Flexible Elektronik / MIT Halbleiter schichtweise abziehen und stapeln

MIT-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um einen einkristallinen Verbindungshalbleiter auf seinem Substrat durch Graphen hindurch zu züchten. Dieser Film lässt sich abziehen und mit anderen Dünnfilmschichten kombinieren.
MIT-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um einen einkristallinen Verbindungshalbleiter auf seinem Substrat durch Graphen hindurch zu züchten. Dieser Film lässt sich abziehen und mit anderen Dünnfilmschichten kombinieren.

Halbleiterchips sind steif. Doch Forscher des MIT können mit der Fernepitaxie (Remote Epitaxy) halbleitende Filme auf einem Substrat aufwachsen und sie abziehen. Nun ist es ihnen gelungen, ganz verschiedene Filme auch zu stapeln. Das könnte ganz neue Möglichkeiten bei flexibler Elektronik eröffnen.

Fernepitaxie (Remote Epitaxy) heißt ein Verfahren, das Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt haben und der Schlüssel dazu sein könnte, flexible Elektronik mit hoher Funktionsvielfalt herzustellen. Als Beispiele dafür nennt Jeehwan Kim, Associate Professor für Maschinenbau, Kontaktlinsen für virtuelle Realität, Solarfolien, die sich den Fahrzeugkonturen anpassen, und elektronische Textilien, die auf das Wetter reagieren.

Ein anderes Beispiel könnte ein »elektronisches Tattoo« sein – ein flexibler, transparenter Chip, der sich auf den Körper einer Person aufkleben lässt, um Vitalfunktionen wie Temperatur und Puls zu erfassen und drahtlos zu übertragen. Wieder eine andere Anwendung könnte ein flexibler, sich selbst versorgender IoT-Chip sein, der aus einem Sensor, einem Computersystem, einer Batterie und einer Solarzelle besteht.

Die Ergebnisse belegen, dass sich die Fernepitaxie dafür eignet, flexible Elektronik aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen, die sich bislang nur schwer in einem Bauteil kombinieren ließen. Denn traditionelle Epitaxieverfahren, bei denen Materialien bei hohen Temperaturen auf einem Wafer gezüchtet werden, lassen sich nur dann kombinieren, wenn sie die gleiche Kristallstruktur haben. Mit der Fernepitaxie könnten die Forscher eine beliebige Anzahl verschiedener Filme aus verschiedenen, wiederverwendbaren Wafern herstellen und diese dann unabhängig von ihrer Kristallstruktur aufeinander stapeln.

»Dies ist der erste Nachweis dafür, mehrere Nanometer dünne Membranen wie Lego-Steine stapeln zu können. Dies war bisher unmöglich, da alle funktionalen elektronischen Materialien in Form eines dicken Wafers vorliegen«, erläutert Jeehwan Kim.

So funktioniert Fernepitaxie

Bei der Fernepitaxie werden dünnen Filmen aus halbleitendem Material auf einem soliden Wafer aus demselben Material, der mit einer Zwischenlage aus Graphen bedeckt ist, abgeschieden. Ist dieser Prozess abgeschlossen, lässt sich dieser Film von dem mit Graphen bedeckten Wafer abziehen. Das Graphen dient als Antihaftbeschichtung. Anschließend kann man den Wafer wiederverwenden.

In einer in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit belegen die MIT-Forscher, dass sie mithilfe der Fernepitaxie freistehende Filme aus jedem funktionalen Material herstellen können. Noch wichtiger ist, dass sie Filme aus diesen verschiedenen Materialien stapeln können, um flexible, multifunktionale elektronische Komponenten herzustellen.

Erstmals berichteten Kim und seine Kollegen im Jahr 2017 von ihren Ergebnisse bei der Verwendung von Fernepitaxie. Danach konnten sie dünne, flexible Filme aus Halbleitermaterial herstellen, indem sie zunächst eine Schicht Graphen auf einen starren, teuren Wafer aus einer Kombination exotischer Metalle legten. Sie leiteten Gas mit den Atomen jedes Metalls über den mit Graphen bedeckten Wafer. Dabei stellten sie fest, dass die Atome auf dem Graphen als Film ablagerten und die gleiche Kristallstruktur aufwiesen wie der darunterliegende Wafer.

