(PhysOrg.com) -- Un processus simple en une étape qui produit à la fois un dopage de type n et de type p de surfaces de graphène de grande surface pourrait faciliter l'utilisation du matériau prometteur pour les futurs appareils électroniques. La technique de dopage peut également être utilisée pour augmenter la conductivité dans les nanorubans de graphène utilisés pour les interconnexions.

En appliquant un matériau de spin sur verre (SOG) disponible dans le commerce au graphène, puis en l'exposant à un rayonnement de faisceau d'électrons, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont créé les deux types de dopage en faisant simplement varier le temps d'exposition. Des niveaux plus élevés d'énergie des faisceaux électroniques produites dans les zones de type p, tandis que les niveaux inférieurs ont produit des zones de type n.

La technique a été utilisée pour fabriquer des jonctions p-n à haute résolution. Lorsqu'il est correctement passivé, le dopage créé par le SOG devrait rester indéfiniment dans les feuilles de graphène étudiées par les chercheurs.

« Il s'agit d'une étape habilitante vers la réalisation de transistors à graphène à oxyde métallique complémentaire, " dit Raghunath Murali, ingénieur de recherche senior au centre de recherche en nanotechnologie de Georgia Tech.

Un article décrivant la technique paraît cette semaine dans le journal Lettres de Physique Appliquée. La recherche a été soutenue par la Semiconductor Research Corporation et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) via l'Interconnect Focus Center.

Dans le nouveau processus de dopage, Murali et l'étudiant diplômé Kevin Brenner commencent par retirer des flocons de graphène d'une à quatre couches d'épaisseur d'un bloc de graphite. Ils placent le matériau sur une surface de silicium oxydé, puis fabriquez un dispositif de contact à quatre points.

Prochain, ils tournent sur des films d'hydrogénosilsesquoxane (HSQ), puis durcir certaines parties du film mince résultant en utilisant un rayonnement de faisceau d'électrons. La technique permet un contrôle précis de la quantité de rayonnement et de l'endroit où il est appliqué au graphène, avec des niveaux d'énergie plus élevés correspondant à plus de réticulation du HSQ.

"Nous avons donné des doses variables de rayonnement de faisceau d'électrons, puis avons étudié comment il influençait les propriétés des porteurs dans le réseau de graphène, " Murali a déclaré. "Le faisceau électronique nous a donné une gamme fine de contrôle qui pourrait être utile pour la fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique. Nous pouvons utiliser un faisceau d'électrons d'un diamètre de quatre ou cinq nanomètres qui permet des motifs de dopage très précis."

Des mesures électroniques ont montré qu'une jonction p-n de graphène créée par la nouvelle technique avait de grandes séparations d'énergie, indiquant de forts effets de dopage, il ajouta.

Des chercheurs d'ailleurs ont démontré le dopage au graphène en utilisant divers processus, notamment le trempage du matériau dans diverses solutions et son exposition à divers gaz. On pense que le procédé Georgia Tech est le premier à fournir à la fois un dopage d'électrons et de trous à partir d'un seul matériau dopant.

Les procédés de dopage utilisés pour le graphène sont susceptibles d'être significativement différents de ceux établis pour l'utilisation du silicium, dit Murali. En silicium, l'étape de dopage substitue des atomes d'un matériau différent aux atomes de silicium dans le réseau du matériau.

Dans le nouveau processus en une seule étape pour le graphène, on pense que le dopage introduit des atomes d'hydrogène et d'oxygène à proximité du réseau de carbone. L'oxygène et l'hydrogène ne remplacent pas les atomes de carbone, mais occupent plutôt des emplacements au sommet de la structure en treillis.

"L'énergie appliquée au SOG brise les liaisons chimiques et libère de l'hydrogène et de l'oxygène qui se lient au réseau de carbone, " Murali a déclaré. " Une énergie élevée de faisceau électronique convertit l'ensemble de la structure SOG en plus d'un réseau, et puis vous avez plus d'oxygène que d'hydrogène, résultant en un dopage de type p."

Dans la fabrication en série, le rayonnement du faisceau d'électrons serait probablement remplacé par un procédé de lithographie classique, dit Murali. La variation de la réflectance ou de la transmission de l'ensemble de masques contrôlerait la quantité de rayonnement atteignant le SOG, et cela déterminerait si des zones de type n ou de type p sont créées.

"Tout faire en une seule étape éviterait certaines des étapes coûteuses de la lithographie, " at-il dit. " La lithographie en niveaux de gris permettrait un contrôle fin du dopage sur toute la surface de la plaquette. "

Pour le dopage de zones en vrac telles que les interconnexions qui ne nécessitent pas de structuration, les chercheurs enduisent simplement la zone de HSQ et l'exposent à une source de plasma. La technique peut rendre les nanorubans jusqu'à 10 fois plus conducteurs que le graphène non traité.

Parce que HSQ est déjà familier avec l'industrie de la microélectronique, l'approche en une étape du dopage pourrait aider à intégrer le graphène dans les processus existants, éviter une perturbation du système de conception et de fabrication de semi-conducteurs massifs, a noté Murali.

Au cours des deux dernières années, des chercheurs du Nanotechnology Research Center avaient observé des changements causés par l'application de HSQ lors d'essais électriques. Ce n'est que récemment qu'ils se sont penchés de plus près sur ce qui se passait pour comprendre comment tirer parti du phénomène.

Pour le futur, ils aimeraient mieux comprendre comment fonctionne le processus et si d'autres polymères pourraient fournir de meilleurs résultats.

"Nous devons mieux comprendre comment contrôler ce processus car la variabilité est l'un des problèmes qui doivent être contrôlés pour rendre la fabrication réalisable, " Murali a expliqué. " Nous essayons d'identifier d'autres polymères qui peuvent fournir un meilleur contrôle ou des niveaux de dopage plus forts. "