Soldeertechniek voor halfgeleidermaterialen maakt 3D-geprinte elektronica mogelijk

Halfgeleiders vormen het hart van de meeste elektronica, van computerchips tot zonnecellen. De legeringen die Talapin en zijn medewerkers hebben ontwikkeld, kunnen worden gebruikt om stukken halfgeleidermatriaal met elkaar te verbinden. Wetenschappers en technici zoeken al lang naar goede manieren voor het verbinden van halfgeleideroppervlakken, die erg gevoelig zijn voor verontreinigingen en defecten in de structuur

Nieuwe legeringen in pasta of vloeistof

 "Als je twee stukken halfgeleider naast elkaar zet, zal elke verbinding uniek zijn en in de meeste gevallen het transport van ladingen blokkeren", zegt Talapin. "Je kunt geen behoorlijk elektronisch circuit maken door simpelweg verschillende stukken halfgeleider tegen elkaar te persen – zoals dat wel kan met metalen."

Talapin en collega’s van de universiteit van Chicago, het Argonne National Laboratory en het Illinois Institute of Technology ontwikkelden legeringen van cadmium, lood en wolfraam die als een vloeistof of pasta kunnen worden aangebracht om twee stukken halfgeleider te verbinden, door ze te verhitten tot enkele honderden graden Celsius.

"Onze pasta’s en vloeistoffen gaan dan netjes over in een materiaal dat aansluit bij de verbonden delen", aldus Talapin. "We moesten speciale moleculen ontwerpen die daartoe in staat zijn en die het halfgeleidermateriaal niet verontreinigen." Na het opbrengen als pasta of vloeistof vormen ze uiteindelijk een naadloze verbinding.

Diverse toepassingen

De toepassingsmogelijkheden voor het werk van prof. Talapin zijn legio. Het team verwacht dat de techniek snel kan worden gebruikt door fabrikanten die stukjes halfgeleidermateriaal met elkaar moeten verbinden. Maar er zouden ook nieuwe toepassingen kunnen ontstaan in de groeiende halfgeleiderindustrie, zoals het 3D-printen van halfgeleiders.

 "In het klassieke, top-down halfgeleiderproductieproces is solderen niet nodig", zegt Talapin. In plaats daarvan wordt een groot silicium kristal gemaakt en dat wordt in de gewenste vormen geëtst.  

.

Het nieuwe procédé zal niet veel impect hebben op de huidige siliciumtechnologie.  Maar het zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van goedkopere halfgeleiders die nodig zijn voor de toegang tot nieuwe markten, zoals geprinte elektronica, 3D-printn, vlakke beeldschermen, zonnecellen en thermo-elektrische warmte-naar-elektriciteit omzetters voor het Internet of Things.

• Voor geprinte elektronica is het nodig om halfgeleiders te assembleren uit kleine stukjes. "Het is hetzelfde als additive manufacturing, waar voorwerpen stukje bij beetje worden opgebouwd", zegt Talapin.
• 3D printing is een exponentieel groeiende markt. "We kunnen voor zover ik weet bijna elke klasse materialen 3D-printen, maar halfgeleiders nog niet." Met de nieuwe soldeertechniek wordt dat wél mogelijk.
• In de huidige flat-screen TV’s wordt elke pixel bestuurd door een minuscule transistor. Deze transistoren worden momenteel geproduceerd via vacuüm methoden, maar de verwachting is dat het in de toekomst een printproces wordt of andere goedkope technieken die zijn gebaseerd op halfgeleidervloeistoffen of -pasta’s.
• Binnen het Internet of Things zullen kleine sensoren worden geïntegreerd in gebouwen en bruggen om scheuren of andere problemen direct te rapporteren. Daarvoor zijn halfgeleiders nodig die zonlicht of warmte omzetten in elektriciteit om de onderdelen van zo’n netwerk te voeden.  "Dat vraagt om halfgeleidercircuits die niet meer kosten dan een postzegel", stelt Talapin. "Het is een uitdaging voor de chemie om de juiste inkten voor dit doel te vinden. Momenteel zijn ansichtkaarten en tijdschriften weliswaar kleurrijk, maar waarom zouden ze niet tegelijkertijd elektronisch actief zijn?   Dat is zeker geen science fiction meer."

"Composition-matched molecular ‘solders’ for semiconductors," door Dmitriy S. Dolzhnikov, Hao Zhang, Jaeyoung Jang, Jae Sung Son, Matthew G. Panthani, Tomohiro Shibata, Soma Chattopadhyay, en Dmitri V. Talapin, Science, Jan. 23, 2015, Vol. 347, No. 6220, pp. 425-428, DOI: 10.1126/science.1260501.