2016年，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)銷售額達(dá)到歷史最高點(diǎn)，達(dá)3390億美元。 其中，半導(dǎo)體行業(yè)在全球范圍內(nèi)消費(fèi)了大約72億美元用作微電子元件基板的晶圓，晶圓可以轉(zhuǎn)化為晶體管，發(fā)光二極管和其他電子和光子器件，是半導(dǎo)體行業(yè)的核心材料。
麻省理工學(xué)院工程師開發(fā)出一種新技術(shù)可以大大降低生產(chǎn)晶圓的總體成本，在此基礎(chǔ)上，未來的半導(dǎo)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(dǎo)體材料制成。該成果發(fā)表在了今天的《Nature》上。
該新技術(shù)使用單層碳原子材料石墨烯作為一種“復(fù)印機(jī)”，將復(fù)雜的晶體圖案從下面的半導(dǎo)體晶圓轉(zhuǎn)移到相同材料的頂層。工程師們?cè)O(shè)定了精準(zhǔn)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(zhǎng)半導(dǎo)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(shí)，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(jié)構(gòu)被印刷之后從晶圓上簡(jiǎn)單地剝離石墨烯上面的半導(dǎo)體層。
麻省理工材料科學(xué)與工程系助理教授Jeehwan Kim表示，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造過程中，一旦其結(jié)晶圖案被轉(zhuǎn)印，就會(huì)非常牢固與半導(dǎo)體材料結(jié)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(xiàng)新技術(shù)，制造商現(xiàn)在可以使用石墨烯作為中間層，可以復(fù)制團(tuán)，然后將復(fù)制的膜從晶圓上剝離下來，晶圓還可以重復(fù)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(dǎo)體材料創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。
Kim表示：“業(yè)界一直堅(jiān)持使用單晶硅片，盡管有更多的性能更好的半導(dǎo)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(wú)法大規(guī)模商業(yè)化。這項(xiàng)技術(shù)的誕生，使得我們可以根據(jù)性能來選擇半導(dǎo)體材料，而無(wú)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(xué)性能，希望利用它提高電子設(shè)備的性能。石墨烯是一種非常好的電導(dǎo)體，因?yàn)殡娮訋缀蹩梢詻]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(dǎo)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(shí)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(guān)閉電子流，以產(chǎn)生1和0的模式，指示設(shè)備如何執(zhí)行一組計(jì)算。但是，很難阻止電子通過石墨烯的流動(dòng)，所以石墨烯作為導(dǎo)體性能很好，但是作為半導(dǎo)體性能很差。
Kim的小組采用了一種全新的思路在半導(dǎo)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(jī)械特性。
Kim說：“我們對(duì)石墨烯有強(qiáng)烈的信念，因?yàn)樗且环N非常強(qiáng)大的超薄材料，并且在水平方向上在原子之間形成非常強(qiáng)的共價(jià)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(fù)制和剝離
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有類似于超薄特氟龍涂層的特性，可以?shī)A在晶圓和半導(dǎo)體層之間，提供了一個(gè)幾乎不可察覺的不粘的表面，半導(dǎo)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(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)他們稱之為“遠(yuǎn)程外延”的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)半導(dǎo)體晶圓上復(fù)制和剝離不同的半導(dǎo)體層，研究人員將其技術(shù)應(yīng)用于其他晶圓和半導(dǎo)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(shù)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(wú)限制”。
一個(gè)超乎尋常的未來
這項(xiàng)以石墨烯為基礎(chǔ)的復(fù)制-剝離技術(shù)也可能推動(dòng)柔性電子領(lǐng)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(dá)到柔性。 Kim說，有了這項(xiàng)技術(shù)，LED和太陽(yáng)能電池等半導(dǎo)體器件可以進(jìn)行彎折和扭曲。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)通過利用該技術(shù)制造在MIT徽標(biāo)上圖案化的柔性LED顯示屏展示了這種可能性。
“假設(shè)你想在你的車上安裝太陽(yáng)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(dǎo)體上涂上它嗎？現(xiàn)在不可能，因?yàn)楹竦木A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(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)可重復(fù)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(dǎo)體并將其堆疊為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
“現(xiàn)在，超材料可以很受歡迎，”Kim說。“您不必?fù)?dān)心晶圓的成本，讓我們給您復(fù)印機(jī)，您可以種植半導(dǎo)體器件，剝離它，并重新使用晶圓。”