Graphene-Revolution GaAs fast zum Preis von Silizium

Postdoc Kyusang Lee (links), Professor Jeehwan Kim (sitzend) und Studenten, die den neuen kostengünstigen auf Graphene basierenden Copy/Paste-Fertigungsprozess am MIT erfunden haben.
Postdoc Kyusang Lee (links), Professor Jeehwan Kim (sitzend) und Studenten, die den neuen kostengünstigen auf Graphene basierenden Copy/Paste-Fertigungsprozess am MIT erfunden haben.

Graphene könnte die Wafer-Kosten deutlich senken – weil es »rutschig« ist.

Die Graphene-Revolution kommt doch, aber ganz anders als erwartet: Auf einer 2D-Graphit-Lage lässt sich eine dünne Schicht eines teuren Halbleiters wie GaAs auf einem bereits vorhandenen GaAs-Wafer abscheiden. Die Graphene-Lage wirkt dabei auf die obere Halbleiterschicht elektrisch durchsichtig, sie übernimmt die Kristallstruktur des unteren Wafers ohne sich vom Graphene stören zu lassen.  

Danach kommt die zweite interessante Eigenschaft von Graphene ins Spiel: »Weil die Van-der-Waals-Kräfte sehr schwach sind, reagiert es mit Materialien kaum in vertikaler Richtung«, sagt Prof. Jeewhan Kim vom MIT. »Die Oberfläche erscheint sehr rutschig.«

Weil diese Schicht also nicht am Graphene klebt, lässt sie sich vom Mutter-Wafer leicht abschälen. Danach kann sie beispielsweise auf einen Silizium-Wafer übertragen werden, wo sie die Kanäle von Transistoren bilden könnte, deren Source- und Drain-Regionen bereits auf dem Silizium-Wafer in CMOS-Prozessen strukturiert wurden. Probleme aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten, die beim direkten aufwachsen von GaAs auf Silizium entstehen, könnten so umgangenen werden und es ließen sich sehr leistungsfähige Transistoren fertigen.

Die Forscher bezeichnen den Prozess  als »Remote Epitaxie«. Dass er funktioniert, haben sie bereits an Materialien wie Indiumphosphid, GaAs und Galliumphosphid gezeigt. Diese Materialien sind 50 bis 100 Mal teurer als Silizium. Es lassen sich auch dünne, flexible Photozellen und LEDs herstellen. Die Wissenschaftler konnten so auf einer dünnen flexiblen Schicht LEDs fertigen, die das MIT-Logo erleuchten ließen.

Der Mutter-Wafer lässt sich also viele Male wieder verwenden, erähnelt einem Kopierer. Deshalb bezeichnen die Forscher das Verfahren auch als »Copy/Paste« und deshalb fallen die Kosten des Ausgangs-Wafers nicht ins Gewicht. Herkömmliche Verfahren erlauben es dagegen nicht, den Ausgangs-Wafer wiederzuverwenden, weil sie gebondet werden müssen und danach praktisch nicht mehr zu trennen sind.