MIT「複印機技術」打破硅材料困局，成就新穎半導體材料的未來

編者按：雖然目前已發現很多性能優異的半導體材料，但受於製造成本的限制，真正適合大規模商用還僅僅局限於硅。麻省理工學院（MIT）的工程師使用石墨烯作為「複印機」，提高了圖形化晶圓的利用率，這不僅顯著降低半導體晶圓的成本，也降低了圖形化轉移過程給器件造成的損害，為大規模利用性能更加優異、性質更加奇特的其它半導體材料帶來了全新的機會。

2016年，全球半導體銷售額創歷史新高，達到了3390億美元。同年，全球的半導體行業花費了約72億美元在晶圓上。晶圓是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片，由於其形狀為圓形，故稱為晶圓，它主要用作微電子元件（如晶體管、發光二極體和其他電子和光子器件）的基板。

麻省理工學院的工程師們開發出了一種能顯著降低當前晶圓技術成本的新技術。這項技術能夠利用比傳統硅材料性能更加優異、性質更加獨特的其它半導體材料來製備微電子元件。這項新技術發表在了國際頂級期刊《Nature》上。

首先，這些工程師們精心地設計了控制程序，將單層石墨烯放在昂貴的晶圓上；然後，他們在石墨烯上生長半導體材料。他們發現石墨烯足夠薄，薄到能夠通過石墨烯看到下層的晶圓，當複印底層晶圓上的圖形時，並不受中間層石墨烯的影響。

石墨烯相當「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體層從晶圓上剝離開來。

麻省理工學院機械工程與材料科學與工程系的教授Jeehwan Kim表示，在傳統的半導體製造過程中，一旦晶圓上的圖形被轉移到半導體材料上，由於兩者之間鍵合的非常強，所以要無損剝離這兩層幾乎是不可能的。

Kim說：「傳統的方法中，你不得不犧牲晶圓，這是不可避免的。這種新技術使用石墨烯作為中間層，使得晶圓上的圖形能夠被複制和粘貼，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奇特的半導體材料創造了機會。工業界一直堅持使用硅材料，雖然我們已經知道有性能更好的半導體材料，但是由於成本問題，我們還難以大規模地使用它們。這種新技術為我們選擇其它半導體材料提供了更大的機會，顯著降低了成本問題的限制。」

石墨烯轉移

自2004年首次發現石墨烯以來，研究人員就一直在研究其特殊的電學性能，希望能提高石墨烯電子器件的性能並顯著降低成本。石墨烯是一種非常優異的電導體材料，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於將石墨烯變成價格更便宜、性能更高的半導體材料。

Kim說：「大多數人們都認為我們可以利用石墨烯製造出真正快速的電子器件，但事實證明，製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，以產生0和1兩種不同的信號來實現計算功能。然而，要阻止石墨烯中的電子運動非常困難，這就是為什麼石墨烯是性能優異的導體、性能較差的半導體。

Kim的研究團隊將石墨烯用於半導體中。這一全新的方法在於研究人員開始關注石墨烯的機械性能，而不是其電學性質。

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，在垂直於層面的方向上，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生反應，這使得其表面非常光滑。」

該團隊的報告表明，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，晶圓上的圖形轉移到了半導體材料上。一旦轉移完成，這種半導體材料很容易與石墨烯表面分離，這就允許製造商能夠重新利用原來的晶圓。

該團隊發現，這種技術在複印同種半導體晶圓上圖形並實現剝離的過程中很成功，他們把這種技術稱為「遠程外延（remote epitaxy）」。這些研究人員已經成功地將他們的技術用於其它晶圓和其半導體材料，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，這種新技術使得製造商重複利用硅晶圓（或者性能更好的其他半導體材料晶圓）變成可能，從概念上，甚至可以使用無數次（當然有些誇張）。

哈佛大學物理系教授、石墨烯的先驅Philip Kim表示：「這是石墨烯的一個非常獨特的應用，該技術能夠很容易地集成到半導體的製造過程中，並可能給半導體異質結構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用。」

新穎半導體材料的未來

該團隊提出的基於石墨烯的剝離技術也可能推動柔性電子學領域的發展。通常，晶圓是剛性的、易碎的，這使得由它們製造的器件也不是柔性的。Kim現在表示，這項技術能夠製備彎曲和扭曲的LED和太陽能電池等器件。事實上，該團隊已經證明了製造柔性LED顯示屏是可能的，在MIT的徽標中，就使用了他們的技術。

Kim說：「假設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，你能將半導體塗敷在車上嗎？之前那是不可能的，因為這些半導體材料會粘附在晶圓上。現在，我們能夠將它們分離，彎曲，你就能夠在車上，甚至衣服上，利用它們做保行塗層。」

現在，該團隊計劃設計一個可重複使用的「母晶圓」，母晶圓的不同區域是由不同種高性能、奇異的半導體材料製成。使用石墨烯作為中間層，有希望製造出多功能、高性能的器件。他們也正在研究混合匹配多種半導體材料，堆疊它們形成多材料結構。

Kim說：「目前，有幾種半導體材料非常受歡迎，但你不得不考慮其晶圓成本。我們給你一台這種複印機，你就能夠生長你自己的半導體器件，然後剝離它們，並可以重新使用該晶圓。這是多麼了不起的事啊！」

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