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石墨烯新型应用:半导体晶元的复印机

发布时间:2017-9-5 17:02:24      阅读1971

  2016年,全球半导体销售额达到历史最高点,达到3390亿美元。同一年,半导体行业在全球范围内花费了大约72亿美元用作微电子元件基板的晶圆,其可以最终制备成为晶体管,发光二极管和其他电子和光子器件。最近,麻省理工学院的工程师开发的一种新技术可以大大降低晶圆技术的总体成本,并使得一些具有高性能的新型半导体材料的制备成为可能,甚至替代传统的硅片。
  这种在Nature中报道的新方法使用了单层石墨烯作为一种“复制机”,将复杂的晶体图案从下面的半导体晶片转移到所制备的材料的顶层。这种制备方法是基于晶体材料在衬底上的外延生长。外延生长作为半导体行业中非常主流的方法十分重要,但其目前往往受限于所生长材料和基底材料的晶格匹配问题。但是,这种严格的限制问题却可通过范德华外延生长而获得缓解,其中二维材料则是唯一可以完成这种外延生长的撒种层。
  由于二维材料例如石墨烯所具有的润湿透明性能,其上方所生长的材料与下面的基底依然会形成较强的交互作用,而这种交互作用可以解释为石墨烯无法完全屏蔽掉基底的强电势,使得外延生长依旧会受基底的相互作用而进行。具有超薄铁氟龙特性的石墨烯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表面,半导体材料的原子仍然可以以晶片的图案重新排列。该材料一旦印刷,就可以简单地从石墨烯表面剥离,从而允许制造商重新使用原来的晶片。另这种简易的剥离还避免了传统方法中对基底晶圆的牺牲与对材料的损伤。
  如图1所示,文献中以 GaAs (001) 在GaAs (001)上的生长为例,在中间加入了单层石墨烯,最终制备的材料与传统方法制备的材料在性能上没有差异,但其却可以轻松的剥离下来。这种“远程外延”的技术不仅在同一半导体晶圆上复制和剥离半导体层取得成功,研究人员将其应用于外来晶圆和半导体材料方面,包括InP,GaAs和GaP,所制备的半导体材料通过二维材料的支撑可以完整的复写出基底的晶格,并将其剥离应用到有效的应用衬底上,最终通过替代硅等传统材料以及降低晶圆成本而革新半导体产业。

图1 在单层石墨烯上所生长的GaAs的表征,衬底为GaAs (001)

文章链接:https://www.nature.com/nature/journal/v544/n7650/full/nature22053.html

来源:OIL实验室

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