雖然目前已發(fā)現(xiàn)很多性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，但受于制造成本的限制，真正適合大規(guī)模商用還僅僅局限于硅。麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師使用石墨烯作為“復(fù)印機(jī)”，提高了圖形化晶圓的利用率，這不僅顯著降低半導(dǎo)體晶圓的成本，也降低了圖形化轉(zhuǎn)移過程給器件造成的損害，為大規(guī)模利用性能更加優(yōu)異、性質(zhì)更加奇特的其它半導(dǎo)體材料帶來了全新的機(jī)會。
2016年，全球半導(dǎo)體銷售額創(chuàng)歷史新高，達(dá)到了3390億美元。同年，全球的半導(dǎo)體行業(yè)花費(fèi)了約72億美元在晶圓上。晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓，它主要用作微電子元件（如晶體管、發(fā)光二極管和其他電子和光子器件）的基板。
麻省理工學(xué)院的工程師們開發(fā)出了一種能顯著降低當(dāng)前晶圓技術(shù)成本的新技術(shù)。這項技術(shù)能夠利用比傳統(tǒng)硅材料性能更加優(yōu)異、性質(zhì)更加獨(dú)特的其它半導(dǎo)體材料來制備微電子元件。這項新技術(shù)發(fā)表在了國際頂級期刊《Nature》上。
首先，這些工程師們精心地設(shè)計了控制程序，將單層石墨烯放在昂貴的晶圓上；然后，他們在石墨烯上生長半導(dǎo)體材料。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯足夠薄，薄到能夠通過石墨烯看到下層的晶圓，當(dāng)復(fù)印底層晶圓上的圖形時，并不受中間層石墨烯的影響。
石墨烯相當(dāng)“滑”，不容易與其它材料粘附在一起，這使得工程師們能夠很容易地將被印有圖形的半導(dǎo)體層從晶圓上剝離開來。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程與材料科學(xué)與工程系的教授Jeehwan Kim表示，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造過程中，一旦晶圓上的圖形被轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體材料上，由于兩者之間鍵合的非常強(qiáng)，所以要無損剝離這兩層幾乎是不可能的。
Kim說：“傳統(tǒng)的方法中，你不得不犧牲晶圓，這是不可避免的。這種新技術(shù)使用石墨烯作為中間層，使得晶圓上的圖形能夠被復(fù)制和粘貼，這使得被圖形化的晶圓能夠利用很多次。因此，這不僅能顯著降低晶圓成本，也能顯著降低分離過程中的損害，這也為探索更多性質(zhì)奇特的半導(dǎo)體材料創(chuàng)造了機(jī)會。工業(yè)界一直堅持使用硅材料，雖然我們已經(jīng)知道有性能更好的半導(dǎo)體材料，但是由于成本問題，我們還難以大規(guī)模地使用它們。這種新技術(shù)為我們選擇其它半導(dǎo)體材料提供了更大的機(jī)會，顯著降低了成本問題的限制?！?
