¿Cuál sería una técnica simple para eliminar capas delgadas de gruesos, ¿Qué significan los cristales semiconductores rígidos para la industria de los semiconductores? Este concepto se ha explorado activamente durante años, ya que los circuitos integrados hechos en capas delgadas son prometedores para desarrollos que incluyen características térmicas mejoradas, apilabilidad ligera y un alto grado de flexibilidad en comparación con sustratos de espesor convencional.

En un avance significativo, un grupo de investigación de IBM aplicó con éxito su nueva técnica de transferencia de capa de "desconchado controlado" a los cristales de nitruro de galio (GaN), un material semiconductor predominante, y creó un camino para producir muchas capas a partir de un solo sustrato.

Como informan en el Revista de física aplicada , El desconchado controlado se puede utilizar para producir capas delgadas a partir de cristales gruesos de GaN sin causar daño cristalino. La técnica también permite medir las propiedades físicas básicas del sistema de materiales, como los efectos ópticos inducidos por deformación y la tenacidad a la fractura, que de otro modo son difíciles de medir.

Las obleas monocristalinas de GaN son extremadamente caras, donde solo una oblea de 2 pulgadas puede costar miles de dólares, por lo que tener más capas significa obtener más valor de cada oblea. Las capas más delgadas también brindan ventajas de rendimiento para la electrónica de potencia, ya que ofrece menor resistencia eléctrica y el calor es más fácil de eliminar.

"Nuestro enfoque para la eliminación de películas delgadas es intrigante porque se basa en la fractura, "dijo Stephen W. Bedell, miembro del personal de investigación de IBM Research y uno de los autores del artículo. "Primero, primero depositamos una capa de níquel sobre la superficie del material que queremos quitar. Esta capa de níquel está sometida a resistencia a la tracción, piense en el parche de tambor. Luego, simplemente enrollamos una capa de cinta sobre el níquel, sujete el sustrato hacia abajo para que no se pueda mover, y luego despegue la cinta. Cuando hacemos esto, la capa de níquel estresada crea una grieta en el material subyacente que baja al sustrato y luego viaja paralela a la superficie ".

Su método se reduce a simplemente despegar la cinta, capa de níquel y una capa delgada del material del sustrato pegada al níquel.

"Se puede hacer una buena analogía de lo extraordinario que es este proceso con un panel de vidrio, ", Dijo Bedell." Estamos rompiendo el cristal en la dirección larga, así que en lugar de un montón de fragmentos de vidrio rotos, nos quedamos con dos hojas de vidrio llenas. Podemos controlar la cantidad de superficie que se elimina ajustando el grosor de la capa de níquel. Debido a que todo el proceso se realiza a temperatura ambiente, incluso podemos hacer esto en circuitos y dispositivos terminados, haciéndolos flexibles ".

El trabajo del grupo es digno de mención por múltiples motivos. Para principiantes, es, con mucho, el método más simple de transferir capas delgadas de sustratos gruesos. Y bien puede ser el único método de transferencia de capas que sea materialmente agnóstico.

"Ya hemos demostrado la transferencia de silicio, germanio, arseniuro de galio, nitruro de galio / zafiro, e incluso materiales amorfos como el vidrio, y se puede aplicar en casi cualquier momento del flujo de fabricación, desde materiales de partida hasta circuitos parcialmente o totalmente terminados, ", Dijo Bedell.

Convertir un truco de salón en un proceso confiable, trabajando para asegurar que este enfoque sea una técnica consistente para la transferencia sin grietas, llevó a sorpresas en el camino.

"El mecanismo básico de la fractura por astillado del sustrato comenzó como un problema de ciencia de materiales, ", dijo." Se sabía que la deposición de películas metálicas a menudo daría lugar a agrietamiento del sustrato subyacente, que se considera algo malo. Pero descubrimos que se trataba de un fenómeno metaestable, lo que significa que podríamos depositar una capa lo suficientemente gruesa como para romper el sustrato, pero lo suficientemente delgado como para que no se agriete por sí solo, solo necesitaba una grieta para comenzar ".

Su siguiente descubrimiento fue cómo hacer que la iniciación de grietas sea consistente y confiable. Si bien hay muchas formas de generar una grieta:láser, grabado químico, térmico, mecánico, etc., resulta que la forma más sencilla, según Bedell, consiste en terminar el espesor de la capa de níquel muy abruptamente cerca del borde del sustrato.

"Esto crea una gran discontinuidad de tensión en el borde de la película de níquel de modo que una vez que se aplica la cinta, un pequeño tirón de la cinta inicia consistentemente la grieta en esa región, " él dijo.

Aunque no sea obvio, El nitruro de galio es un material vital para nuestra vida diaria. Es el material subyacente que se utiliza para fabricar el azul, y ahora blanco, LED (por los que se otorgó el Premio Nobel de Física 2014), así como de alta potencia, Electrónica de alto voltaje. También puede resultar útil para la biocompatibilidad inherente, que cuando se combina con control de desconchado puede permitir bioelectrónica ultradelgada o sensores implantables.

"El desconchado controlado ya se ha utilizado para crear células solares de alta eficiencia basadas en GaAs para aplicaciones aeroespaciales y circuitos flexibles de última generación, "Dijo Bedell.

El grupo ahora está trabajando con socios de investigación para fabricar dispositivos GaN de alto voltaje utilizando este enfoque. "También hemos tenido una gran interacción con muchos de los líderes en tecnología de GaN a través del programa ARPA-E SWITCHES del Departamento de Energía y esperamos usar el desconchado controlado para habilitar dispositivos novedosos a través de asociaciones futuras, "Dijo Bedell.