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《Nature》头条!石墨烯化身“复印机”种植半导体器件

导读: 麻省理工学院工程师开发出一种新技术可以大大降低生产晶圆的总体成本,在此基础上,未来的半导体器件可能由比传统的硅材料性能更好、超乎寻常的非硅半导体材料制成。该成果发表在了今天的《Nature》上。

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晶圆是半导体行业的核心材料

2016年,全球半导体市场销售额达到历史最高点,达3390亿美元。 其中,半导体行业在全球范围内消费了大约72亿美元用作微电子元件基板的晶圆,晶圆可以转化为晶体管,发光二极管和其他电子和光子器件,是半导体行业的核心材料。

麻省理工学院工程师开发出一种新技术可以大大降低生产晶圆的总体成本,在此基础上,未来的半导体器件可能由比传统的硅材料性能更好、超乎寻常的非硅半导体材料制成。该成果发表在了今天的《Nature》上。

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该新技术使用单层碳原子材料石墨烯作为一种“复印机”,将复杂的晶体图案从下面的半导体晶圆转移到相同材料的顶层。工程师们设定了精准控制的程序,将单片石墨烯放在昂贵的晶圆上,然后,在石墨烯层上生长半导体材料。他们发现,石墨烯足够薄到使其看起来不可见,可以从顶层透过石墨烯看到底层的晶圆,从而不受石墨烯的影响而印刷图案。同时,石墨烯也够“滑”,不容易粘附到其他材料上,使得工程师能够在其结构被印刷之后从晶圆上简单地剥离石墨烯上面的半导体层。

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麻省理工材料科学与工程系助理教授Jeehwan Kim表示,在传统的半导体制造过程中,一旦其结晶图案被转印,就会非常牢固与半导体材料结合,几乎不可能分离开而不破坏两层。“你最终不得不牺牲晶圆 ”Kim说。

Kim表示,采用该项新技术,制造商现在可以使用石墨烯作为中间层,可以复制团,然后将复制的膜从晶圆上剥离下来,晶圆还可以重复利用。 Kim表示,除了节省晶圆的成本外,还为探索更多其他类型的半导体材料创造了机会。

Kim表示:“业界一直坚持使用单晶硅片,尽管有更多的性能更好的半导体材料问世比如磷化铟、砷化镓和磷化镓等,但与硅材料相比高昂成本注定无法大规模商业化。这项技术的诞生,使得我们可以根据性能来选择半导体材料,而无需受到成本的制约。

自2004年石墨烯被发现以来,研究人员一直在研究其卓越的电学性能,希望利用它提高电子设备的性能。石墨烯是一种非常好的电导体,因为电子几乎可以没有阻碍地流过石墨烯。因此,研究人员一直致力于寻找使石墨烯作为便宜的高性能半导体材料的方法。“人们一直期望可以利用石墨烯制造超高速的电子器件,”Kim说。“但事实证明,制造好的石墨烯晶体管真的很难。”

为了使晶体管工作,其原材料必须能够打开和关闭电子流,以产生1和0的模式,指示设备如何执行一组计算。但是,很难阻止电子通过石墨烯的流动,所以石墨烯作为导体性能很好,但是作为半导体性能很差。

Kim的小组采用了一种全新的思路在半导体中使用石墨烯, 研究人员不再专注于石墨烯的电特性,而是研究了石墨烯材料的机械特性。

Kim说:“我们对石墨烯有强烈的信念,因为它是一种非常强大的超薄材料,并且在水平方向上在原子之间形成非常强的共价键。“有趣的是,它具有非常弱的范德华力,这使得石墨烯的表面很滑。

复制和剥离

该团队发现,石墨烯具有类似于超薄特氟龙涂层的特性,可以夹在晶圆和半导体层之间,提供了一个几乎不可察觉的不粘的表面,半导体材料的原子仍然可以以晶片晶体的图案重新排列。该材料一旦转印,就可以很容易地从石墨烯表面剥离,从而允许制造商重新使用原来的晶圆。

该团队发现,这项他们称之为“远程外延”的技术,可以实现同一个半导体晶圆上复制和剥离不同的半导体层,研究人员将其技术应用于其他晶圆和半导体材料也取得了成功,包括磷化铟、砷化镓和磷化镓材料,这些材料的成本比硅高出50到100倍。

Kim表示,这种新技术使制造商有可能重新使用硅片和更高性能的材料 - “从概念上讲,无限制”。

一个超乎寻常的未来

这项以石墨烯为基础的复制-剥离技术也可能推动柔性电子领域发展。通常,由于晶圆是刚性的,由他们制备的器件也不能达到柔性。 Kim说,有了这项技术,LED和太阳能电池等半导体器件可以进行弯折和扭曲。事实上,该团队通过利用该技术制造在MIT徽标上图案化的柔性LED显示屏展示了这种可能性。

“假设你想在你的车上安装太阳能电池,这车身不是完全平坦的,有很多曲线,”Kim说。“你可以在半导体上涂上它吗?现在不可能,因为厚的晶圆不能弯曲,而现在我们可以剥离,弯曲,你可以在汽车,甚至衣服上做保形涂层。”

展望未来,研究人员计划设计一个可重复使用的“母晶片”,其区域由不同的外来材料制成。以石墨烯为中介,希望能创造出多功能,高性能的器件。他们还在研究混合和匹配各种半导体并将其堆叠为复合材料结构。

“现在,超材料可以很受欢迎,”Kim说。“您不必担心晶圆的成本,让我们给您复印机,您可以种植半导体器件,剥离它,并重新使用晶圆。”

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