MIT desarrolla chips fotónicos flexibles y transparentes a escala de oblea

Investigadores del MIT y NY Creates desarrollaron un proceso a escala de oblea que produce chips de fotónica de silicio flexibles y transparentes, una combinación que podría habilitar monitores de salud discretos y pantallas de realidad aumentada adaptadas a superficies curvas.
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• El proceso utiliza obleas de silicio de 300 milímetros y técnicas estándar de fabricación de semiconductores.
• Un chip soportó miles de dobleces alrededor de cilindros de hasta el ancho de un tornillo pequeño sin perder rendimiento.
• Las pruebas indicaron que el material genera una neblina mínima y no distorsiona notablemente las imágenes observadas a través de él.

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en colaboración con ingenieros de NY Creates, desarrollaron una plataforma de fabricación capaz de producir chips de fotónica de silicio flexibles y transparentes a escala de oblea. El avance busca superar una limitación habitual de esta tecnología: aunque la fotónica utiliza luz para transmitir y procesar datos con alta precisión, sus circuitos suelen fabricarse sobre estructuras rígidas y opacas.

La combinación podría abrir aplicaciones que hasta ahora resultaban difíciles de implementar, como monitores de salud discretos que se adapten al cuerpo y pantallas de realidad aumentada transparentes que sigan la curvatura de una visera o un parabrisas. Según informó MIT News, el equipo validó el proceso doblando repetidamente un chip alrededor de cilindros de distintos diámetros y evaluando también cuánto afectaba su presencia a la visión.

Una plataforma compatible con la fabricación de semiconductores

La fotónica de silicio emplea guías de onda y otros componentes ópticos diminutos para transportar luz dentro de un circuito, en lugar de depender exclusivamente de señales eléctricas. Durante la última década, los avances en fabricación permitieron crear obleas de 300 milímetros con miles de millones de dispositivos nanométricos, pero esa capacidad industrial no se había trasladado de forma escalable a chips que fueran simultáneamente flexibles y transparentes.

El equipo dirigido por Jelena Notaros comenzó con un proceso similar al utilizado para fabricar una oblea tradicional y rígida. Sobre el sustrato de silicio, los investigadores depositaron y moldearon guías de onda, que funcionan como pequeños conductos ópticos, y después unieron temporalmente otra oblea de silicio para proporcionar soporte durante las etapas más delicadas de manipulación.

Tras voltear la estructura, eliminaron el sustrato de silicio original hasta dejar una capa plana con un espesor menor a una décima parte del de un cabello humano. Luego fijaron mediante un adhesivo una película delgada y transparente de poliéster sobre las capas ultradelgadas, antes de retirar la oblea temporal mediante un proceso de separación controlada.

El resultado fue una oblea de apenas unos pocos micrones de espesor que conserva las capas de óxido y las guías de onda necesarias para capturar y transportar luz. Tal Sneh, autor principal del estudio y estudiante de posgrado de EECS en el MIT, destacó que el uso de herramientas estables de fundición de 300 milímetros permite diseñar sistemas con numerosos dispositivos y confiar en que operarán conforme a sus especificaciones.

El reto de adelgazar una oblea sin romperla

La principal dificultad técnica consistió en retirar suficiente silicio de una oblea de gran tamaño sin dañar las capas ópticas que debían permanecer. A medida que el material se reduce a unos pocos micrones, las tensiones internas pueden curvar la oblea, generar ondulaciones en su superficie o incluso provocar una rotura dentro de la línea de fabricación.

Thomas Dyer, integrante de NY Creates y colaborador del proyecto, explicó que la planitud resulta esencial cuando las obleas se voltean sobre nuevos sustratos. Para controlar ese riesgo, el grupo limitó los procesos a temperaturas de 500 grados Celsius o menos y ajustó cuidadosamente el orden de las operaciones, con el objetivo de reducir el estrés acumulado en la estructura.

