Vad skulle en enkel teknik för att ta bort tunna lager från annars tjocka, styva halvledarkristaller betyder för halvledarindustrin? Detta koncept har aktivt utforskats i åratal, eftersom integrerade kretsar gjorda på tunna lager lovar utvecklingen inklusive förbättrade termiska egenskaper, lätt staplingsbarhet och hög flexibilitet jämfört med konventionellt tjocka underlag.

I ett betydande framsteg, en forskargrupp från IBM använde framgångsrikt sin nya "kontrollerad spalling" -överföringsteknik på galliumnitrid (GaN) -kristaller, ett vanligt halvledarmaterial, och skapade en väg för att producera många lager från ett enda substrat.

Som de rapporterar i Journal of Applied Physics , kontrollerad spjälkning kan användas för att producera tunna lager av tjocka GaN-kristaller utan att orsaka kristallin skada. Tekniken gör det också möjligt att mäta grundläggande fysikaliska egenskaper hos materialsystemet, som staminducerade optiska effekter och frakturhållfasthet, som annars är svåra att mäta.

Enkristalliga GaN-skivor är extremt dyra, där bara en 2-tums skiva kan kosta tusentals dollar, så att ha fler lager betyder att få ut mer värde av varje skiva. Tunnare lager ger också prestandafördelar för kraftelektronik, eftersom det ger lägre elektrisk motstånd och värme är lättare att ta bort.

"Vår metod för borttagning av tunnfilm är spännande eftersom den är baserad på fraktur, "sade Stephen W. Bedell, forskningspersonal vid IBM Research och en av tidningens författare. "Först, vi lägger först ett nickelskikt på ytan av det material vi vill ta bort. Detta nickelskikt är under draghållfasthet - tänk på trumskinn. Sedan rullar vi helt enkelt ett lager tejp på nickel, håll underlaget så att det inte kan röra sig, och ta sedan bort tejpen. När vi gör detta, det stressade nickelskiktet skapar en spricka i det underliggande materialet som går ner i substratet och sedan färdas parallellt med ytan."

Deras metod går ut på att helt enkelt skala bort tejpen, nickelskikt och ett tunt lager av substratmaterialet som fastnat vid nickeln.

"En bra analogi av hur anmärkningsvärd denna process är kan göras med en glasruta, "Sa Bedell." Vi bryter glaset i den långa riktningen, så istället för ett gäng krossade glasskärvor, vi har två fulla glasskivor kvar. Vi kan styra hur mycket av ytan som tas bort genom att justera tjockleken på nickelskiktet. Eftersom hela processen utförs vid rumstemperatur, vi kan till och med göra detta på färdiga kretsar och enheter, gör dem flexibla. "

Gruppens arbete är anmärkningsvärt av flera skäl. Till att börja, det är den överlägset enklaste metoden att överföra tunna lager från tjocka underlag. Och det kan mycket väl vara den enda skiktöverföringsmetoden som är materiellt agnostisk.

"Vi har redan visat överföringen av kisel, germanium, galliumarsenid, galliumnitrid/safir, och till och med amorfa material som glas, och det kan appliceras nästan när som helst i tillverkningsflödet, från utgångsmaterial till delvis eller helt färdiga kretsar, "Sa Bedell.

Att göra ett salongstrick till en pålitlig process, arbetar för att säkerställa att detta tillvägagångssätt skulle vara en konsekvent teknik för sprickfri överföring, ledde till överraskningar på vägen.

"Den grundläggande mekanismen för fraktur av substrat som sprutade började som ett materialvetenskapligt problem, "sa han." Det var känt att metallisk filmavsättning ofta skulle leda till sprickbildning av det underliggande substratet, vilket anses vara en dålig sak. Men vi fann att detta var ett metastabilt fenomen, vilket betyder att vi kan lägga ett tillräckligt tjockt lager för att spricka substratet, men tillräckligt tunn för att den inte skulle spricka av sig själv - den behövde bara en spricka för att komma igång. "

Deras nästa upptäckt var hur man gör sprickinitieringen konsekvent och pålitlig. Även om det finns många sätt att generera en spricka - laser, kemisk etsning, termisk, mekanisk, etc. - det visar sig att det enklaste sättet, enligt Bedell, är att avsluta tjockleken på nickelskiktet mycket abrupt nära kanten av substratet.

"Detta skapar en stor spänningsdiskontinuitet vid kanten av nickelfilmen så att tejpen väl applicerats, ett litet drag i tejpen initierar konsekvent sprickan i den regionen, " han sa.

Även om det kanske inte är uppenbart, galliumnitrid är ett viktigt material för vår vardag. Det är det underliggande materialet som används för att tillverka blått, och nu vit, Lysdioder (för vilka Nobelpriset i fysik 2014 tilldelades) samt för högeffekt, högspänningselektronik. Det kan också visa sig vara användbart för inneboende biokompatibilitet, som i kombination med kontrollspallning kan tillåta ultratunn bioelektronik eller implanterbara sensorer.

"Kontrollerad spalling har redan använts för att skapa extremt lätt, högeffektiva GaAs-baserade solceller för rymdapplikationer och flexibla toppmoderna kretsar, " sa Bedell.

Gruppen arbetar nu med forskningspartners för att tillverka högspännings-GaN-enheter med denna metod. "Vi har också haft stor interaktion med många av GaN-teknikledarna genom Department of Energy's ARPA-E SWITCHES-program och hoppas kunna använda kontrollerad spalling för att möjliggöra nya enheter genom framtida partnerskap, " sa Bedell.