¿Qué significaría para la industria de los semiconductores una técnica simple para eliminar capas delgadas de cristales semiconductores rígidos y de otro modo gruesos? Este concepto se ha explorado activamente durante años, ya que los circuitos integrados hechos en capas delgadas son prometedores para desarrollos que incluyen características térmicas mejoradas, ligerasapilabilidad y un alto grado de flexibilidad en comparación con sustratos gruesos convencionales.
En un avance significativo, un grupo de investigación de IBM aplicó con éxito su nueva técnica de transferencia de capa de "desconchamiento controlado" a cristales de nitruro de galio GaN, un material semiconductor frecuente, y creó una vía para producir muchas capas a partir de un solo sustrato.
Como informan en el Revista de Física Aplicada , de AIP Publishing, el astillado controlado se puede utilizar para producir capas delgadas de cristales gruesos de GaN sin causar daño cristalino. La técnica también permite medir las propiedades físicas básicas del sistema de materiales, como los efectos ópticos inducidos por la tensión y la resistencia a la fractura, que de otro modo son difíciles de medir.
Las obleas GaN monocristalinas son extremadamente caras, donde solo una oblea de 2 pulgadas puede costar miles de dólares, por lo que tener más capas significa obtener más valor de cada oblea. Las capas más delgadas también ofrecen ventajas de rendimiento para la electrónica de potencia, ya que ofrecebaja resistencia eléctrica y calor es más fácil de eliminar.
"Nuestro enfoque para la eliminación de película delgada es intrigante porque se basa en la fractura", dijo Stephen W. Bedell, miembro del personal de investigación de IBM Research y uno de los autores del artículo. "Primero, primero depositamos una capa de níquel en la superficie deel material que queremos eliminar. Esta capa de níquel se encuentra bajo resistencia a la tracción, piense en el parche. Luego simplemente enrollemos una capa de cinta sobre el níquel, mantengamos el sustrato hacia abajo para que no pueda moverse y luego despeguemos la cinta.Al hacer esto, la capa de níquel estresado crea una grieta en el material subyacente que desciende hacia el sustrato y luego viaja paralelamente a la superficie ".
Su método se reduce a simplemente despegar la cinta, la capa de níquel y una capa delgada del material del sustrato pegado al níquel.
"Una buena analogía de cuán notable es este proceso se puede hacer con un panel de vidrio", dijo Bedell. "Estamos rompiendo el vidrio en la dirección larga, por lo que en lugar de un montón de fragmentos de vidrio roto, estamoscon dos láminas de vidrio llenas. Podemos controlar la cantidad de superficie que se elimina ajustando el grosor de la capa de níquel. Debido a que todo el proceso se realiza a temperatura ambiente, incluso podemos hacerlo en circuitos y dispositivos terminados, renderizándolosflexible."
El trabajo del grupo es notable por múltiples razones. Para empezar, es, con mucho, el método más simple de transferir capas delgadas de sustratos gruesos. Y bien puede ser el único método de transferencia de capas que sea materialmente agnóstico.
"Ya hemos demostrado la transferencia de silicio, germanio, arseniuro de galio, nitruro de galio / zafiro e incluso materiales amorfos como el vidrio, y se puede aplicar en casi cualquier momento en el flujo de fabricación, desde los materiales de partida hasta parcialmente ocircuitos completamente terminados ", dijo Bedell.
Convertir un truco de salón en un proceso confiable, trabajando para asegurar que este enfoque sea una técnica consistente para una transferencia sin grietas, llevó a sorpresas en el camino.
"El mecanismo básico de fractura por desprendimiento del sustrato comenzó como un problema de la ciencia de los materiales", dijo. "Se sabía que la deposición de película metálica a menudo conduciría al agrietamiento del sustrato subyacente, lo que se considera algo malo. Pero encontramosque se trataba de un fenómeno metaestable, lo que significa que podíamos depositar una capa lo suficientemente gruesa para romper el sustrato, pero lo suficientemente delgada como para que no se agrietara por sí sola, solo necesitaba una grieta para comenzar "
Su siguiente descubrimiento fue cómo hacer que el inicio de la grieta sea consistente y confiable. Si bien hay muchas maneras de generar una grieta - láser, grabado químico, térmico, mecánico, etc. - resulta que la forma más simple, de acuerdo conBedell, debe terminar el espesor de la capa de níquel muy abruptamente cerca del borde del sustrato.
"Esto crea una gran discontinuidad de tensión en el borde de la película de níquel, de modo que una vez que se aplica la cinta, un pequeño tirón en la cinta inicia constantemente la grieta en esa región", dijo.
Aunque puede no ser obvio, el nitruro de galio es un material vital para nuestra vida cotidiana. Es el material subyacente utilizado para fabricar LED azules y ahora blancos por los cuales se otorgó el Premio Nobel de Física 2014, así como paraelectrónica de alta potencia y alto voltaje. También puede resultar útil para la biocompatibilidad inherente, que cuando se combina con el control de desconchado puede permitir una bioelectrónica ultradelgada o sensores implantables.
"El desconchado controlado ya se ha utilizado para crear celdas solares extremadamente ligeras y de alta eficiencia basadas en GaAs para aplicaciones aeroespaciales y circuitos flexibles de vanguardia", dijo Bedell.
El grupo ahora está trabajando con socios de investigación para fabricar dispositivos GaN de alto voltaje usando este enfoque. "También hemos tenido una gran interacción con muchos de los líderes tecnológicos GaN a través del programa ARPA-E SWITCHES del Departamento de Energía y esperamos usardesconchado controlado para habilitar dispositivos novedosos a través de futuras asociaciones ", dijo Bedell.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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