Utsträckta kläder kanske inte är en bra träning för tvättdagar, men i fallet med mikroprocessortillverkning, att sträcka ut kislets atomära struktur i de kritiska komponenterna i en enhet kan vara ett bra sätt att öka en krets prestanda.

Skapa "sträckta" halvledare med större utrymmen mellan kiselatomer, brukar kallas "ansträngt kisel, " tillåter elektroner att röra sig lättare genom materialet. Historiskt sett, halvledarindustrin har använt ansträngt kisel för att pressa ut lite mer effektivitet och prestanda ur de konventionella mikroprocessorerna som driver de stationära och bärbara datorerna vi använder varje dag.

Dock, tillverkarnas oförmåga att introducera ansträngt kisel i flexibel elektronik har begränsat deras teoretiska hastighet och kraft till, som mest, cirka 15 gigahertz. Tack vare en ny produktionsprocess som pionjärer av University of Wisconsin-Madisons ingenjörer, locket kunde lyftas.

"Denna nya design är fortfarande ganska konservativ, " säger Zhenqiang (Jack) Ma, professor i el- och datateknik. "Om vi ​​var mer aggressiva, det kan bli upp till 30 eller 40 gigahertz, lätt."

Ma och hans medarbetare rapporterade in sin nya process Naturvetenskapliga rapporter den 18 februari, 2013.

Ma försökte ta itu med en paradox för att spänna och dopa kiselelektronik byggd på ett flexibelt substrat. Silingsprocessen liknar att sträcka ut en t-shirt:Forskarna drar ett lager kisel över ett lager av atomärt större kiselgermaniumlegering, som sträcker ut kislet och tvingar utrymmen mellan atomerna att vidgas. Detta gör att elektroner kan flöda mellan atomer mer fritt, att röra sig genom materialet med lätthet - precis som en t-shirt sträckt över en dummy kommer att ha mer utrymme mellan trådarna, låter den andas.

Problemet kommer under dopningsprocessen. Detta nödvändiga steg i halvledartillverkning introducerar föroreningar som ger elektroner som slutligen flödar genom kretsen. Att doppa ett fristående ark av silikon är som att stryka en dekal på en uttöjd t-shirt. Precis som en påstruken design spricker och böjer sig när t-shirten är sträckt och osträckt, dopningshandlingen förvränger det flexibla fristående silikonskiktet, begränsar dess stabilitet och användbarhet som material för integrerade kretsar.

"Vi behövde dopa det här materialet på ett sätt så att gitterstrukturen inuti inte skulle förvrängas, tillåter kisel som är både ansträngt och dopat, " säger mamma.

Lösningen är som att färga in ett mönster i tyget på en skjorta, snarare än att stryka på det i efterhand. Ma och hans UW-Madison-kollaboratörer-Max Lagally, Erwin W. Mueller professor och Bascom professor i ytvetenskap och materialvetenskap och teknik; och Paul Voyles, en docent i materialvetenskap och teknik – har utvecklat en process genom vilken de dopar ett lager av kisel, odla sedan ett lager kiselgermanium ovanpå kislet, odla sedan ett sista lager kisel över det. Nu, dopningsmönstret sträcker sig tillsammans med kislet.

"Strukturen bibehålls, och dopningen finns kvar, " säger mamma.

Forskarna kallar den nya strukturen för en "begränsad delningsstruktur". Ma tror att användningen av materialet för att designa nästa generations flexibla kretsar kommer att ge flexibel elektronik som erbjuder mycket högre klockhastigheter till en bråkdel av energikostnaden.

Nästa steg blir att realisera processorer, radiofrekvensförstärkare, och andra komponenter som skulle tjäna på att byggas på flexibla material, men tidigare har krävt mer avancerade processorer för att vara genomförbara. "Vi kan fortsätta att öka hastigheten och förfina användningen av chipsen i ett brett utbud av komponenter, " säger mamma. "Vid det här laget, den enda begränsningen är litografiutrustningen som används för att tillverka höghastighetsenheterna."