nonostante le sorprendenti proprietà del grafene e tutta l'ingegneria che è andata a dare al materiale delle meraviglie un gap di banda, le sue prospettive per la logica digitale rimangono tanto in dubbio quanto lo sono mai state.

foto: jose-luis olivares / mit

ma l'elenco degli usi del grafene nell'elettronica al di fuori della logica digitale continua a crescere. l'ultimo deriva dalla ricerca di mit in cui il grafene potrebbe rendere l'uso di semiconduttori esotici più accessibile alle industrie preparando film sottili a semiconduttore senza l'alto costo dell'utilizzo di wafer di massa dei materiali.

nella ricerca descritta nella natura della rivista, un film sottile di grafene è posto sopra un'ostia di arseniuro di gallio (gaas). quindi i semiconduttori composti - che sono fatti di più di un elemento come l'arseniuro di gallio (gaas), il fosfuro di indio (inp) e l'arsenuro di indio-gallio (ingaas) - sono cresciuti sopra lo strato di grafene in un processo epitassico.

poiché il grafene è inerte e sottile sul substrato, i potenziali campi elettronici che emanano dal substrato del gaas possono permeare attraverso il grafene. ciò consente di \"passare\" informazioni sulla struttura atomica del substrato. in questo modo, il film di gaas che è cresciuto sopra il grafene è in grado di adottare la stessa struttura atomica del substrato. poi, dopo che i semiconduttori composti hanno preso forma, il grafene è abbastanza lucido da rendere facile staccare il semiconduttore cresciuto, lasciando il wafer sottostante illeso.

\"Creare una singola pietra cristallina\" .... i film sottili sono una sfida famigerata nella comunità delle scienze dei materiali \", afferma jeehwan kim, un assistente professore al mit, in un'intervista via e-mail con lo spettro ieee. \"L'aspetto sorprendente del progetto è che siamo stati in grado di creare semiconduttori monocristallini su larga scala su grafene, che erano in grado di staccarsi facilmente.\"

foto: jose-luis olivares / mitled realizzati con la tecnica della copia-grafene.

attraverso l'uso di calcoli chiamati teoria del funzionale della densità dei primi principi (dft) i ricercatori sono stati in grado di modellare il potenziale elettronico attraverso un vuoto tra il waas gaas e il film sottile del gaas. il modello ha mostrato che quando questa distanza è inferiore a 0,9 nanometri, il potenziale elettronico del substrato di Gaas può ancora interagire con gli atomi di gallio e arsenico in arrivo.

sulla base di questi calcoli, i ricercatori del mit sapevano che la struttura del cristallo atomico del wafer sarebbe stata trasferita al semiconduttore composto. il wafer funge da strato di semi di cristallo per far crescere i singoli dispositivi cristallini su di esso. l'unico aspetto desiderato del wafer è la sua superficie levigata, che funge da modello monocristallino, ma il wafer è volutamente reso più spesso per dargli la rigidità meccanica per sopportare una lavorazione dura.

la necessità di una fonte più economica di semiconduttori composti è chiara. ci sono alcune proprietà del silicio che lo rendono povero per alcune applicazioni del dispositivo, secondo kim. ad esempio, non è possibile far crescere led di alta qualità sulla parte superiore del silicio; un wafer di zaffiro o wafer di carburo di silicio è necessario per questa applicazione del dispositivo.

\"Ci sono molti altri esempi di dispositivi elettronici / fotonici che difficilmente possono essere portati all'industria perché il costo dei wafer lo rende economicamente non redditizio\", afferma Kim. \"Stiamo portando il concetto di riutilizzabilità del wafer infinito specificamente per questo target.\"

Kim dice che l'obiettivo finale di questo progetto ha raggiunto due obiettivi: in primo luogo, ridurre in modo significativo il costo di produzione di dispositivi a semiconduttore compositi esotici; e in secondo luogo per creare opportunità per inventare nuovi dispositivi.

questo lavoro affronta anche i problemi di fabbricazione che esistono con materiali sposanti come il germanio e i semiconduttori iii-v, il silicio e il silicio verso sistemi con logica più rapida. il deposito di questi materiali sul silicio tende a provocare difetti che distruggono le prestazioni del dispositivo.

illustrazione: mit

al fine di coltivare semiconduttori con difetti minimi sulla parte superiore del silicio, il requisito più importante è quello di garantire che la dimensione del reticolo cristallino del film da coltivare sia simile al reticolo cristallino del silicio, a volte indicato come accoppiamento reticolo. sfortunatamente, gli atomi di germanio sono molto più grandi degli atomi di silicio, quindi se si coltivassero cristalli di germanio puro sulla parte superiore del silicio, la differenza nella dimensione del reticolo cristallino causerebbe molti difetti nei cristalli di germanio.

in questo ultimo approccio, il gaas viene coltivato su grafene può essere trasferito su un substrato di silicio.

\"Abbiamo essenzialmente creato una pila di film di gaas monocristallino su un substrato di silicio monocristallino. questo è il modo in cui intendiamo sposare [semiconduttori composti] con \"silicio\", afferma Kim.

uno dei maggiori requisiti per qualsiasi tecnologia adottata dall'industria è la dimostrazione di processi su larga scala. la sfida attuale per il team di mit è di scalare il processo di trasferimento del grafene con un alto rendimento. \"Ci sono alcune aree in cui la copertura del grafene non è l'ideale, vogliamo essere in grado di offrire alle industrie un trasferimento di grafene di alta qualità su grande scala di grafene monocristallino\", aggiunge kim.

i ricercatori stanno continuando a migliorare il processo di crescita ed esfoliazione di questi film semiconduttori composti, ma sono più interessati alla creazione di dispositivi eterostrutturali - dispositivi monoliticamente integrati fatti di semiconduttori dissimili. fino ad oggi che è stato difficile da realizzare a causa del problema della \"corrispondenza del reticolo\" nei processi epitassici della tradizione.

Kim aggiunge: \"stiamo progettando e fabbricando nuovi dispositivi sovrapponendo semiconduttori diversi sopra ciascuno. alla fine vogliamo fondere tutte le proprietà uniche e altamente vantaggiose di più semiconduttori in un unico dispositivo. \"

parole chiave: mit compound, semiconduttori iii-v, fosfuro di indio, epitassia, wafer, grafene, arseniuro di gallio, arseniuro di indio e gallio

fonte: ieee

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