Paul van Gerven
20 May 2010

Amerikaanse en Koreaanse onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om relatief grootschalig plakjes galliumarsenide te produceren, die geschikt zijn als substraat voor IC‘s, sensoren of zonnecellen. Zij lieten in een MOCVD-reactor laagsgewijs torentjes groeien van om en om galliumarsenide en aluminiumarsenide met een een paar procent gallium. Ondergedompeld in een bad waterstoffluoride wordt selectief het aluminiumarsenide weggeëtst, zodat er plakjes kristallijn galliumarsenide overblijven. Die brachten de wetenschappers uit Illinois en Seoel over op een vaste drager door ze een voor een met een stempel op te pakken en op een drager te ’plakken‘.

De onderzoekers verwachten dat hun methode het commercieel gebruik van galliumarsenide in elektronica- en PV-toepassingen stimuleert. De samengestelde halfgeleider heeft in die applicatiegebieden enkele superieure eigenschappen ten opzichte van silicium, maar van grootschalige toepassing is het nooit gekomen, omdat het moeilijk en kostbaar is om er voldoende grote kristallijnen wafers van te maken. Het beste en relatief dure alternatief is om het materiaal op te dampen. Vaak geschiedt dat tijdens het productieproces, in aanwezigheid van een masker, zodat het galliumarsenide uitsluitend terechtkomt waar het nodig is.

De Amerikanen en Koreanen kiezen een andere insteek en produceren het galliumarsenide kant-en-klaar in plakjes, die met pak-en-plaatstechnologie op de juiste plek gelegd moeten worden. Fabrikanten moeten desalniettemin wel van tevoren bedenken hoe dik (nanometers tot micrometers) en hoe groot (vierkante micrometers tot centimeters) ze hun schijfjes willen hebben. Voor een zonnecel is immers een dikkere en grotere plak nodig dan voor een IC-substraat.

De methode heeft veel weg van het epitaxiale lift-off-proces (Elo-proces), ontwikkeld in de Nijmeegse laboratoria van John Schermer (zie Bits&Chips 3, 2010). Onderzoekers daar pellen eveneens laagjes galliumarsenide van een substraat af met hulp van een etsgevoelige laag en zetten die over op glas of metaalfolie. De wafer die als kristallijnen beginnetje diende, kan worden hergebruikt.

Door in stapels te werken, denken hun collega-wetenschappers de productiesnelheid verder op te voeren. Zij schatten dat die in het gunstigste geval toeneemt met een ordegrootte. Voorwaarde voor commerciële toepassing is wel dat er een machine komt die het overplaatsen van de plakjes voor haar rekening neemt. Volgens de auteurs van het Nature-artikel is die in ontwikkeling.

Om aan te tonen dat het groei- en transferproces geen negatieve invloed hebben op de kwaliteit van het galliumarsenide en dat een keur van ondergronden kan worden gebruikt, fabriceerden de onderzoekers drie verschillende devices op drie verschillende dragers: een logische poort van Mesfet-schakelingen op glas, een infraroodsensor op silicium en een zonnecel op plastic. Alle laagjes  galliumarsenide die ze daarvoor nodig hadden (van verschillende diktes), hadden ze van tevoren als één toren laten groeien.