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MIT“复印机技术”打破硅材料困局,显著提高晶圆利用率

  

编者按:虽然目前已发现很多性能优异的半导体材料,但受于制造成本的限制,真正适合大规模商用还仅仅局限于硅。麻省理工学院(MIT)的工程师使用石墨烯作为“复印机”,提高了图形化晶圆的利用率,这不仅显著降低半导体晶圆的成本,也降低了图形化转移过程给器件造成的损害,为大规模利用性能更加优异、性质更加奇特的其它半导体材料带来了全新的机会。

2016年,全球半导体销售额创历史新高,达到了3390亿美元。同年,全球的半导体行业花费了约72亿美元在晶圆上。晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆,它主要用作微电子元件(如晶体管、发光二极管和其他电子和光子器件)的基板。

麻省理工学院的工程师们开发出了一种能显著降低当前晶圆技术成本的新技术。这项技术能够利用比传统硅材料性能更加优异、性质更加独特的其它半导体材料来制备微电子元件。这项新技术发表在了国际顶级期刊《Nature》上。

首先,这些工程师们精心地设计了控制程序,将单层石墨烯放在昂贵的晶圆上;然后,他们在石墨烯上生长半导体材料。他们发现石墨烯足够薄,薄到能够通过石墨烯看到下层的晶圆,当复印底层晶圆上的图形时,并不受中间层石墨烯的影响。

石墨烯相当“滑”,不容易与其它材料粘附在一起,这使得工程师们能够很容易地将被印有图形的半导体层从晶圆上剥离开来。

麻省理工学院机械工程与材料科学与工程系的教授Jeehwan Kim表示,在传统的半导体制造过程中,一旦晶圆上的图形被转移到半导体材料上,由于两者之间键合的非常强,所以要无损剥离这两层几乎是不可能的。

Kim说:“传统的方法中,你不得不牺牲晶圆,这是不可避免的。这种新技术使用石墨烯作为中间层,使得晶圆上的图形能够被复制和粘贴,这使得被图形化的晶圆能够利用很多次。因此,这不仅能显著降低晶圆成本,也能显著降低分离过程中的损害,这也为探索更多性质奇特的半导体材料创造了机会。工业界一直坚持使用硅材料,虽然我们已经知道有性能更好的半导体材料,但是由于成本问题,我们还难以大规模地使用它们。这种新技术为我们选择其它半导体材料提供了更大的机会,显著降低了成本问题的限制。”

  

石墨烯转移

自2004年首次发现石墨烯以来,研究人员就一直在研究其特殊的电学性能,希望能提高石墨烯电子器件的性能并显著降低成本。石墨烯是一种非常优异的电导体材料,电子几乎能在石墨烯层中无摩檫地流动。因此,研究人员一直在致力于将石墨烯变成价格更便宜、性能更高的半导体材料。

Kim说:“大多数人们都认为我们可以利用石墨烯制造出真正快速的电子器件,但事实证明,制造高性能的石墨烯晶体管真的很难。”

为了使晶体管能够工作,我们必须能够控制电子电流的开与关,以产生0和1两种不同的信号来实现计算功能。然而,要阻止石墨烯中的电子运动非常困难,这就是为什么石墨烯是性能优异的导体、性能较差的半导体。

Kim的研究团队将石墨烯用于半导体中。这一全新的方法在于研究人员开始关注石墨烯的机械性能,而不是其电学性质。

Kim说:“我们对石墨烯的前途非常有信心,因为它是一种超薄但非常强大的材料。在水平方向上,石墨烯的原子是以键能非常大的共价键相连接;有趣的是,在垂直于层面的方向上,层与层之间却以非常弱的范德华力相连,这意味着石墨烯不会与垂直方向上的任何东西发生反应,这使得其表面非常光滑。”

  

该团队的报告表明,超薄的石墨烯材料能够被夹在晶圆和它的半导体材料之间,它像铁氟龙一样,提供了一个几乎不可观察,没有粘性的表面。这使得半导体材料的原子能够在晶圆上的图形中重排,这就像印刷文字一样,晶圆上的图形转移到了半导体材料上。一旦转移完成,这种半导体材料很容易与石墨烯表面分离,这就允许制造商能够重新利用原来的晶圆。

该团队发现,这种技术在复印同种半导体晶圆上图形并实现剥离的过程中很成功,他们把这种技术称为“远程外延(remote epitaxy)”。这些研究人员已经成功地将他们的技术用于其它晶圆和其半导体材料,如磷化铟,砷化镓和磷化镓——这些材料的成本是硅材料成本的50-100倍。

Kim表示,这种新技术使得制造商重复利用硅晶圆(或者性能更好的其他半导体材料晶圆)变成可能,从概念上,甚至可以使用无数次(当然有些夸张)。

哈佛大学物理系教授、石墨烯的先驱Philip Kim表示:“这是石墨烯的一个非常独特的应用,该技术能够很容易地集成到半导体的制造过程中,并可能给半导体异质结构的薄膜生长到来革命性的影响……以带来新颖的电子和光子器件应用。”

新颖半导体材料的未来

该团队提出的基于石墨烯的剥离技术也可能推动柔性电子学领域的发展。通常,晶圆是刚性的、易碎的,这使得由它们制造的器件也不是柔性的。Kim现在表示,这项技术能够制备弯曲和扭曲的LED和太阳能电池等器件。事实上,该团队已经证明了制造柔性LED显示屏是可能的,在MIT的徽标中,就使用了他们的技术。

Kim说:“假设你想在你的车上安装太阳能电池,但是你的车不是完全平的,而是曲线的,你能将半导体涂敷在车上吗?之前那是不可能的,因为这些半导体材料会粘附在晶圆上。现在,我们能够将它们分离,弯曲,你就能够在车上,甚至衣服上,利用它们做保行涂层。”

现在,该团队计划设计一个可重复使用的“母晶圆”,母晶圆的不同区域是由不同种高性能、奇异的半导体材料制成。使用石墨烯作为中间层,有希望制造出多功能、高性能的器件。他们也正在研究混合匹配多种半导体材料,堆叠它们形成多材料结构。

Kim说:“目前,有几种半导体材料非常受欢迎,但你不得不考虑其晶圆成本。我们给你一台这种复印机,你就能够生长你自己的半导体器件,然后剥离它们,并可以重新使用该晶圆。这是多么了不起的事啊!”

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编辑:Steven

参考:http://news.mit.edu/2017/graphene-copy-machine-cheaper-semiconductor-wafers-0419

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