Графен представляет собой плоскость графита — двумерную кристаллическую решетку, образованную атомарным слоем атомов углерода, которая была экспериментально получена в 2004 году. Благодаря структуре графен может обладать уникальными свойствами — механической жесткостью, тепло- и электропроводностью, что делает его перспективной основной электронных устройств повышенной, по сравнению с кремниевыми аналогами, продуктивности. В частности, с появлением материала ассоциировался прорыв в стоимости и производительности коммерческой электроники, однако до сих пор приложения графена остаются ограничены, в том числе из-за сложности его получения и переноса на подложку. Так, на сегодняшний день ученым не удалось создать надежный графеновый транзистор.
Одним из основополагающих механизмов в изготовлении полупроводников является эпитаксия — нарастание одного кристаллического материала на поверхности другого. В базовом варианте процесс происходит следующим образом: на бездефектной высокоочищенной пластине-подложке из кремния выращиваются элементы будущей микросхемы. При этом существующие технологии не позволяют впоследствии отделять нарощенный кристалл от подложки, что делает производство последней трудоемким и дорогим. В новой работе сотрудники Массачусетского технологического института (MIT), Университета штата Огайо и Института науки и технологии Масдар описали альтернативный метод получения полупроводника, предусматривающий возможность разделения кристалла и подложки.
Технология базируется на свойствах графена: толщина в один атомный слой делает его практически «невидимым» для обычных полупроводниковых кристаллов, что обеспечивает эпитаксиальному слою беспрепятственное считывание и копирование структуры подложки. При этом, поскольку графен почти не слипается с кристаллами, нарощенный слой можно отделить. Описанный подход теоретически устраняет ограничение на число вторичных применений подложки и, кроме того, обеспечивает возможность использования в электронике менее дорогих полупроводников, чем кремний. Потенциально это поможет сократить расходы на изготовление полупроводниковых устройств на кремниевой основе и повысит рентабельность альтернативных полупроводников в коммерческом сегменте.
К недостаткам существующих технологий авторы также отнесли сравнительно большие толщину и жесткость кремниевых подложек, что ограничивает их применение в перспективных гибких устройствах. В рамках демонстрации исследователи изготовили гибкий LED-дисплей с помощью графена. Для этого графен помещали на подложку из галлия и мышьяка (GaAs), на которой выращивали светодиод в форме логотипа MIT из алюминия, галлия, индия и фосфора (AlGaInP–GaInP). На последнем этапе полученный диод размещали на кремниевой подложке. Затем ученые изготовили аналогичное устройство на подложке GaAs без графена. Сравнение дисплеев показало, что их физические свойства идентичны, при этом графеновый оказался дешевле в производстве.
Подробности работы представлены в журнале Nature.
Ранее ученые уже показывали возможные способы производства электронных устройств на основе графена. Так, летом 2016 года американские исследователи показали первый генератор из двумерных материалов, а специалисты из Южной Кореи создали с помощью графена гибкое запоминающее устройство. Подробнее о графене и перспективах его разработки читайте в нашем интервью с профессором Университета Неймегена Михаилом Кацнельсоном.
Наука
Денис Стригун
