Malgré les étonnantes propriétés du graphène et toute l'ingénierie qui a permis de donner un espace de bande au matériau, ses perspectives pour la logique numérique restent aussi incertaines qu'elles ne l'ont jamais été.

photo: jose-luis olivares / mit

mais la liste des utilisations du graphène dans l'électronique en dehors de la logique numérique continue de croître. le dernier vient de la recherche de mit dans laquelle le graphène pourrait rendre l'utilisation de semi-conducteurs exotiques plus accessible aux industries en préparant des films minces de semi-conducteur sans le coût élevé de l'utilisation des tranches en vrac des matériaux.

Dans la recherche décrite dans la revue Nature, un mince film de graphène est placé au-dessus d'une plaquette d'arséniure de gallium (GaAs). Ensuite, des semi-conducteurs composés - composés de plusieurs éléments tels que l'arséniure de gallium (gaas), le phosphure d'indium (inp) et l'arséniure d'indium et de gallium (ingaas) - sont développés sur cette couche de graphène dans un procédé d'épitaxie.

parce que le graphène est inerte et mince sur le substrat, les champs de potentiel électroniques émanant du substrat gaas peuvent traverser le graphène. ceci permet de \"passer\" à travers \"l'information\" concernant la structure atomique du substrat. de cette manière, le film de gaas qui a été cultivé au-dessus du graphène est capable d'adopter la même structure atomique que le substrat. puis, une fois que les semi-conducteurs composés ont pris forme, le graphène est assez lisse pour faciliter la décollement du semi-conducteur, laissant la plaquette sous-jacente indemne.

\"Créer autonome\" monocristallin '.... Les films minces constituent un défi notoire dans la communauté des sciences matérielles », explique jeehwan kim, professeur assistant à mit, dans une interview par e-mail avec ieee spectre. \"L'aspect étonnant du projet est que nous avons été en mesure de créer des semi-conducteurs composés monocristallins à grande échelle sur le graphène, qui a été capable de se décoller facilement.\"

photo: jose-luis olivares / mitleds réalisés à l'aide de la technique copy-machine graphène.

grâce à l'utilisation de calculs appelés la théorie fonctionnelle de la densité des premiers principes (dft), les chercheurs ont pu modéliser le potentiel électronique à travers un vide entre la plaquette de gaas et le film mince de gaas. le modèle a montré que lorsque cet écart est inférieur à 0,9 nanomètre, le potentiel électronique du substrat gaas peut toujours interagir avec les atomes de gallium et d'arsenic qui arrivent.

Sur la base de ces calculs, les chercheurs savaient que la structure cristalline atomique de la plaquette serait transférée au semiconducteur composé. la plaquette sert de couche de graine de cristal pour faire pousser des dispositifs monocristallins par dessus. le seul aspect souhaité de la plaquette est sa surface polie, qui agit comme le gabarit monocristallin, mais la plaquette est intentionnellement rendue plus épaisse pour lui conférer une rigidité mécanique lui permettant de supporter un traitement rigoureux.

le besoin d'une source moins coûteuse de semi-conducteurs composés est évident. Il y a certaines propriétés du silicium qui le rendent pauvre pour certaines applications de l'appareil, selon Kim. par exemple, il n'est pas possible de faire pousser des leds de haute qualité sur le silicium; une plaquette de saphir ou une plaquette de carbure de silicium est requise pour cette application.

«Il y a beaucoup plus d'exemples de certains dispositifs électroniques / photoniques qui peuvent difficilement être apportés à l'industrie parce que le coût des plaquettes le rend économiquement non viable», dit Kim. \"Nous apportons le concept de réutilisation infinie des plaquettes spécifiquement pour cette cible.\"

Kim dit que l'objectif ultime de ce projet atteint deux objectifs: premièrement, réduire de manière significative le coût de fabrication de dispositifs semi-conducteurs composés exotiques; et deuxièmement, créer des opportunités pour inventer de nouveaux appareils.

ce travail aborde également les problèmes de fabrication qui existent en mariant des matériaux tels que le germanium et les semiconducteurs iii-v à des composants en silicium à des systèmes avec une logique plus rapide. le dépôt de ces matériaux sur le silicium a tendance à entraîner des défauts qui détruisent les performances du dispositif.

illustration: mit

afin de faire croître des semi-conducteurs avec des défauts minimes sur le silicium, l'exigence la plus importante est de s'assurer que la taille du réseau cristallin du film à croître est similaire au réseau cristallin du silicium, parfois appelé appariement de réseau. Malheureusement, les atomes de germanium sont beaucoup plus gros que les atomes de silicium, donc si vous deviez faire pousser des cristaux de germanium pur sur le silicium, la différence de taille du réseau cristallin causerait beaucoup de défauts dans les cristaux de germanium.

dans cette dernière approche, gaas est cultivé sur du graphène peut être transféré sur un substrat de silicium.

\"Nous avons essentiellement créé une pile de film de gaas monocristallin sur un substrat de silicium monocristallin. c'est ainsi que nous avons l'intention de marier [les semi-conducteurs composés] avec \"le silicium, dit Kim.

l'une des plus grandes exigences pour toute technologie à adopter par l'industrie est de démontrer le traitement à grande échelle. Le défi actuel pour l'équipe mit est de mettre à l'échelle le processus de transfert de graphène avec un rendement élevé. \"Il existe certaines zones où la couverture de graphène n'est pas idéale, nous voulons être en mesure d'offrir aux industries de transfert de graphène à grande échelle de haute qualité de graphène monocristallin\", ajoute kim.

les chercheurs continuent d'améliorer le processus de croissance et d'exfoliation de ces films semi-conducteurs composés, mais ils sont plus intéressés par la création de dispositifs hétérostructuraux - des dispositifs intégrés monolithiques faits de semi-conducteurs dissemblables. à ce jour, cela a été difficile à réaliser en raison de la question du «couplage en réseau» dans les processus d'épitaxie traditionnels.

Kim ajoute: «Nous concevons et fabriquons de nouveaux dispositifs en superposant des semi-conducteurs dissemblables. nous voulons finalement fusionner toutes les propriétés uniques et très avantageuses de plusieurs semi-conducteurs en un seul appareil. \"

Mots-clés: mit composé, semi-conducteurs iii-v, phosphure d'indium, épitaxie, gaufrettes, graphène, arséniure de gallium, indium gallium arséniure

source: ieee

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