Paul van Gerven
23 May 2017

Kristalstructuren van III-V-halfgeleiders kun je eenvoudig kopiëren dankzij een antiaanbaklaag van grafeen.

III-V-halfgeleiders staan aan de basis van onder meer ledlampen en vermogensschakelingen, maar hun toepassing in massaproductie laat te wensen over. Althans, in de puntgave kristallijnen vorm die meestal is vereist. De standaard wafergroottes voor silicium – twee- en driehonderd millimeter – zijn onhaalbaar gebleken, waardoor fabrikanten van leds of powerchips het moeten doen met óf kleinere plakjes óf met grotere waarop het III-V-materiaal is opgebracht in een dunne laag. De laatste methode vereist meerdere bufferlagen en een uiterst zorgvuldig opdampproces om de gewenste kristalvorm te krijgen.

Onderzoekers van MIT hebben nu een derde optie ontwikkeld: het overbrengen van een III-V-kristalstructuur dwars door grafeen heen. Als een materiaal vanuit de dampfase wordt gedeponeerd op een monolaag grafeen die op zijn beurt op een wafer van het hetzelfde materiaal ligt, blijkt de aangroeiende laag de kristalstructuur van het waferoppervlak over te nemen. De epitaxiale ‘kopie’ kan daarna worden afgepeld en de dure wafer kan worden hergebruikt.

De afgepelde laag is zo dun te maken dat hij flexibel is (zie Figuur 1), maar desalniettemin kunnen er probleemloos leds op worden gemaakt, tonen de MIT’ers aan in Nature (Figuur 2). Ook voor bijvoorbeeld III-V-zonnecellen is de techniek mogelijk interessant.

Figuur 1: Als de gekopieerde laag dun genoeg is, is hij flexibel. Bron: Jose-Luis Olivaris/MIT

Pijnpunt

Koolstofatomen in grafeen houden elkaar heel stevig vast in het vlak dat ze gezamenlijk vormen, maar aan interacties loodrecht daarop hebben ze minder behoefte. De verbinding heeft daarom wel iets weg van een antiaanbaklaag: er blijft weinig aan plakken. Zodoende kan de aangegroeide kristallaag zonder al te veel moeite worden losgemaakt van het substraat. Bij reguliere epitaxie is dat onmogelijk vanwege de sterke bindingen die worden gevormd.

Tegelijk is een laag grafeen zo dun dat de atomaire krachtenvelden van III-V-halfgeleiders er dwars doorheen prikken. Atomen op het grafeen voelen als het ware de contouren van de kristalstructuur in de buurt en voegen zich ernaar. Twee of meer lagen grafeen schermen de kristalkrachten wél zodanig af dat de onderliggende kristalstructuur niet (noodzakelijkerwijs) wordt gekopieerd.

De MIT-onderzoekers hebben hun truc uitgeprobeerd op galliumarsenide, galliumfosfide en indiumfosfide. In alle drie de gevallen levert epitaxie-op-afstand de verwachte kristalstructuur op, die zich daarna laat afpellen. Het enige pijnpunt is dat de kwaliteit van de laag zo goed is als die van het grafeen: als er defecten in het grafeen zitten, zoals gaatjes, zie je die ook terug in de kopie.

Figuur 2: Ledverlichting in de vorm van het MIT-logo, op galliumarsenide gemaakt via epitaxie-op-afstand. Bron: MIT

Revolutionaliseren

Philip Kim van Harvard University is enthousiast over het werk van zijn collega-fysici. ‘Dit is een unieke toepassing van grafeen. De techniek kan eenvoudig worden opgenomen in het halfgeleiderproductieproces en zou de vorming van heterostructuren voor elektronische en optische devices kunnen revolutionaliseren’, aldus de onderzoeker, die niet bij het MIT-onderzoek was betrokken.