Cette image montre une plaquette de cristal de nitrure de gallium (GaN) en vrac épais (2 pouces de diamètre) avec un film de GaN au premier plan fabriqué par effritement contrôlé (son épaisseur de film est d'environ 20 microns ou 1/5e de l'épaisseur d'une feuille de papier. Crédit :Bedell/IBM Research
Qu'est-ce qu'une technique simple pour enlever des couches minces d'autrement épaisses, des cristaux semi-conducteurs rigides signifient-ils pour l'industrie des semi-conducteurs ? Ce concept est activement exploré depuis des années, car les circuits intégrés réalisés sur des couches minces sont prometteurs pour des développements incluant des caractéristiques thermiques améliorées, empilabilité légère et un degré élevé de flexibilité par rapport aux substrats traditionnellement épais.
Dans une avancée significative, un groupe de recherche d'IBM a appliqué avec succès sa nouvelle technique de transfert de couche à « effritement contrôlé » aux cristaux de nitrure de gallium (GaN), un matériau semi-conducteur répandu, et créé une voie pour produire de nombreuses couches à partir d'un seul substrat.
Comme ils le rapportent dans le Journal de physique appliquée , l'écaillage contrôlé peut être utilisé pour produire des couches minces à partir de cristaux de GaN épais sans causer de dommages cristallins. La technique permet également de mesurer les propriétés physiques de base du système matériel, comme les effets optiques induits par la déformation et la ténacité à la rupture, qui sont autrement difficiles à mesurer.
Les plaquettes de GaN monocristallin sont extrêmement chères, où une seule plaquette de 2 pouces peut coûter des milliers de dollars, donc avoir plus de couches signifie tirer plus de valeur de chaque plaquette. Des couches plus minces offrent également des avantages en termes de performances pour l'électronique de puissance, car il offre une résistance électrique plus faible et la chaleur est plus facile à éliminer.
« Notre approche de l'élimination des couches minces est intrigante car elle est basée sur la fracture, " a déclaré Stephen W. Bedell, membre du personnel de recherche d'IBM Research et l'un des auteurs de l'article. "D'abord, nous déposons d'abord une couche de nickel sur la surface du matériau que nous voulons éliminer. Cette couche de nickel est soumise à une résistance à la traction, pensez à la peau de tambour. Ensuite, nous roulons simplement une couche de ruban adhésif sur le nickel, maintenez le substrat vers le bas pour qu'il ne puisse pas bouger, puis retirez le ruban adhésif. Quand on fait ça, la couche de nickel stressée crée une fissure dans le matériau sous-jacent qui descend dans le substrat et se déplace ensuite parallèlement à la surface."
Leur méthode se résume à simplement décoller le ruban, couche de nickel et une fine couche du matériau du substrat collée au nickel.
"Une bonne analogie de la façon dont ce processus est remarquable peut être faite avec une vitre, " Bedell a dit. " Nous brisons le verre dans le sens long, alors au lieu d'un tas d'éclats de verre brisé, nous nous retrouvons avec deux feuilles de verre pleines. Nous pouvons contrôler la quantité de surface enlevée en ajustant l'épaisseur de la couche de nickel. Parce que l'ensemble du processus se fait à température ambiante, nous pouvons même le faire sur des circuits et appareils finis, les rendant flexibles."
Le travail du groupe est remarquable pour de multiples raisons. Pour commencer, c'est de loin la méthode la plus simple pour transférer des couches minces à partir de substrats épais. Et il se pourrait bien que ce soit la seule méthode de transfert de couche qui soit matériellement agnostique.
Le même film GaN écaillé de 20 microns, démontrant la souplesse du film. Crédit :Bedell/IBM Research
"Nous avons déjà démontré le transfert de silicium, germanium, arséniure de gallium, nitrure de gallium/saphir, et même des matériaux amorphes comme le verre, et il peut être appliqué à presque n'importe quel moment dans le flux de fabrication, des matières premières aux circuits partiellement ou totalement finis, " a déclaré Bedell.
Transformer une astuce de salon en un processus fiable, travailler pour s'assurer que cette approche serait une technique cohérente pour un transfert sans fissure, conduit à des surprises en cours de route.
"Le mécanisme de base de la fracture par éclatement du substrat a commencé comme un problème de science des matériaux, " il a dit. " On savait que le dépôt de film métallique conduirait souvent à la fissuration du substrat sous-jacent, ce qui est considéré comme une mauvaise chose. Mais nous avons constaté qu'il s'agissait d'un phénomène métastable, ce qui signifie que nous pourrions déposer une couche suffisamment épaisse pour fissurer le substrat, mais suffisamment fin pour qu'il ne se fissure pas tout seul, il n'avait besoin que d'une fissure pour démarrer."
Leur prochaine découverte était de savoir comment rendre l'amorçage de fissures cohérent et fiable. Bien qu'il existe de nombreuses façons de générer une fissure—laser, gravure chimique, thermique, mécanique, etc.—il s'avère que le moyen le plus simple, selon Bedell, consiste à terminer l'épaisseur de la couche de nickel très brutalement à proximité du bord du substrat.
"Cela crée une grande discontinuité de contrainte au bord du film de nickel de sorte qu'une fois le ruban appliqué, une petite traction sur la bande initie systématiquement la fissure dans cette région, " il a dit.
Bien que cela ne soit pas évident, Le nitrure de gallium est un matériau essentiel à notre vie quotidienne. C'est le matériau sous-jacent utilisé pour fabriquer le bleu, et maintenant blanc, LED (pour lesquelles le prix Nobel de physique 2014 a été décerné) ainsi que pour les hautes puissances, électronique haute tension. Il peut également s'avérer utile pour la biocompatibilité inhérente, qui, lorsqu'il est combiné à un contrôle de l'effritement, peut permettre une bioélectronique ultrafine ou des capteurs implantables.
« L'écaillage contrôlé a déjà été utilisé pour créer des matériaux extrêmement légers, des cellules solaires à haute efficacité à base de GaAs pour les applications aérospatiales et des circuits flexibles à la pointe de la technologie, " a déclaré Bedell.
Le groupe travaille maintenant avec des partenaires de recherche pour fabriquer des dispositifs GaN haute tension en utilisant cette approche. « Nous avons également eu une excellente interaction avec de nombreux leaders de la technologie GaN par le biais du programme ARPA-E SWITCHES du ministère de l'Énergie et espérons utiliser l'effritement contrôlé pour permettre de nouveaux dispositifs grâce à de futurs partenariats, " a déclaré Bedell.