Au cours de la dernière décennie, le graphène a été intensivement étudié pour son optique unique, mécanique, propriétés électriques et structurelles. Les feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur pourraient révolutionner la façon dont les appareils électroniques sont fabriqués et conduire à des transistors plus rapides, cellules solaires moins chères, de nouveaux types de capteurs et des dispositifs sensoriels bioélectriques plus efficaces. En tant qu'électrode de contact de potentiel et matériau d'interconnexion, le graphène à l'échelle d'une plaquette pourrait être un composant essentiel des circuits microélectroniques, mais la plupart des méthodes de fabrication de graphène ne sont pas compatibles avec la microélectronique silicium, bloquant ainsi le saut du graphène du matériau miracle potentiel au profit réel.

Aujourd'hui chercheurs de l'Université de Corée, à Séoul, ont développé une méthode simple et compatible avec la microélectronique pour cultiver du graphène et ont réussi à synthétiser à l'échelle d'une plaquette (quatre pouces de diamètre), haute qualité, graphène multicouche sur substrat silicium. Le procédé est basé sur une technique d'implantation ionique, un processus dans lequel les ions sont accélérés sous un champ électrique et écrasés dans un semi-conducteur. Les ions impactants modifient la physique, propriétés chimiques ou électriques du semi-conducteur.

Dans un article publié cette semaine dans la revue Lettres de physique appliquée , des éditions AIP, les chercheurs décrivent leur travail, ce qui rapproche le graphène des applications commerciales dans la microélectronique du silicium.

"Pour intégrer le graphène dans la microélectronique de silicium avancée, graphène de grande surface sans rides, les larmes et les résidus doivent être déposés sur des plaquettes de silicium à basse température, ce qui ne peut pas être réalisé avec les techniques classiques de synthèse du graphène car elles nécessitent souvent des températures élevées, " a déclaré Jihyun Kim, chef d'équipe et professeur au Département de génie chimique et biologique de l'Université de Corée. "Nos travaux montrent que la technique d'implantation d'ions carbone a un grand potentiel pour la synthèse directe de graphène à l'échelle d'une plaquette pour les technologies de circuits intégrés."

Découvert il y a un peu plus d'une décennie, le graphène est maintenant considéré comme le plus fin, matériau le plus léger et le plus résistant au monde. Le graphène est complètement flexible et transparent tout en étant peu coûteux et non toxique, et il peut conduire l'électricité ainsi que le cuivre, transportant des électrons avec presque aucune résistance même à température ambiante, une propriété connue sous le nom de transport balistique. L'optique unique du graphène, les propriétés mécaniques et électriques ont conduit à la forme de carbone d'un atome d'épaisseur annoncée comme le matériau de la prochaine génération pour plus de rapidité, plus petite, électronique moins chère et moins gourmande en énergie.

« En microélectronique silicium, le graphène est une électrode de contact de potentiel et un matériau d'interconnexion reliant des dispositifs semi-conducteurs pour former les circuits électriques souhaités, " a déclaré Kim. " Cela rend la température de traitement élevée indésirable, comme dommages induits par la température, souches, des pointes de métal et une diffusion non intentionnelle de dopants peuvent se produire."

Ainsi, bien que la méthode conventionnelle de fabrication de graphène par dépôt chimique en phase vapeur soit largement utilisée pour la synthèse de grande surface de graphène sur des films de cuivre et de nickel, le procédé n'est pas adapté à la microélectronique silicium, car le dépôt chimique en phase vapeur nécessiterait une température de croissance élevée supérieure à 1, 000 degrés Celsius et un processus de transfert ultérieur du graphène du film métallique au silicium.

"Le graphène transféré sur le substrat cible contient souvent des fissures, rides et contaminants, " dit Kim. " Ainsi, nous sommes motivés à développer une méthode sans transfert pour synthétiser directement de haute qualité, graphène multicouche dans la microélectronique du silicium."

La méthode de Kim repose sur l'implantation ionique, une technique compatible avec la microélectronique normalement utilisée pour introduire des impuretés dans les semi-conducteurs. Dans le processus, les ions carbone ont été accélérés sous un champ électrique et bombardés sur une surface stratifiée en nickel, dioxyde de silicium et silicium à la température de 500 degrés Celsius. La couche de nickel, à haute solubilité en carbone, est utilisé comme catalyseur pour la synthèse du graphène. Le processus est ensuite suivi d'un recuit d'activation à haute température (environ 600 à 900 degrés Celsius) pour former un réseau en nid d'abeille d'atomes de carbone, une structure microscopique typique du graphène.

Kim a expliqué que la température de recuit d'activation pouvait être abaissée en effectuant l'implantation ionique à une température élevée. Kim et ses collègues ont ensuite systématiquement étudié les effets des conditions de recuit sur la synthèse de haute qualité, graphène multicouche en faisant varier la pression ambiante, gaz ambiant, la température et le temps pendant le traitement.

Selon Kim, la technique d'implantation ionique offre également un contrôle plus fin sur la structure finale du produit que les autres méthodes de fabrication, car l'épaisseur de la couche de graphène peut être déterminée avec précision en contrôlant la dose d'implantation d'ions carbone.

"Notre méthode de synthèse est contrôlable et évolutive, nous permettant d'obtenir du graphène aussi gros que la taille de la plaquette de silicium [plus de 300 millimètres de diamètre], ", a déclaré Kim.

La prochaine étape des chercheurs consiste à abaisser davantage la température dans le processus de synthèse et à contrôler l'épaisseur du graphène pour la fabrication.