韓科學(xué)家在微電子器件中直接合成石墨烯

韓國(guó)科學(xué)家在硅襯底上成功合成了直徑為4英寸的高質(zhì)量多層石墨烯，使石墨烯在硅材料微電子應(yīng)用商業(yè)化方面邁近了一步。

通過高溫碳離子注入技術(shù)，研究者們?cè)阪?二氧化硅/硅襯底上合成了直徑4英寸的圓片多層石墨烯。圖片來源: J.Kim/韓國(guó)大學(xué)，韓國(guó)

在過去的十年中，石墨烯因其獨(dú)特的光學(xué)，力學(xué)，電學(xué)特性而受到人們的廣泛關(guān)注和研究。 這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層材料能夠解放電子器件的制作方式，并有望制造出更快的晶體管，更便宜的太陽能電池，新型的感應(yīng)器以及更高效的生物傳感裝置。 作為電位接觸電極和內(nèi)部連接材料，圓片石墨烯是微電子電路里重要的組成部分，但目前絕大多數(shù)制作石墨烯的方法都不適用于微電子器件，因此阻礙了石墨烯從頗具潛力的神奇材料到實(shí)際利潤(rùn)的制造者的轉(zhuǎn)變。

如今，來自首爾韓國(guó)大學(xué)(Korea University)的研究者們研發(fā)了一種適用于微電子器件的簡(jiǎn)單加工方法將直徑為4英寸，高質(zhì)量，多層圓片石墨烯成功地合成在了硅襯底上。該方法是基于離子注入技術(shù)--一種用電場(chǎng)加速離子轟擊半導(dǎo)體材料的方法。高速離子與半導(dǎo)體材料碰撞的結(jié)果能夠改變材料的物理，化學(xué)和電子特性。

本周在由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的期刊《應(yīng)用物理快報(bào)》中，研究者們描述了他們的研究，這一工作將推動(dòng)石墨烯在微電子領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。

“若想將石墨烯應(yīng)用于先進(jìn)的硅材料微電子器件中，則需要將大面積無皺，無裂痕，無渣的石墨烯在低溫條件下合成于硅片上，傳統(tǒng)的石墨烯合成技術(shù)需要高溫條件因此并不適用，”該研究組的帶頭人，韓國(guó)大學(xué)化學(xué)與生物工程系教授Jihyun Kim說。“我們的工作表明碳離子注入技術(shù)很有潛力成為在微電子集成電路中直接合成圓片石墨烯的方法。”

自十年前石墨烯被人們發(fā)現(xiàn)至今，它被認(rèn)為是世界上最薄，最輕且最強(qiáng)韌的材料。該材料柔韌透明，無毒價(jià)廉，其電導(dǎo)性可以與銅相媲美，能夠在室溫條件下近乎無電阻地傳導(dǎo)電子，該性質(zhì)也被成為 “彈道輸運(yùn)”(Ballistic Transport)。石墨烯因其獨(dú)特的光學(xué)，力學(xué)以及電學(xué)特性而被認(rèn)為是制作新一代速度更快，價(jià)格更低廉，耗能更少的電子產(chǎn)品的首選材料。

“在硅材料微電子器件中，石墨烯被用作電位接觸電極和電子電路中半導(dǎo)體元件的連接材料，” Kim說。“這就使得基于高溫條件的加工方法不適用，因?yàn)楦邷乜赡軙?huì)帶來材料的損傷，扭曲，金屬尖峰和摻雜物的擴(kuò)散。”

因此制作石墨烯的傳統(tǒng)技術(shù)化學(xué)氣相沉積法雖然廣泛地被應(yīng)用于在銅片或鎳片上大面積合成石墨烯，但該方法并不適用于硅材料微電子器件，因?yàn)榛瘜W(xué)氣相沉積法需要在高于1000攝氏度的溫度條件下進(jìn)行，之后還要將石墨烯從金屬襯底轉(zhuǎn)移到硅襯底。

“轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上的石墨烯常常有裂紋，皺褶以及污染物，” Kim說。“因此我們認(rèn)為應(yīng)該研究一種無需轉(zhuǎn)移的方法，能夠直接在硅材料微電子器件中合成高質(zhì)量多層石墨烯。”

Kim 的方法基于離子注入技術(shù)--一種和微電子器件相兼容的技術(shù)，通常用來給半導(dǎo)體材料中摻入雜質(zhì)。在離子注入過程中，碳離子被電場(chǎng)加速，在500攝氏度的溫度下轟擊鍍有鎳層和氧化硅層的硅襯底。 鎳層，因其高的碳溶解度，被用來作為合成石墨烯的催化劑。隨后，整個(gè)樣品經(jīng)過高溫激活退火處理(約600到900攝氏度)使碳原子之間形成蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，也就是石墨烯的特征微觀結(jié)構(gòu)。

Kim解釋說激活退火的溫度可以通過提升離子注入過程的溫度而進(jìn)一步降低。通過改變環(huán)境的氣壓，氣體，溫度以及退火過程的時(shí)間，Kim和他的同事們系統(tǒng)地研究了高溫激活退火各方面條件對(duì)于合成高質(zhì)量多層石墨烯的影響。

據(jù)Kim說，離子注入技術(shù)不同于其他制作方法的另一個(gè)方面是，它可以更精準(zhǔn)地控制產(chǎn)品的最終結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭╁儗拥暮穸瓤梢酝ㄟ^控制碳離子的注入劑量而被精確地控制。

“我們的合成方法是可控制和可擴(kuò)縮的，這種方法使我們能夠加工出與硅圓片同樣大小的石墨烯[直徑超過300毫米], ” Kim說。

研究者們下一步的計(jì)劃是進(jìn)一步降低合成過程中的溫度和控制生產(chǎn)過程中石墨烯的厚度。