Im Jahr 2018 wies das Team nach, dass sie mithilfe der Fernepitaxie halbleitende Strukturen aus Metallen der Gruppen 3 und 5 des Periodensystems herstellen konnten, nicht jedoch aus Metallen der Gruppe 4. »Wir fanden heraus, dass die Wechselwirkung durch Graphen hindurch von der Polarität der Atome abhängt. Bei Materialien, die eine starke ionische Bindung haben, interagieren sie sogar durch drei Schichten Graphen«, berichtet Kim und ergänzt: »Es ist ähnlich wie bei zwei Magneten, die sich sogar durch ein dünnes Blatt Papier hindurch anziehen können«.

Seitdem haben Kim und seine Kollegen eine Reihe immer exotischerer halbleitender Kombinationen ausprobiert. Wie in der neuen Studie berichtet, nutzte das Team die Fernepitaxie, um flexible Halbleiterfilme aus komplexen Oxiden herzustellen – chemische Verbindungen aus Sauerstoff und mindestens zwei anderen Elementen. Komplexe Oxide haben bekanntermaßen ein breites Spektrum an elektrischen und magnetischen Eigenschaften, und einige Kombinationen können einen Strom generieren, wenn sie mechanisch gedehnt oder einem Magnetfeld ausgesetzt werden.

Kim meint, dass sich durch die Möglichkeit, flexible Folien aus komplexen Oxiden herzustellen, die Tür zu neuen Energie erntenden Bauelementen öffnen könnte. Dazu gehören beispielsweise Folien oder Abdeckungen, die sich als Reaktion auf Vibrationen dehnen und dadurch Strom produzieren. Bisher wurden komplexe Oxide nur auf starren, millimeterdicken Wafern hergestellt, die nur begrenzt flexibel sind und daher nur ein eingeschränktes Potenzial bieten, Energie zu liefern.

Die Forscher mussten ihren Prozess anpassen, um komplexe Oxidschichten herzustellen. Zunächst stellten sie fest, dass bei der Herstellung eines komplexen Oxids wie Strontiumtitanat (eine Verbindung aus je einem Strontium- und Titanatom mit drei Sauerstoffatomen) der Sauerstoff , der über das Graphen strömte, dazu neigte, sich mit dem Kohlenstoff des Graphens zu verbinden. Dadurch wurden Teile des Graphens wegätzten, anstatt dem Muster des darunterliegenden Wafers zu folgen und sich mit Strontium und Titan zu verbinden. Als überraschend einfache Lösung fügten die Forscher eine zweite Schicht Graphen hinzu.

Abziehen und stapeln

Das Team nutzte das neu entwickelte Verfahren, um Filme aus mehreren komplexen Oxidmaterialien herzustellen, wobei jede 100 nm dünne Schicht während der Herstellung abgezogen wurde. Außerdem konnten sie Schichten aus verschiedenen komplexen Oxidmaterialien übereinander stapeln und durch leichtes Erhitzen effektiv miteinander verkleben. Auf diese Weise entstand ein flexibles, multifunktionales Bauteil.

In einem Experiment schichtete das Team Filme aus zwei verschiedenen komplexen Oxiden zusammen: Kobaltferrit, das sich bekanntlich in einem Magnetfeld ausdehnt, und PMN-PT, das eine Spannung erzeugt, wenn es mechanisch gedehnt wird. Als die Forscher die mehrlagige Folie einem Magnetfeld aussetzten, wirkten die beiden Schichten zusammen, um sich auszudehnen und einen kleinen elektrischen Strom zu erzeugen.

Diese Forschungsarbeit war das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen den Forschern am MIT und an der Universität von Wisconsin in Madison, unterstützt von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Originalpublikation

Bae, S., Lu, K., Han, Y. et al., Graphene-assisted spontaneous relaxation towards dislocation-free heteroepitaxy. Nat. Nanotechnol. (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-0633-5