石墨烯轉(zhuǎn)移
自2004年首次發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，研究人員就一直在研究其特殊的電學(xué)性能，希望能提高石墨烯電子器件的性能并顯著降低成本。石墨烯是一種非常優(yōu)異的電導(dǎo)體材料，電子幾乎能在石墨烯層中無摩檫地流動。因此，研究人員一直在致力于將石墨烯變成價格更便宜、性能更高的半導(dǎo)體材料。
Kim說：“大多數(shù)人們都認(rèn)為我們可以利用石墨烯制造出真正快速的電子器件，但事實證明，制造高性能的石墨烯晶體管真的很難。”
為了使晶體管能夠工作，我們必須能夠控制電子電流的開與關(guān)，以產(chǎn)生0和1兩種不同的信號來實現(xiàn)計算功能。然而，要阻止石墨烯中的電子運(yùn)動非常困難，這就是為什么石墨烯是性能優(yōu)異的導(dǎo)體、性能較差的半導(dǎo)體。
Kim的研究團(tuán)隊將石墨烯用于半導(dǎo)體中。這一全新的方法在于研究人員開始關(guān)注石墨烯的機(jī)械性能，而不是其電學(xué)性質(zhì)。
Kim說：“我們對石墨烯的前途非常有信心，因為它是一種超薄但非常強(qiáng)大的材料。在水平方向上，石墨烯的原子是以鍵能非常大的共價鍵相連接；有趣的是，在垂直于層面的方向上，層與層之間卻以非常弱的范德華力相連，這意味著石墨烯不會與垂直方向上的任何東西發(fā)生反應(yīng)，這使得其表面非常光滑。”
該團(tuán)隊的報告表明，超薄的石墨烯材料能夠被夾在晶圓和它的半導(dǎo)體材料之間，它像鐵氟龍一樣，提供了一個幾乎不可觀察，沒有粘性的表面。這使得半導(dǎo)體材料的原子能夠在晶圓上的圖形中重排，這就像印刷文字一樣，晶圓上的圖形轉(zhuǎn)移到了半導(dǎo)體材料上。一旦轉(zhuǎn)移完成，這種半導(dǎo)體材料很容易與石墨烯表面分離，這就允許制造商能夠重新利用原來的晶圓。
該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)在復(fù)印同種半導(dǎo)體晶圓上圖形并實現(xiàn)剝離的過程中很成功，他們把這種技術(shù)稱為“遠(yuǎn)程外延（remote epitaxy）”。這些研究人員已經(jīng)成功地將他們的技術(shù)用于其它晶圓和其半導(dǎo)體材料，如磷化銦，砷化鎵和磷化鎵——這些材料的成本是硅材料成本的50-100倍。
Kim表示，這種新技術(shù)使得制造商重復(fù)利用硅晶圓（或者性能更好的其他半導(dǎo)體材料晶圓）變成可能，從概念上，甚至可以使用無數(shù)次（當(dāng)然有些夸張）。
哈佛大學(xué)物理系教授、石墨烯的先驅(qū)Philip Kim表示：“這是石墨烯的一個非常獨(dú)特的應(yīng)用，該技術(shù)能夠很容易地集成到半導(dǎo)體的制造過程中，并可能給半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的薄膜生長到來革命性的影響……以帶來新穎的電子和光子器件應(yīng)用。”
新穎半導(dǎo)體材料的未來
該團(tuán)隊提出的基于石墨烯的剝離技術(shù)也可能推動柔性電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。通常，晶圓是剛性的、易碎的，這使得由它們制造的器件也不是柔性的。Kim現(xiàn)在表示，這項技術(shù)能夠制備彎曲和扭曲的LED和太陽能電池等器件。事實上，該團(tuán)隊已經(jīng)證明了制造柔性LED顯示屏是可能的，在MIT的徽標(biāo)中，就使用了他們的技術(shù)。
Kim說：“假設(shè)你想在你的車上安裝太陽能電池，但是你的車不是完全平的，而是曲線的，你能將半導(dǎo)體涂敷在車上嗎？之前那是不可能的，因為這些半導(dǎo)體材料會粘附在晶圓上。現(xiàn)在，我們能夠?qū)⑺鼈兎蛛x，彎曲，你就能夠在車上，甚至衣服上，利用它們做保行涂層?！?
現(xiàn)在，該團(tuán)隊計劃設(shè)計一個可重復(fù)使用的“母晶圓”，母晶圓的不同區(qū)域是由不同種高性能、奇異的半導(dǎo)體材料制成。使用石墨烯作為中間層，有希望制造出多功能、高性能的器件。他們也正在研究混合匹配多種半導(dǎo)體材料，堆疊它們形成多材料結(jié)構(gòu)。
Kim說：“目前，有幾種半導(dǎo)體材料非常受歡迎，但你不得不考慮其晶圓成本。我們給你一臺這種復(fù)印機(jī)，你就能夠生長你自己的半導(dǎo)體器件，然后剝離它們，并可以重新使用該晶圓。這是多么了不起的事??！”
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