使用石墨烯作为“复印机”来生产便宜的半导体晶片

据麻省理工学院报道，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，可以转化为晶体管，发光二极管和其他电子和光子器件。

麻省理工学院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，并使得由比传统硅片性能更好的半导体材料制成的器件。

新方法使用石墨烯 - 单原子薄的石墨作为一种“复印机”，将复杂的晶体图案从下面的半导体晶片转移到相同材料的顶层。

工程师们制定了精心控制的程序，将单片石墨烯放在昂贵的晶圆上。然后，他们在石墨烯层上生长半导体材料。他们发现石墨烯足够薄以使其看起来不可见，允许顶层通过石墨烯看到底层的晶体晶片，不受石墨烯的影响而印刷其图案。

石墨烯也相当“滑”，不容易粘附到其他材料上，使得工程师能够在其结构被印刷之后从晶片上简单地剥离顶部半导体层。

麻省理工机械工程与材料科学与工程系教授Jeehwan Kim表示，在传统的半导体制造中，晶片一旦转移晶体结构就如此牢固地结合到半导体上几乎不可能分开而不损坏两层。

“你最终不得不牺牲晶片 - 它成为设备的一部分，”Kim说。  

Kim表示，采用该技术的新技术，制造商现在可以使用石墨烯作为中间层，允许它们复制和粘贴晶片，将复制的膜与晶片分开，并重复利用晶圆。Kim表示，除了节省晶圆的成本外，还为探索更多异国情调的半导体材料创造了机会。

Kim表示：“业界一直坚持硅片，尽管我们了解更好的半导体产品，但由于其成本，我们无法使用它们。“这使行业能够通过性能选择半导体材料而不是成本。

Kim的研究团队在麻省理工学院电子研究实验室发现了这种新技术。

金氏麻省理工学院的合着者是第一作者和研究生Yunjo Kim; 研究生Samuel Cruz，Babatunde Alawonde，Chris Heidelberger，Yi Song和Kuan Qiao; 博士后李秀莲，蔡新秀，魏晋; 访问研究学者蔡选i;Merton C. Flemings-SMA材料科学与工程教授Eugene Fitzgerald; 电气工程与计算机科学教授Jing Kong; 机械工程助理教授Alexie Kolpak; 以及俄亥俄州立大学的Jared Johnson和Jinwoo Hwang，以及Masdar科学与技术研究所的Ibraheem Almansouri。

石墨烯转移

自2004年石墨烯发现以来，研究人员一直在研究其卓越的电气性能，希望提高电子设备的性能和成本。石墨烯是一种非常好的电导体，因为电子几乎没有摩擦地流过石墨烯。因此，研究人员一直致力于寻找使石墨烯作为便宜的高性能半导体材料的方法。

“人们非常希望我们可以从石墨烯制造真正快速的电子设备，”Kim说。“但事实证明，制造好的石墨烯晶体管真的很难。”

为了使晶体管工作，它必须能够打开和关闭电子流，以产生1和0的图案，指示设备如何执行一组计算。就这样，很难阻止电子通过石墨烯的流动，使其成为优良的导体，但是半导体是差的。

Kim的小组采用了一种全新的在半导体中使用石墨烯的方法。研究人员不再专注于石墨烯的电气特性，而是研究了材料的机械特性。

Kim说：“我们对石墨烯有强烈的信念，因为它是一种非常强大的超薄材料，并且在水平方向上在原子之间形成非常强的共价键。“有趣的是，它具有非常弱的范德华力量，这意味着它不会与任何垂直的反应，这使得石墨烯的表面很滑。

该团队现在报告说，具有超薄铁氟龙特性的石墨烯可以夹在晶片和半导体层之间，提供了一个几乎不可察觉的不粘的表面，半导体材料的原子仍然可以以晶片晶体的图案重新排列。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。

该团队发现，它的术语“远程外延”的技术在同一半导体晶圆上复制和剥离半导体层的成功。研究人员将其技术应用于外来晶圆和半导体材料方面取得了成功，包括磷化铟，砷化镓和磷化镓 - 材料比硅成本高出50到100倍。

Kim表示，这种新技术使制造商有可能重新利用硅片和更高性能的材料 - “从概念上讲，无穷无尽。

“这是石墨烯的一个非常独特的应用，”石墨烯研究的先驱，哈佛大学物理学教授Philip Kim说，他没有参与研究。“该技术可以很容易地集成到半导体制造工艺中，并且可能彻底改变半导体异质结构的薄膜生长，从而形成新颖的电子和光学器件应用。

一个充满梦想的未来

该组的石墨烯剥离技术也可能推动柔性电子领域。通常，晶片是非常刚性的，使得它们被融合的装置类似地不灵活。Kim现在说，LED和太阳能电池等半导体器件可以进行弯曲和扭曲。事实上，该组织通过使用他们的技术制造在MIT徽标上图案化的柔性LED显示屏展示了这种可能性。

“假设你想在你的车上安装太阳能电池，这不是完全平坦的 - 身体有曲线，”金说。“你可以在半导体上涂上它吗？现在是不可能的，因为它粘在厚晶圆上。现在，我们可以剥离，弯曲，你可以在汽车，甚至服装上做保形涂层。“

展望未来，研究人员计划设计一个可重复使用的“母晶片”，其区域由不同的外来材料制成。以石墨烯为中介，希望能创造出多功能，高性能的设备。他们还在调查混合和匹配各种半导体并将其堆叠为多材料结构。  

“现在，异国情调的材料可以很受欢迎，”Kim说。“你不必担心晶圆的成本。让我们给你复印机。您可以增长半导体器件，将其剥离，并重新使用晶圆。“

这项研究部分得到MI / MIT合作项目与LG电子研发中心的一对一联合研究项目的支持。