Trotz der erstaunlichen Eigenschaften von Graphen und all der Technik, die dem Wundermaterial eine Bandlücke beschert hat, bleiben seine Aussichten für die digitale Logik genauso im Zweifel wie zuvor.

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Aber die Liste der Anwendungen für Graphen in der Elektronik außerhalb der digitalen Logik wächst weiter. Das Neueste stammt aus der Forschung, in der Graphen die Verwendung von exotischen Halbleitern für die Industrie zugänglicher machen könnte, indem Halbleiter-Dünnfilme ohne die hohen Kosten der Verwendung von Massenwafern der Materialien hergestellt werden.

In der in der Zeitschrift nature beschriebenen Forschung wird ein dünner Graphenfilm auf einen Galliumarsenid (gaas) -Wafer gelegt. Dann werden in einem Epitaxie-Verfahren Verbindungshalbleiter, die aus mehr als einem Element wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (Inp) und Indiumgalliumarsenid (Ingaas) bestehen, auf dieser Graphenschicht aufgewachsen.

Da das Graphen inert und dünn auf dem Substrat ist, können die elektronischen Potentiale, die vom Gaas-Substrat ausgehen, das Graphen durchdringen. Dies ermöglicht \"Informationen\" bezüglich der atomaren Struktur des Substrats. Auf diese Weise kann GaAs-Film, der auf Graphen gewachsen ist, die gleiche atomare Struktur wie das Substrat annehmen. Dann, nachdem die Verbindungshalbleiter Gestalt angenommen haben, ist das Graphen glatt genug, um das Ablösen des gewachsenen Halbleiters zu erleichtern, wodurch der darunterliegende Wafer unbeschädigt bleibt.

\"Freistehend\" einkristallin schaffen .... Dünnfilm ist eine berüchtigte Herausforderung in der Materialwissenschaft \", sagt jeehwan kim, Assistant Professor bei mit, in einem E-Mail-Interview mit ieee spectrum. \"Der erstaunliche Aspekt des Projekts ist, dass wir großflächige einkristalline Verbindungshalbleiter auf Graphen erzeugen konnten, die sich leicht ablösen ließen.\"

Foto: jose-luis olivares / mitleds, hergestellt mit der Graphen-Kopiertechnik.

Durch die Verwendung von Berechnungen, die als \"First-Principles\" -Dichtefunktionaltheorie (dft) bezeichnet wurden, konnten die Forscher das elektronische Potenzial durch eine Vakuumlücke zwischen GaAs-Wafer und Gaas-Dünnfilm modellieren. Das Modell zeigte, dass, wenn diese Lücke weniger als 0,9 Nanometer beträgt, das elektronische Potential des Gaas-Substrats immer noch mit den ankommenden Gallium- und Arsenatomen wechselwirken kann.

Basierend auf diesen Berechnungen wussten die mit-Forscher, dass die atomare Kristallstruktur des Wafers auf den Verbindungshalbleiter übertragen werden würde. Der Wafer dient als Kristallkeimschicht, um einkristalline Vorrichtungen darüber wachsen zu lassen. Der einzige erwünschte Aspekt des Wafers ist seine polierte Oberfläche, die als einkristalline Schablone wirkt, aber der Wafer wird absichtlich dicker gemacht, um ihm eine mechanische Festigkeit zu geben, um einer harten Verarbeitung standzuhalten.

die Notwendigkeit für eine billigere Quelle von Verbindungshalbleitern ist klar. es gibt bestimmte Eigenschaften von Silizium, die es für bestimmte Geräteanwendungen nach kim schlecht machen. zum Beispiel ist es nicht möglich, hochwertige LEDs auf Silizium zu wachsen; ein Saphirwafer oder ein Siliziumkarbidwafer wird für diese Geräteanwendung benötigt.

\"Es gibt viel mehr Beispiele für bestimmte elektronische / photonische Geräte, die kaum in die Industrie gebracht werden können, da die Kosten für Wafer die Herstellung wirtschaftlich unmöglich machen\", sagt Kim. \"Wir bringen das Konzept der unendlichen Wiederverwendbarkeit von Wafern speziell für dieses Ziel.\"

Kim sagt, dass das ultimative Ziel dieses Projekts zwei Dinge erreicht: erstens, die Kosten für die Herstellung von exotischen Verbundhalbleitergeräten signifikant zu senken; und zweitens, Möglichkeiten zu schaffen, neue Geräte zu erfinden.

Diese Arbeit befasst sich auch mit den Fertigungsproblemen, die bei der Verbindung von Materialien wie Germanium und III-V-Halbleitern mit Silizium-ICs zu Systemen mit schnellerer Logik bestehen. das Ablagern dieser Materialien auf Silizium führt tendenziell zu Defekten, die die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zerstören.

Abbildung: mit

Um Halbleiter mit minimalen Defekten auf Silizium zu züchten, ist die wichtigste Anforderung sicherzustellen, dass die Größe des Kristallgitters des zu züchtenden Films dem Kristallgitter von Silizium ähnlich ist, was manchmal als Gitteranpassung bezeichnet wird. unglücklicherweise sind Germaniumatome viel größer als Siliziumatome. Wenn Sie also reine Germaniumkristalle auf Silizium wachsen würden, würde der Unterschied in der Größe des Kristallgitters viele Defekte in den Germaniumkristallen verursachen.

In diesem neuesten Ansatz kann GaAs auf Graphen gezüchtet werden, das auf ein Siliziumsubstrat übertragen werden kann.

\"Wir haben im Wesentlichen einen Stapel einkristalliner GaAs-Filme auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat erzeugt. so wollen wir [verbindungshalbleiter] mit \"silizium\" verheiraten, sagt kim.

Eine der größten Anforderungen für jede Technologie, die von der Industrie übernommen werden soll, ist die Demonstration einer großtechnischen Verarbeitung. Die aktuelle Herausforderung für das mit-Team besteht darin, den Graphentransferprozess mit hoher Ausbeute zu skalieren. \"Es gibt bestimmte Bereiche, in denen die Graphenabdeckung nicht ideal ist. Wir wollen in der Lage sein, großtechnischen Graphentransfer von einkristallinem Graphen in großen Mengen zu ermöglichen\", fügt Kim hinzu.

Die Forscher verbessern weiterhin den Wachstums- und Exfoliationsprozess dieser Verbindungshalbleiterfilme, aber sie sind mehr daran interessiert, heterostrukturelle Vorrichtungen - monolithisch integrierte Vorrichtungen aus unterschiedlichen Halbleitern - herzustellen. Bis heute war dies wegen des Problems des \"Lattice Matching\" in herkömmlichen Epitaxieprozessen schwierig zu realisieren.

kim fügt hinzu: \"Wir entwickeln und fertigen neuartige Bauelemente, indem wir unterschiedliche Halbleiter übereinander stapeln. Wir wollen schließlich alle einzigartigen und sehr vorteilhaften Eigenschaften mehrerer Halbleiter in einem Gerät vereinen. \"

Schlagworte: mit Verbindung, Halbleiter iii-v, Indiumphosphid, Epitaxie, Wafer, Graphen, Galliumarsenid, Indiumgalliumarsenid

Quelle: Ieee

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