Простой масштабируемый метод прямого синтеза графена в кремниевую микроэлектронику

К настоящему времени исследователи Корейского университета (г. Сеул) разработали простой, совместимый с известными методами изготовления микроэлектронных приборов, способ выращивания графена и успешно синтезировали высококачественный многослойный графен для контактных электродов на кремниевой подложке необходимых размеров (диаметром 4 дюйма). Основой этого способа является имплантация ионов, процесса, в котором ионы ускоряются за счет воздействия электрического поля. Введение ионов изменяет физические, химические и электрические свойства полупроводников.

В статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letter, исследователи рассказали о своей работе, результаты которой отражают следующий этап в приближении возможности коммерческого использования графена в кремниевой микроэлектронике.

По словам ученых, для интеграции графена в современные технологии изготовления микроэлектронных кремниевых приборов необходимо на подложку из кремния наносить при низких температурах слой графена большой площади без образования неровностей, трещин или загрязнения, что не может быть осуществлено при использовании обычных методов синтеза графена, поскольку для этих процессов требуются высокие температуры.

Открытый немногим более десяти лет назад графен в настоящее время рассматривается как самый тонкий, легкий и прочный материал в мире. Графен абсолютно гибок и прозрачен и в то же время дешев и не токсичен. Он может, подобно меди, проводить электричество. При этом электроны протекают, практически не встречая сопротивления даже при комнатной температуре, — данное явление известно как баллистический перенос. Уникальные оптические, механические и электрические свойства графена, которые позволяют изготавливать его в виде тонких листочков толщиной в один атом, дают возможность считать его материалом следующего поколения для coздания электронных приборов, обладающих большим быстродействием, меньшими размерами и меньшим энергопотреблением при более низкой стоимости.

В кремниевой микроэлектронике графен может быть использован в качестве контактных электродов и проводников, соединяющих полупроводниковые приборы для формирования функциональных электрических схем. При этом высокие температуры в технологическом процессе нежелательны, поскольку они становятся причиной возникновения повреждений, деформаций, вспучивания металла и нежелательной диффузии присадок.

Следовательно, хотя стандартный метод изготовления графена химическим осаждением из газовой фазы широко используется для синтеза графенового покрытия больших площадей на поверхности пленок из меди и никеля, он непригоден для производства кремниевой микроэлектроники, поскольку для химического осаждения из газовой фазы требуется высокая температура (выше 1000 °С), как и для последующего процесса переноса графена на кремний.

Метод ученых, как поясняет Ю Юн Ким (Jihynn Kim), руководитель группы, профессор факультета химической и биологической инженерии в Корейском университете, основан на имплантации ионов — технологии, совместимой с методами производства микроэлектроники, обычно используемыми для введения примесей в полупроводники. В процессе ионы углерода ускоряются в электрическом поле и бомбардируют мишени, изготовленные из никеля, двуокиси кремния и кремния при температуре 500 °С. Слой никеля, обладающий высокой способностью растворять углерод, применяется как катализатор в синтезе графена. Затем следует активация отжигом при высокой температуре (от 600 до 900 °С) для формирования гребнеподобной решетки из атомов углерода — типовой микроскопической структуры графена.

Ким поясняет, что температура активирующего отжига может быть понижена имплантацией ионов при повышенной температуре. Ученые изучили влияние условий отжига на синтез высококачественного многослойного графена при изменениях внешнего давления, окружающего газа, температуры и времени в ходе технологического процесса.

Технология имплантации также дает возможность точного управления формированием финальной структуры продукта по сравнению с другими технологическими методами, поскольку толщина графенового слоя может быть точно сформирована регулированием дозы ионов углерода при их имплантации.

На следующем этапе исследований ученые намерены еще больше понизить температуру в процессе синтеза и повысить точность формирования толщины графенового слоя в процессе производства.