At tænke tyndt bringer nye lag- og termiske evner til halvlederindustrien

Hvad ville en simpel teknik til at fjerne tynde lag fra ellers tykke, stive halvlederkrystaller betyder for halvlederindustrien? Dette koncept har været aktivt undersøgt i årevis, da integrerede kredsløb fremstillet på tynde lag holder løfte om udviklingen, herunder forbedrede termiske egenskaber, let stabelbarhed og en høj grad af fleksibilitet i forhold til konventionelt tykke underlag.

I et betydeligt fremskridt, en forskergruppe fra IBM anvendte med succes deres nye "kontrolleret spalling" lagoverførselsteknik til galliumnitrid (GaN) krystaller, et udbredt halvledermateriale, og skabte en vej til at producere mange lag fra et enkelt substrat.

Som de rapporterer i Journal of Applied Physics , kontrolleret spalling kan bruges til at producere tynde lag fra tykke GaN -krystaller uden at forårsage krystallinsk skade. Teknikken gør det også muligt at måle grundlæggende fysiske egenskaber ved materialesystemet, som belastningsinducerede optiske effekter og brudsejhed, som ellers er svære at måle.

Single-crystal GaN wafers er ekstremt dyre, hvor kun en 2-tommer wafer kan koste tusindvis af dollars, så at have flere lag betyder at få mere værdi ud af hver skive. Tyndere lag giver også ydelsesfordele for kraftelektronik, da det giver lavere elektrisk modstand og varme er lettere at fjerne.

"Vores tilgang til fjernelse af tyndfilm er spændende, fordi den er baseret på brud, "sagde Stephen W. Bedell, forskningsmedarbejder ved IBM Research og en af ​​papirets forfattere. "Først, vi lægger først et nikkellag på overfladen af ​​det materiale, vi vil fjerne. Dette nikkellag er under trækstyrke - tænk tromlehoved. Derefter ruller vi simpelthen et lag tape på nikkel, Hold underlaget nede, så det ikke kan bevæge sig, og fjern derefter tapen. Når vi gør dette, det spændte nikkellag skaber en revne i det underliggende materiale, der går ned i substratet og derefter bevæger sig parallelt med overfladen. "

Deres metode koger ned på blot at skrælle båndet af, nikkellag og et tyndt lag af substratmaterialet, der sidder fast på nikkelen.

"En god analogi af, hvor bemærkelsesværdig denne proces er, kan laves med en glasrude, "Sagde Bedell." Vi bryder glasset i den lange retning, så i stedet for en flok knuste glasskår, vi står tilbage med to fulde glasplader. Vi kan kontrollere, hvor meget af overfladen der fjernes ved at justere tykkelsen af ​​nikkellaget. Fordi hele processen udføres ved stuetemperatur, vi kan endda gøre dette på færdige kredsløb og enheder, gør dem fleksible. "

Gruppens arbejde er bemærkelsesværdigt af flere årsager. Til at begynde med, det er langt den enkleste metode til at overføre tynde lag fra tykke underlag. Og det kan godt være den eneste lagoverførselsmetode, der er materielt agnostisk.

"Vi har allerede demonstreret overførslen af ​​silicium, germanium, gallium arsenid, galliumnitrid/safir, og endda amorfe materialer som glas, og det kan anvendes næsten når som helst i fremstillingsstrømmen, fra udgangsmaterialer til delvist eller fuldstændigt færdige kredsløb, "Sagde Bedell.

Gør et salontrick til en pålidelig proces, arbejder på at sikre, at denne tilgang ville være en konsekvent teknik til revnefri overførsel, førte til overraskelser undervejs.

"Den grundlæggende mekanisme for brud på substratforstyrrelser startede som et materialevidenskabeligt problem, "sagde han." Det var kendt, at aflejring af metallisk film ofte ville føre til revner i det underliggende substrat, hvilket betragtes som en dårlig ting. Men vi fandt ud af, at dette var et metastabilt fænomen, hvilket betyder, at vi kunne lægge et tykt nok lag til at revne underlaget, men tynd nok til, at den ikke revner af sig selv - den havde bare brug for en revne for at komme i gang. "

Deres næste opdagelse var, hvordan man gør crack -initieringen konsekvent og pålidelig. Selvom der er mange måder at generere en revne på - laser, kemisk ætsning, termisk, mekanisk, osv. - det viser sig, at den enkleste måde, ifølge Bedell, er at afslutte tykkelsen af ​​nikkellaget meget brat nær kanten af ​​substratet.

"Dette skaber en stor spændingsdiskontinuitet ved kanten af ​​nikkelfilmen, så når tapen først er påført, et lille træk i båndet starter konsekvent revnen i dette område, " han sagde.

Selvom det måske ikke er indlysende, galliumnitrid er et vigtigt materiale i vores hverdag. Det er det underliggende materiale, der bruges til at fremstille blå, og nu hvid, LED'er (for hvilke Nobelprisen i fysik i 2014 blev uddelt) samt for højeffekt, højspændingselektronik. Det kan også vise sig nyttigt for iboende biokompatibilitet, som i kombination med kontroludskydning kan tillade ultratynd bioelektronik eller implanterbare sensorer.

"Kontrolleret spalling er allerede blevet brugt til at skabe ekstremt let, højeffektive GaAs-baserede solceller til rumfartsapplikationer og fleksible state-of-the-art kredsløb, "Sagde Bedell.

Gruppen arbejder nu med forskningspartnere for at fremstille højspændings-GaN-enheder ved hjælp af denne fremgangsmåde. "Vi har også haft stor interaktion med mange af GaN-teknologiledere gennem Energidepartementets ARPA-E SWITCHES-program og håber at bruge kontrolleret spalling til at muliggøre nye enheder gennem fremtidige partnerskaber, "Sagde Bedell.