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el grafeno hace infinitas copias de obleas semiconductoras compuestas

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el grafeno hace infinitas copias de obleas semiconductoras compuestas

2017-06-15

a pesar de las asombrosas propiedades del grafeno y toda la ingeniería que se ha dedicado a darle al material de la maravilla una brecha de banda, sus perspectivas para la lógica digital siguen siendo tan dudosas como lo han sido alguna vez.


foto: jose-luis olivares / mit


pero la lista de usos del grafeno en electrónica fuera de la lógica digital continúa creciendo. Lo último proviene de una investigación en la que el grafeno podría hacer que el uso de semiconductores exóticos sea más accesible para las industrias mediante la preparación de películas delgadas de semiconductores sin el alto costo de usar obleas a granel de los materiales.


en la investigación descrita en la revista Nature, se coloca una fina película de grafeno encima de una oblea de arseniuro de galio (gaas). luego los semiconductores compuestos, que están hechos de más de un elemento como el arseniuro de galio (gaas), el fosfuro de indio (inp) y el arseniuro de indio y galio (ingaas) se cultivan encima de esa capa de grafeno en un proceso de epitaxia.


Debido a que el grafeno es inerte y delgado en el sustrato, los campos potenciales electrónicos que emanan del sustrato de gaas pueden penetrar a través del grafeno. esto permite que pase \"información\" con respecto a la estructura atómica del sustrato. de esta forma, la película de gaas que se cultivó encima del grafeno puede adoptar la misma estructura atómica que el sustrato. luego, una vez que los semiconductores compuestos han tomado forma, el grafeno es lo suficientemente resbaladizo como para facilitar el desprendimiento del semiconductor maduro, dejando intacta la oblea subyacente.


\"Crear independiente 'solo cristalino' .... las películas delgadas son un desafío notorio en la comunidad de ciencia material \", dice jeehwan kim, profesor asistente de mit, en una entrevista por correo electrónico con el espectro ieee. \"El aspecto sorprendente del proyecto es que pudimos crear semiconductores monocristalinos compuestos a gran escala encima del grafeno, que fue capaz de despegarse fácilmente\".



foto: jose-luis olivares / mitleds realizados con la técnica de copiadora de grafeno.


mediante el uso de cálculos denominados teoría funcional de la densidad de los primeros principios (dft), los investigadores pudieron modelar el potencial electrónico a través de una brecha de vacío entre la oblea gaas y la película delgada gaas. el modelo demostró que cuando este espacio es inferior a 0.9 nanómetros, el potencial electrónico del sustrato de gaas puede interactuar con los átomos de galio y arsénico que llegan.


de acuerdo con estos cálculos, los investigadores de mit sabían que la estructura cristalina atómica de la oblea se transferiría al semiconductor compuesto. la oblea sirve como una capa de semilla de cristal para hacer crecer dispositivos cristalinos individuales encima de ella. el único aspecto deseado de la oblea es su superficie pulida, que actúa como la única plantilla cristalina, pero la oblea se hace más gruesa a propósito para darle rigidez mecánica para resistir un procesamiento riguroso.


la necesidad de una fuente más barata de semiconductores compuestos es clara. hay ciertas propiedades de silicio que lo hacen pobre para ciertas aplicaciones de dispositivos, de acuerdo con Kim. por ejemplo, no es posible producir leds de alta calidad sobre silicio; se requiere una oblea de zafiro o una oblea de carburo de silicio para esta aplicación del dispositivo.


\"Hay muchos más ejemplos de ciertos dispositivos electrónicos / fotónicos que difícilmente se pueden traer a la industria porque el costo de las obleas lo hace económicamente inviable\", dice Kim. \"Traemos el concepto de reutilización infinita de obleas específicamente para este objetivo\".


kim dice que el objetivo final de este proyecto logra dos cosas: primero, reducir significativamente el costo de fabricación de dispositivos semiconductores compuestos exóticos; y segundo para crear oportunidades para inventar nuevos dispositivos.


este trabajo también aborda los problemas de fabricación que existen al combinar materiales como el germanio y los semiconductores iii-v con el silicio y los sistemas con una lógica más rápida. depositar estos materiales en silicio tiende a producir defectos que destruyen el rendimiento del dispositivo.


Ilustración: mit


Para hacer crecer semiconductores con defectos mínimos sobre el silicio, el requisito más importante es garantizar que el tamaño del enrejado cristalino de la película que se va a cultivar sea similar al enrejado cristalino de silicio, a veces denominado emparejamiento de celosía. desafortunadamente, los átomos de germanio son mucho más grandes que los átomos de silicio, por lo que si crecieras cristales puros de germanio sobre el silicio, la diferencia en el tamaño del enrejado cristalino causaría muchos defectos en los cristales de germanio.


en este último enfoque, el gaas se cultiva con grafeno y se puede transferir a un sustrato de silicio.


\"Hemos creado esencialmente una pila de película de gaas monocristalino sobre un sustrato de silicio monocristalino. así es como tenemos la intención de casarnos [semiconductores compuestos] con \"silicio\", dice kim.


uno de los mayores requisitos para que la industria adopte cualquier tecnología es demostrar el procesamiento a gran escala. el desafío actual para el equipo mit es escalar el proceso de transferencia de grafeno con alto rendimiento. \"Hay ciertas áreas donde la cobertura de grafeno no es ideal, queremos poder ofrecer a las industrias transferencias de grafeno de alta calidad y gran escala de grafeno monocristalino\", agrega Kim.


los investigadores continúan mejorando el proceso de crecimiento y exfoliación de estas películas semiconductoras compuestas, pero están más interesadas en crear dispositivos heteroestructurales, dispositivos monolíticamente integrados hechos de semiconductores diferentes. hasta la fecha ha sido difícil de realizar debido a la cuestión del \"emparejamiento de celosía\" en los procesos tradicionales de epitaxia.


kim agrega: \"estamos diseñando y fabricando dispositivos novedosos mediante el apilamiento de semiconductores diferentes en la parte superior de cada uno. en última instancia, queremos fusionar todas las propiedades únicas y altamente ventajosas de múltiples semiconductores en un solo dispositivo \".


palabras clave: compuesto mit, semiconductores iii-v, fosfuro de indio, epitaxia, obleas, grafeno, arseniuro de galio, arseniuro de indio y galio


fuente: ieee


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