Теперь исследователи из Корейского университета в Сеуле разработали простой и совместимый с микроэлектроникой метод выращивания графена и успешно синтезировали высококачественный многослойный графен в масштабе пластины (четыре дюйма в диаметре) на кремниевых подложках. Этот метод основан на методе ионной имплантации — процессе, при котором ионы ускоряются под действием электрического поля и разбиваются о полупроводник.
Ударные ионы изменяют физические, химические или электрические свойства полупроводника.В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing, исследователи описывают свою работу, которая приближает графен к коммерческим приложениям в кремниевой микроэлектронике.«Для интеграции графена в передовую кремниевую микроэлектронику, графен большой площади без морщин, разрывов и остатков должен быть нанесен на кремниевые пластины при низких температурах, чего нельзя достичь с помощью обычных методов синтеза графена, поскольку они часто требуют высоких температур», — сказал Джихюн Ким. , руководитель группы и профессор кафедры химической и биологической инженерии Корейского университета. «Наша работа показывает, что метод имплантации ионов углерода имеет большой потенциал для прямого синтеза графена в масштабе пластины для технологий интегральных схем».
Обнаруженный чуть более десяти лет назад, графен сейчас считается самым тонким, легким и прочным материалом в мире. Графен является полностью гибким и прозрачным, но при этом недорогим и нетоксичным. Он может проводить электричество так же, как и медь, переносить электроны практически без сопротивления даже при комнатной температуре — свойство, известное как баллистический перенос.
Уникальные оптические, механические и электрические свойства графена привели к тому, что форма углерода толщиной в один атом была объявлена материалом следующего поколения для более быстрой, компактной, дешевой и энергоемкой электроники.«В кремниевой микроэлектронике графен является потенциальным контактным электродом и соединительным материалом, соединяющим полупроводниковые устройства с образованием требуемых электрических цепей», — сказал Ким. «Это делает высокую температуру обработки нежелательной, так как могут возникнуть вызванные температурой повреждения, деформации, выбросы металла и непреднамеренная диффузия примесей».Таким образом, хотя традиционный метод изготовления графена химического осаждения из паровой фазы широко используется для синтеза графена большой площади на медных и никелевых пленках, этот метод не подходит для кремниевой микроэлектроники, поскольку химическое осаждение из паровой фазы потребует высокой температуры роста выше 1000 градусов Цельсия и последующий процесс переноса графена с металлической пленки на кремний.
«Перенесенный графен на целевую подложку часто содержит трещины, морщины и загрязнения», — сказал Ким. «Таким образом, мы заинтересованы в разработке метода без переноса для прямого синтеза высококачественного многослойного графена в кремниевой микроэлектронике».Метод Кима основан на ионной имплантации, совместимой с микроэлектроникой технике, обычно используемой для введения примесей в полупроводники. При этом ионы углерода ускорялись электрическим полем и бомбардировались слоистой поверхностью из никеля, диоксида кремния и кремния при температуре 500 градусов Цельсия.
Слой никеля с высокой растворимостью углерода используется в качестве катализатора синтеза графена. Затем за процессом следует высокотемпературный активационный отжиг (от 600 до 900 градусов Цельсия) с образованием сотовой решетки из атомов углерода, типичной микроскопической структуры графена.Ким объяснил, что температуру активационного отжига можно снизить, выполнив ионную имплантацию при повышенной температуре.
Затем Ким и его коллеги систематически изучали влияние условий отжига на синтез высококачественного многослойного графена путем изменения давления окружающей среды, окружающего газа, температуры и времени во время обработки.По словам Кима, метод ионной имплантации также предлагает более точный контроль над конечной структурой продукта, чем другие методы изготовления, поскольку толщину графенового слоя можно точно определить, контролируя дозу имплантации ионов углерода.«Наш метод синтеза является управляемым и масштабируемым, что позволяет нам получать графен размером с кремниевую пластину [более 300 миллиметров в диаметре]», — сказал Ким.
Следующим шагом исследователей является дальнейшее снижение температуры в процессе синтеза и контроль толщины графена для промышленного производства.