Los investigadores combinaron métodos industriales para adelgazar rápidamente la capa de silicio con un grabado químico selectivo durante la fase final. Ese cambio permitió retirar el material restante con mayor precisión y evitó que las técnicas más agresivas afectaran las capas ultradelgadas de óxido y de guiado de onda.

La colaboración con NY Creates permitió procesar las obleas en el Albany NanoTech Complex, mientras que el corte de los chips se realizó en MIT.nano. Notaros señaló que la plataforma podría ponerse a disposición de otros grupos de investigación mediante el acceso a esa capacidad de fundición, lo que ampliaría la experimentación con nuevas aplicaciones de fotónica de silicio.

Pruebas de rendimiento, flexibilidad y transparencia

El equipo realizó tres grupos de experimentos para comprobar que la reducción de espesor no comprometía la función del circuito. Primero midió el comportamiento óptico de chips con guías de onda integradas de distintas longitudes, con el fin de caracterizar sus propiedades para conducir luz dentro de la estructura flexible.

Después, los investigadores doblaron un chip miles de veces alrededor de cilindros con diferentes diámetros, incluido uno aproximadamente tan estrecho como un tornillo pequeño. Las pruebas no mostraron una caída del rendimiento en esas condiciones, y el dispositivo solo empezó a degradarse cuando fue doblado varias veces alrededor de un objeto comparable con un palillo de dientes.

Andres Garcia Coleto, uno de los investigadores participantes, afirmó que el experimento demostró un desempeño superior al requerido para las aplicaciones previstas por el grupo. El resultado no significa que el chip pueda soportar cualquier deformación, pero sí indica que la plataforma dispone de un margen mecánico relevante para sistemas que deban ajustarse a superficies curvas.

En el tercer experimento, los investigadores colocaron el chip frente a un ojo biónico para analizar si interfería con la imagen observada. El dispositivo produjo una neblina mínima y no distorsionó de manera apreciable las imágenes vistas a través de él, una propiedad importante para viseras, pantallas transparentes y otros sistemas que deben combinar información digital con el entorno real.

Aplicaciones previstas y próximos pasos

Una posible aplicación son las pantallas de realidad aumentada curvas integradas en parabrisas de visualización frontal o en viseras de pilotos de avión. En ese escenario, una capa fotónica flexible y transparente podría ayudar a reemplazar sistemas ópticos voluminosos que actualmente entregan información en tiempo real, aunque el trabajo presentado todavía corresponde a una plataforma de fabricación y no a un producto comercial terminado.

La misma propiedad de adaptación mecánica podría resultar útil en dispositivos portátiles colocados sobre la piel o integrados en prendas y accesorios. Los investigadores mencionan monitores de salud discretos como una de las áreas potenciales, porque un circuito que siga la forma del cuerpo podría ser menos visible y más sencillo de incorporar que un componente rígido.

El desarrollo también tiene implicaciones para la escalabilidad de la fotónica integrada, un campo que busca aprovechar la velocidad y eficiencia del procesamiento óptico sin abandonar las técnicas maduras de la industria de semiconductores. La fabricación sobre obleas grandes permite producir muchos dispositivos bajo condiciones controladas, pero aún será necesario integrar componentes más complejos y demostrar que el rendimiento se mantiene en sistemas completos.

Como siguiente etapa, el grupo de Notaros pretende añadir funcionalidades adicionales, mejorar la eficiencia de las guías de onda y aumentar la transparencia del conjunto. La investigación recibió financiamiento parcial de la National Science Foundation, la Defense Advanced Research Projects Agency y una beca MathWorks, mientras el artículo técnico fue aceptado para publicación en la revista Optica.

Imagen original de DiarioBitcoin, creada con inteligencia artificial, de uso libre, licenciada bajo Dominio Público.

Este artículo fue escrito por un redactor de contenido de IA y revisado por un editor humano para garantizar calidad y precisión.

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