dag gebruiken.

Echter, het onvermogen van fabrikanten om gespannen silicium in flexibele elektronica te introduceren, heeft hun theoretische snelheid en kracht beperkt tot, hoogstens, ongeveer 15 gigahertz. Dankzij een nieuw productieproces dat is ontwikkeld door ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison, die dop kon worden opgeheven.

"Dit nieuwe ontwerp is nog vrij conservatief, " zegt Zhenqiang (Jack) Ma, een professor in elektrische en computertechniek. "Als we agressiever waren, het kan oplopen tot 30 of 40 gigahertz, gemakkelijk."

Ma en zijn medewerkers rapporteerden hun nieuwe proces in Natuurwetenschappelijke rapporten op 18 februari 2013.

Ma probeerde een paradox aan te pakken voor het belasten en dopen van siliciumelektronica die op een flexibel substraat is gebouwd. Het persproces is vergelijkbaar met het uitrekken van een t-shirt:de onderzoekers trekken een laag silicium over een laag atomair grotere siliciumgermaniumlegering, die het silicium uitrekt en de ruimte tussen de atomen dwingt om groter te worden. Hierdoor kunnen elektronen vrijer tussen atomen stromen, gemakkelijk door het materiaal bewegen - net zoals een t-shirt dat over een dummy is gespannen, meer ruimte tussen de draden heeft, het laten ademen.

Het probleem komt tijdens het dopingproces. Deze noodzakelijke stap in de productie van halfgeleiders introduceert onzuiverheden die zorgen voor elektronen die uiteindelijk door het circuit stromen. Het dopen van een op zichzelf staand vel gespannen siliconen is als het strijken van een embleem op een uitgerekt T-shirt. Net zoals een opgestreken ontwerp barst en buigt wanneer het T-shirt wordt uitgerekt en niet uitgerekt, de handeling van doping vervormt de flexibele vrijstaande siliconenplaat, het beperken van de stabiliteit en bruikbaarheid als materiaal voor geïntegreerde schakelingen.

"We moesten dit materiaal zo doteren dat de roosterstructuur binnenin niet zou worden vervormd, rekening houdend met silicium dat zowel gespannen als gedoteerd is, " zegt mam.

De oplossing is vergelijkbaar met het verven van een patroon in de stof van een overhemd, in plaats van het achteraf op te strijken. Ma en zijn medewerkers van UW-Madison - Max Lagally, de Erwin W. Mueller Professor en Bascom Professor of Surface Science and Materials Science and Engineering; en Paul Voyles, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek - hebben een proces ontwikkeld waarmee ze een laag silicium dopen, laat dan een laag siliciumgermanium bovenop het silicium groeien, laat daar dan een laatste laag silicium overheen groeien. Nutsvoorzieningen, het dopingpatroon rekt mee met het silicium.

"De structuur blijft behouden, en de doping is er nog steeds, " zegt mam.

De onderzoekers noemen de nieuwe structuur een 'beperkte deelstructuur'. Ma gelooft dat het gebruik van het materiaal om flexibele circuits van de volgende generatie te ontwerpen, flexibele elektronica zal opleveren die veel hogere kloksnelheden biedt tegen een fractie van de energiekosten.

De volgende stap is het realiseren van processors, radiofrequentieversterkers, en andere componenten die baat zouden hebben bij het bouwen op flexibele materialen, maar hadden voorheen meer geavanceerde processors nodig om haalbaar te zijn. "We kunnen de snelheid blijven verhogen en het gebruik van de chips in een breed scala aan componenten verfijnen, " zegt Ma. "Op dit punt, de enige beperking is de lithografie-apparatuur die wordt gebruikt om de hogesnelheidsapparaten te maken."