En nem, skalerbar og direkte metode til syntetisering af grafen i siliciummikroelektronik

I det sidste årti, grafen er blevet intensivt undersøgt for sin unikke optiske, mekanisk, elektriske og strukturelle egenskaber. De et-atom-tykke kulstofplader kan revolutionere den måde, elektroniske enheder fremstilles på og føre til hurtigere transistorer, billigere solceller, nye typer sensorer og mere effektive bioelektriske sensoriske enheder. Som en potentiel kontaktelektrode og sammenkoblingsmateriale, wafer-skala grafen kunne være en væsentlig komponent i mikroelektroniske kredsløb, men de fleste grafenfremstillingsmetoder er ikke kompatible med siliciummikroelektronik, dermed blokerer grafens spring fra potentielt vidundermateriale til faktisk profit-maker.

Nu forskere fra Korea University, i Seoul, har udviklet en nem og mikroelektronikkompatibel metode til at dyrke grafen og har med succes syntetiseret wafer-skala (fire tommer i diameter), høj kvalitet, flerlags grafen på siliciumsubstrater. Metoden er baseret på en ionimplantationsteknik, en proces, hvor ioner accelereres under et elektrisk felt og smadres ind i en halvleder. De påvirkende ioner ændrer det fysiske, kemiske eller elektriske egenskaber af halvlederen.

I et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing, forskerne beskriver deres arbejde, som tager grafen et skridt tættere på kommercielle anvendelser inden for siliciummikroelektronik.

"Til at integrere grafen i avanceret siliciummikroelektronik, stort område grafen fri for rynker, tårer og rester skal aflejres på siliciumwafers ved lave temperaturer, som ikke kan opnås med konventionelle grafensynteseteknikker, da de ofte kræver høje temperaturer, " sagde Jihyun Kim, teamlederen og en professor i Institut for Kemi- og Biologisk Teknik ved Korea University. "Vores arbejde viser, at carbon-ion-implantationsteknikken har et stort potentiale for direkte syntese af wafer-skala grafen til integrerede kredsløbsteknologier."

Opdaget for lidt over et årti siden, grafen anses nu for at være det tyndeste, letteste og stærkeste materiale i verden. Grafen er fuldstændig fleksibelt og gennemsigtigt, samtidig med at det er billigt og ikke-giftigt, og det kan lede elektricitet såvel som kobber, bærer elektroner med næsten ingen modstand selv ved stuetemperatur, en ejendom kendt som ballistisk transport. Graphene's unikke optiske, mekaniske og elektriske egenskaber har ført til, at den et-atom-tykke form for kulstof er blevet udråbt som næste generations materiale for hurtigere, mindre, billigere og mindre strømkrævende elektronik.

"I silicium mikroelektronik, grafen er en potentiel kontaktelektrode og et sammenkoblingsmateriale, der forbinder halvlederenheder for at danne de ønskede elektriske kredsløb, " sagde Kim. "Dette gør høj behandlingstemperatur uønsket, som temperatur-induceret skade, stammer, metalspidser og utilsigtet spredning af dopingmidler kan forekomme."

Dermed, selvom den konventionelle grafenfremstillingsmetode til kemisk dampaflejring er meget udbredt til syntese af grafen med stort areal på kobber- og nikkelfilm, metoden er ikke egnet til silicium mikroelektronik, da kemisk dampaflejring ville kræve en høj væksttemperatur over 1, 000 grader Celsius og en efterfølgende overførselsproces af grafenen fra den metalliske film til silicium.

"Den overførte grafen på målsubstratet indeholder ofte revner, rynker og forurenende stoffer, sagde Kim. vi er motiverede til at udvikle en overførselsfri metode til direkte at syntetisere høj kvalitet, flerlagsgrafen i siliciummikroelektronik."

Kims metode bygger på ionimplantation, en mikroelektronikkompatibel teknik, der normalt bruges til at indføre urenheder i halvledere. I processen, carbon-ioner blev accelereret under et elektrisk felt og bombarderet på en lagdelt overflade lavet af nikkel, siliciumdioxid og silicium ved en temperatur på 500 grader Celsius. Nikkellaget, med høj kulstofopløselighed, bruges som katalysator for grafensyntese. Processen efterfølges derefter af aktiveringsglødning ved høj temperatur (ca. 600 til 900 grader Celsius) for at danne et bikagegitter af carbonatomer, en typisk mikroskopisk struktur af grafen.

Kim forklarede, at aktiveringsglødningstemperaturen kunne sænkes ved at udføre ionimplantationen ved en forhøjet temperatur. Kim og hans kolleger undersøgte derefter systematisk virkningerne af udglødningsbetingelserne på syntesen af ​​høj kvalitet, flerlags grafen ved at variere det omgivende tryk, omgivende gas, temperatur og tid under behandlingen.

Ifølge Kim, ionimplantationsteknikken giver også bedre kontrol over produktets endelige struktur end andre fremstillingsmetoder, da grafenlagets tykkelse kan bestemmes præcist ved at kontrollere dosis af carbonionimplantation.

"Vores syntesemetode er kontrollerbar og skalerbar, giver os mulighed for at opnå grafen så stor som størrelsen af ​​siliciumwaferen [over 300 millimeter i diameter], " sagde Kim.

Forskernes næste skridt er at sænke temperaturen yderligere i synteseprocessen og kontrollere tykkelsen af ​​grafen til fremstillingsproduktion.