Ny grafenfremstillingsmetode bruger siliciumcarbidskabelon

(PhysOrg.com) - Forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny "skabelonvækst"-teknik til fremstilling af grafenenheder i nanometerskala. Metoden adresserer, hvad der havde været en væsentlig hindring for brugen af ​​dette lovende materiale i fremtidige generationer af højtydende elektroniske enheder.

Teknikken går ud på at ætse mønstre ind i siliciumcarbidoverfladerne, hvorpå der dyrkes epitaksial grafen. Mønstrene tjener som skabeloner, der styrer væksten af ​​grafenstrukturer, tillader dannelsen af ​​nanobånd af specifikke bredder uden brug af e-bjælker eller andre destruktive skæreteknikker. Grafen nanobånd fremstillet med disse skabeloner har glatte kanter, der undgår elektronspredningsproblemer.

"Ved at bruge denne tilgang, vi kan lave meget smalle bånd af indbyrdes forbundne grafen uden de ru kanter, " sagde Walt de Heer, en professor ved Georgia Tech School of Physics. "Alt, der kan gøres for at lave små strukturer uden at skulle skære dem, vil være nyttigt for udviklingen af ​​grafenelektronik, fordi hvis kanterne er for ru, elektroner, der passerer gennem båndene, spredes mod kanterne og reducerer de ønskede egenskaber af grafen."

Den nye teknik er blevet brugt til at fremstille en række af 10, 000 top-gatede grafentransistorer på en 0,24 kvadratcentimeter chip - menes at være den største tæthed af grafenenheder, der er rapporteret hidtil.

Forskningen blev rapporteret 3. oktober i den forhåndsudgave af tidsskriftet online Natur nanoteknologi . Arbejdet blev støttet af National Science Foundation, W.M. Keck Foundation og Nanoelectronics Research Initiative Institute for Nanoelectronics Discovery and Exploration (INDEX).

Ved at skabe deres grafen nanostrukturer, De Heer og hans forskerhold bruger først konventionelle mikroelektronikteknikker til at ætse små "trin" - eller konturer - ind i en siliciumcarbidwafer. De opvarmer derefter den konturformede wafer til ca. 500 grader Celsius, som initierer smeltning, der polerer eventuelle ru kanter efterladt af ætseprocessen.

De bruger derefter etablerede teknikker til at dyrke grafen fra siliciumcarbid ved at drive siliciumatomerne væk fra overfladen. I stedet for at producere et ensartet lag af grafen, der er et atom tykt over overfladen af ​​waferen, imidlertid, forskerne begrænser opvarmningstiden, så grafen kun vokser på kanterne af konturerne.

At gøre dette, de udnytter det faktum, at grafen vokser hurtigere på visse facetter af siliciumcarbidkrystallen end på andre. Bredden af ​​de resulterende nanobånd er proportional med dybden af ​​konturen, giver en mekanisme til præcis styring af nanobåndene. At danne komplekse grafenstrukturer, flere ætsningstrin kan udføres for at skabe en kompleks skabelon, forklarede de Heer.

"Ved at bruge siliciumcarbiden til at levere skabelonen, vi kan dyrke grafen i præcis de størrelser og former, som vi ønsker, " sagde han. "Skæring af trin af forskellige dybder giver os mulighed for at skabe grafenstrukturer, der er indbyrdes forbundet på den måde, vi ønsker, de skal være.

I grafenbånd i nanometerskala, kvanteindeslutning gør, at materialet opfører sig som en halvleder, der er egnet til fremstilling af elektroniske enheder. Men i bånd en mikron eller mere brede, materialet fungerer som en leder. Styring af dybden af ​​siliciumcarbidskabelonen giver forskerne mulighed for at skabe disse forskellige strukturer samtidigt, bruger samme vækstproces.

"Det samme materiale kan være enten en leder eller en halvleder afhængigt af dets form, " bemærkede de Heer, som også er fakultetsmedlem i Georgia Techs National Science Foundation-støttede Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC). "En af de store fordele ved grafenelektronik er at lave enhedens ledninger og de halvledende bånd af det samme materiale. Det er vigtigt for at undgå elektrisk modstand, der opbygges ved krydsninger mellem forskellige materialer."

Efter dannelsen af ​​nanobåndene - som kan være så smalle som 40 nanometer - anvender forskerne et dielektrisk materiale og metalport til at konstruere felteffekttransistorer. Mens vellykket fremstilling af transistorer af høj kvalitet demonstrerer grafens levedygtighed som et elektronisk materiale, de Heer ser dem som kun det første skridt i, hvad der kunne gøres med materialet.

"Når vi formår at lave enheder godt på nanoskalaen, vi kan derefter gå videre med at lave meget mindre og finere strukturer, der vil gå ud over konventionelle transistorer for at åbne muligheden for mere sofistikerede enheder, der bruger elektroner mere som lys end partikler, " sagde han. "Hvis vi kan inddrage kvantemekaniske egenskaber i elektronik, det vil åbne op for en masse nye muligheder."

De Heer og hans forskerhold arbejder nu på at skabe mindre strukturer, og at integrere grafenenhederne med silicium. Forskerne arbejder også på at forbedre felteffekttransistorerne med tyndere dielektriske materialer.

Ultimativt, grafen kan være grundlaget for en generation af højtydende enheder, der vil udnytte materialets unikke egenskaber i applikationer, hvor de højere omkostninger kan retfærdiggøres. Silicium vil fortsat blive brugt i applikationer, der ikke kræver så høj ydeevne, sagde de Heer.

"Dette er endnu et trin, der viser, at vores metode til at arbejde med epitaksial grafen på siliciumcarbid er den rigtige tilgang og den, der sandsynligvis vil blive brugt til fremstilling af grafenelektronik, " tilføjede han. "Dette er et væsentligt nyt skridt i retning af elektronikfremstilling med grafen."