שיטה חד-שלבית לאילוח של גרפן

השיטה שפותחה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה עשויה להקל על ייצור ננוחוטים שיהיו מוליכים חשמלים באלקטרוניקה מבוססת הגרפן

תהליך חד-שלבי פשוט, המייצר אילוח הן מסוג p והן מסוג n של משטחי גרפן נרחבים, יוכל לקדם את השימוש בחומר המבטיח הזה להתקנים אלקטרוניים עתידיים. שיטת האילוח החדשנית תוכל לשמש גם בכדי להגביר את המוליכות החשמלית בננו-רצועות גרפן המשמשות בחיבורי מחשב.

ע”י שילוב של חומר מסחרי זמין מסוג זכוכית ספין (spin-on-glass, SOG) לגרפן וחשיפתם לקרינה של אלומת אלקטרונים, החוקרים מהמכון לטכנולוגיה בג'ורג'יה, ארה”ב, הצליחו ליצור את שני סוגי האילוח פשוט ע”י שינוי זמן החשיפה של האלומה – רמות גבוהות של הקרנה מולידות מתחמים מסוג p, בעוד שרמות נמוכות מולידות מתחמים מסוג n.

השיטה שימשה להכנת צומתי p-n באיכות גבוהה. במידה והחוקרים יצליחו לגרום למתכת להיות פחות פעילה מבחינה כימית, הם צופים כי האילוח שנוצר ביריעות הגרפן יישאר קבוע.

“זהו צעד שיוכל לקדם הכנה אפשרית של טרנזיסטורים מבוססי-גרפן ותחמוצות מתכת משלימות לו,” מציין אחד מהחוקרים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Applied Physics Letters.

תהליך האילוח החדשני מתחיל כאשר החוקרים מסירים פתיתים של גרפן, בעובי של אחת עד ארבע שכבות כל אחד, מגוש של גרפיט. הם ממקמים את השכבות על משטח של צורן מחומצן ומפעילים על המערכת התקן מגע מתאים.

בשלב הבא, הם שוזרים בסחרור שכבות של החומר רגיש-האור hydrogen silsesquoxane (HSQ) ואז מתקנים חלקים מסוימים מהשכבה הדקיקה המתקבלת באמצעות קרינה של אלומת אלקטרונים. השיטה מספקת בקרה מדויקת על כמות הקרינה והנקודות המדויקות בגרפן שעליהן היא מופעלת, יחד עם רמות גבוהות יותר של אנרגיה, המתקבלות מצילוב מוגבר יותר של החומר HSQ.

“הפעלנו רמות משתנות של קרינת אלקטרונים ואז בחנו את השפעתן על התכונות של נושאי-המטען בסריג הגרפן,” מסביר אחד מהחוקרים. “קרינת האלקטרונים סיפקה לנו טווח חד של בקרה שהינה רבת-ערך עבור הייצור של התקנים ננומטריים. אנו מסוגלים להפעיל אלומת אלקטרונים בעלת קוטר של ארבעה או חמישה ננומטרים בלבד המאפשרת לנו לקבל תבניות אילוח מדויקות ביותר.”

החוקרים מציינים כי מדידות חשמליות הראו כי לצומת p-n בגרפן, שנוצר בשיטה החדשה, ישנה הפרדת אנרגיה גבוהה – עובדה המצביעה על השפעות אילוח חזקות. חוקרים במעבדות אחרות בעולם הדגימו אילוח של גרפן במגוון תהליכים, ביניהם השקעת החומר בתמיסות שונות וחשיפתו לשלל גזים. התהליך החדש הינו הראשון המאפשר אילוח אלקטרונים ואילוח חורים באותו החומר.

החוקרים מציינים כי תהליכי אילוח של גרפן אמורים להיות שונים מאוד מאלו המשמשים היום לאילוח צורן. עבור צורן, בשלב האילוח מותמרים אטומים של סריג הצורן באטומים של חומר אחר. בתהליך החד-שלבי החדש עבור אילוח גרפן, החוקרים סבורים כי האילוח מאפשר החדרה של אטומי מימן וחמצן בקרבת הסריג הפחמני. אטומי המימן והחמצן אינם מתמירים את אטומי הפחמן, אלא הם תופסים מקומות מעל המבנה הסריגי.
“אנרגיה המסופקת לזכוכית הספין מפרקת קשרים כימיים ומשחררת אטומי מימן וחמצן הנקשרים במקום זאת לסריג הפחמני,” מסביר אחד מהחוקרים. “אנרגית אלקטרונים חזקה משנה את כל מבנה זכוכית הספין לכעין רשת, ואז נוצרים יותר אטומי חמצן מאשר מימן וכך מתקבל אילוח מסוג n.”

בייצור המוני יותר, סביר להניח כי קרינת אלומת האלקטרונים תוחלף בתהליכי ליתוגרפיה רגילים, מסביר החוקר. שינוי במידת ההַחְזָרוּת (reflectance) או במידת ההַעֲבָרָה (transmission) של תבנית הכיסויים (mask set) יביא לשליטה בכמות הקרינה שמגיעה לזכוכית הספין, וזו תיקבע, בסופו של דבר, אם ייוצרו אזורים מסוג n או מסוג p.

“ביצוע כל המהלכים בשלב אחד יוביל להימנעות מחלק משלבי הליתוגרפיה היקרים,” הוא אומר. “ליתוגרפיה מסוג Gray-scale תוכל לאפשר בקרה מדויקת על האילוח לכל אורכו של משטח הפיסה.”

לשם אילוח אזורים גדולים כחיבורים, שאינם מחייבים החדרת תבניות לתוכם, החוקרים פשוט יכסו אותם עם החומר HSQ ויחשפו אותם למקור הפלסמה. השיטה מסוגלת להגביר את המוליכות של ננו-הרצועות עד פי עשרה יותר מאשר גרפן בלתי מטופל.

מאחר והחומר HSQ כבר מוכר דיו לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה, הגישה החד-שלבית תוכל לסייע בהתאמת גרפן לתהליכים קיימים, תוך הימנעות משינוי במערכות העיבוד והייצור של מוליכים למחצה. החוקרים מתכוונים להבין טוב יותר כיצד בדיוק מתרחש התהליך והאם פולימרים אחרים יובילו לשיפור בביצועים.

הידיעה ממכון המחקר