Supersnabbt halvledarmaterial från Linköping

Halvledarmaterialet grafen är hett i forskarvärlden. Halvledargiganterna Intel och IBM är två aktörer som lägger stora resurser på att utveckla materialet. På Linköpings universitet har en forskargrupp, som studerar kiselkarbid, utvecklat en metod som innebär att grafen kan framställas på klart större ytor än vad andra tidigare klarat.

Grafen är ett halvledarmaterial som har 100 gånger högre elektronmobilitet än kisel. Det gör materialet högintressant för processortillverkare som Intel och IBM, som också finansierar forskargrupper världen över.

Fram till nu har det dock varit svårt att få det nya halvledarmaterialet med jämn tjocklek över stora ytor. Grafen byggs nämligen upp av ett enda lager kolatomer i ett vaxkakeliknande mönster - flera lager skapar grafit.

– Grafen har atomtjocklek och när man skapar materialet över en större yta blir det lätt ett lager på vissa ställen och några lager på andra. Många har problem med det, men vår forskargrupp har lyckats utveckla en metod som gör att man får ett jämnt lager av grafen över en större yta, säger Mikael Syväjärvi, docent på Linköpings universitet.

Materialet framställdes för första gången år 2004 genom att pyttesmå bitar av grafen revs loss från grafit med hjälp av tejp. De små bitarna kunde användas för att påvisa materialets egenskaper.

– Men om materialet ska kunna användas på sikt måste man kunna tillverka mycket större ytor, säger Mikael Syväjärvi.

På Linköpings universitet har en forskargrupp utvecklat en metod där grafen kan framställas ovanpå skivor av kiselkarbid som finns kommersiellt tillgängliga upp till 100 mm i diameter. Det hela går till så att kisel lämnar kiselkarbidytan vid höga temperaturer. Kvar blir ett lager kolatomer som fördelar sig i ett jämnt lager av grafen.

Forskargruppen, ledd av professor Rositza Yakimova som upptäckte möjligheten att framställa grafen med metoden, har fokuserat på en sublimeringsteknik som använder ett temperaturintervall mellan 1 900 °C och 2 000 °C, vilket är några hundra grader lägre än då själva kiselkarbidskivorna tillverkas.

– Eftersom grafen är ett så tunt lager är det viktigt att kunna kontrollera små temperaturskillnader som gör att kisel lämnar ytan och lämnar kvar ordnade kolatomer i ett lager. Andra forskargrupper försöker framställa grafen vid lägre temperaturer, säger Mikael Syväjärvi.

Den stora fördelen med att gå upp i temperatur är att kiselkarbidytan kan omfördelas utan att påverkas av poleringsskador som uppstått när kiselkarbidskivorna producerades. Vid lägre temperaturer är det svårare eftersom kiselkarbid har starka bindningar. Å andra sidan är det svårare att kontrollera små temperaturskillnader vid högre temperatur.

– Med vår metod har vi lyckats framställa grafen över en kvadratcentimeter stor yta. Det kan jämföras med tejpmetoden som ger mikrometerstora ytor. Vi skulle kunna göra ytor med en diameter på 50 mm men karakteriseringsutrustningarna som vi använt för att påvisa materialet har begränsad storlek på provhållarna, säger Mikael Syväjärvi.

Finansieringen för grafenforskningen i Sverige är för tillfället ganska liten. En forskargrupp på Chalmers har dock fått 14 miljoner kronor från Stiftelsen för strategisk forskning under året för att utveckla elektronikkomponenter i det nya materialet, medan forskargruppen i Linköping just nu söker medel för en produktionsorienterad forskningsutveckling.

– Vi har också startat ett samarbete med Chalmers för att utveckla materialet och anpassa det till vad som krävs för elektronikkomponenter. Eftersom materialet är så nytt finns det idag inga exakta lösningar på hur komponenterna kommer att se ut, säger Mikael Syväjärvi.