2016年，全球半導體市場銷售額達到歷史最高點，達3390億美元。 其中，半導體行業(yè)在全球范圍內消費了大約72億美元用作微電子元件基板的晶圓，晶圓可以轉化為晶體管，發(fā)光二極管和其他電子和光子器件，是半導體行業(yè)的核心材料。
麻省理工學院工程師開發(fā)出一種新技術可以大大降低生產晶圓的總體成本，在此基礎上，未來的半導體器件可能由比傳統(tǒng)的硅材料性能更好、超乎尋常的非硅半導體材料制成。該成果發(fā)表在了今天的《Nature》上。
該新技術使用單層碳原子材料石墨烯作為一種“復印機”，將復雜的晶體圖案從下面的半導體晶圓轉移到相同材料的頂層。工程師們設定了精準控制的程序，將單片石墨烯放在昂貴的晶圓上，然后，在石墨烯層上生長半導體材料。他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯足夠薄到使其看起來不可見，可以從頂層透過石墨烯看到底層的晶圓，從而不受石墨烯的影響而印刷圖案。同時，石墨烯也夠“滑”，不容易粘附到其他材料上，使得工程師能夠在其結構被印刷之后從晶圓上簡單地剝離石墨烯上面的半導體層。
麻省理工材料科學與工程系助理教授Jeehwan Kim表示，在傳統(tǒng)的半導體制造過程中，一旦其結晶圖案被轉印，就會非常牢固與半導體材料結合，幾乎不可能分離開而不破壞兩層。“你最終不得不犧牲晶圓 ”Kim說。
Kim表示，采用該項新技術，制造商現(xiàn)在可以使用石墨烯作為中間層，可以復制團，然后將復制的膜從晶圓上剝離下來，晶圓還可以重復利用。 Kim表示，除了節(jié)省晶圓的成本外，還為探索更多其他類型的半導體材料創(chuàng)造了機會。
Kim表示：“業(yè)界一直堅持使用單晶硅片，盡管有更多的性能更好的半導體材料問世比如磷化銦、砷化鎵和磷化鎵等，但與硅材料相比高昂成本注定無法大規(guī)模商業(yè)化。這項技術的誕生，使得我們可以根據性能來選擇半導體材料，而無需受到成本的制約。
自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，研究人員一直在研究其卓越的電學性能，希望利用它提高電子設備的性能。石墨烯是一種非常好的電導體，因為電子幾乎可以沒有阻礙地流過石墨烯。因此，研究人員一直致力于尋找使石墨烯作為便宜的高性能半導體材料的方法。“人們一直期望可以利用石墨烯制造超高速的電子器件，”Kim說。“但事實證明，制造好的石墨烯晶體管真的很難。”
為了使晶體管工作，其原材料必須能夠打開和關閉電子流，以產生1和0的模式，指示設備如何執(zhí)行一組計算。但是，很難阻止電子通過石墨烯的流動，所以石墨烯作為導體性能很好，但是作為半導體性能很差。
Kim的小組采用了一種全新的思路在半導體中使用石墨烯， 研究人員不再專注于石墨烯的電特性，而是研究了石墨烯材料的機械特性。
Kim說：“我們對石墨烯有強烈的信念，因為它是一種非常強大的超薄材料，并且在水平方向上在原子之間形成非常強的共價鍵。“有趣的是，它具有非常弱的范德華力，這使得石墨烯的表面很滑。
復制和剝離
該團隊發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有類似于超薄特氟龍涂層的特性，可以夾在晶圓和半導體層之間，提供了一個幾乎不可察覺的不粘的表面，半導體材料的原子仍然可以以晶片晶體的圖案重新排列。該材料一旦轉印，就可以很容易地從石墨烯表面剝離，從而允許制造商重新使用原來的晶圓。
該團隊發(fā)現(xiàn)，這項他們稱之為“遠程外延”的技術，可以實現(xiàn)同一個半導體晶圓上復制和剝離不同的半導體層，研究人員將其技術應用于其他晶圓和半導體材料也取得了成功，包括磷化銦、砷化鎵和磷化鎵材料，這些材料的成本比硅高出50到100倍。
Kim表示，這種新技術使制造商有可能重新使用硅片和更高性能的材料 - “從概念上講，無限制”。
一個超乎尋常的未來
這項以石墨烯為基礎的復制-剝離技術也可能推動柔性電子領域發(fā)展。通常，由于晶圓是剛性的，由他們制備的器件也不能達到柔性。 Kim說，有了這項技術，LED和太陽能電池等半導體器件可以進行彎折和扭曲。事實上，該團隊通過利用該技術制造在MIT徽標上圖案化的柔性LED顯示屏展示了這種可能性。
“假設你想在你的車上安裝太陽能電池，這車身不是完全平坦的，有很多曲線，”Kim說。“你可以在半導體上涂上它嗎？現(xiàn)在不可能，因為厚的晶圓不能彎曲，而現(xiàn)在我們可以剝離，彎曲，你可以在汽車，甚至衣服上做保形涂層。”
展望未來，研究人員計劃設計一個可重復使用的“母晶片”，其區(qū)域由不同的外來材料制成。以石墨烯為中介，希望能創(chuàng)造出多功能，高性能的器件。他們還在研究混合和匹配各種半導體并將其堆疊為復合材料結構。
“現(xiàn)在，超材料可以很受歡迎，”Kim說。“您不必擔心晶圓的成本，讓我們給您復印機，您可以種植半導體器件，剝離它，并重新使用晶圓。”