麻省理工研發(fā)出半導(dǎo)體薄膜制作新方法

麻省理工的工程師們開(kāi)發(fā)出一種新的技術(shù)，這種技術(shù)除了硅以外還可以使用其他一系列特殊材料制成超薄半導(dǎo)體薄膜。為了展示他們的技術(shù)，研究人員使用砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰制成了多種柔性薄膜，這些薄膜材料表現(xiàn)出比硅更好的性能。不過(guò)，截至目前，這種材料用于功能器件的成本還是過(guò)高。

麻省理工學(xué)院的研究人員借助二維材料研發(fā)出一種在GaN襯底上生長(zhǎng)單晶GaN薄膜的方法。這種單晶GaN薄膜隨后借助一種柔性基板剝離出來(lái)，如上圖示，這種單晶GaN薄膜因?yàn)楸∧じ缮骘@示出彩虹色。該技術(shù)將為柔性電子設(shè)備和晶圓的再利用鋪平道路

今天絕大多數(shù)計(jì)算設(shè)備都是由硅制成的，硅是地球上含量第二豐富的元素，僅次于氧。硅可以在巖石、粘土、沙子和土壤中以各種形式存在。雖然它不是地球上現(xiàn)存最好的半導(dǎo)體材料，不過(guò)一定是目前最容易獲取的半導(dǎo)體材料。因此，硅是大多數(shù)電子設(shè)備中使用的主要材料，包括傳感器、太陽(yáng)能電池以及我們的計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)中的集成電路。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們開(kāi)發(fā)出一種新的技術(shù)，這種技術(shù)除了硅以外還可以使用其他一系列特殊材料制成超薄半導(dǎo)體薄膜。為了展示他們的技術(shù)，研究人員使用砷化鎵，氮化鎵和氟化鋰材料制成了多種柔性薄膜，這些薄膜材料表現(xiàn)出比硅更好的性能。不過(guò)截至目前，這種材料用于功能器件的成本還是過(guò)高。

研究人員表示，這項(xiàng)新技術(shù)為制造基于半導(dǎo)體元件的柔性電子元件提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，這種方法制成的半導(dǎo)體器件表現(xiàn)出比目前的硅基器件更好的性能。

“我們研發(fā)出一種新的方法，可以使用除硅之外其他許多不同的材料來(lái)制造柔性電子產(chǎn)品，”機(jī)械工程與材料科學(xué)與工程系的職業(yè)發(fā)展副教授Jeehwan Kim說(shuō)。Kim認(rèn)為該技術(shù)可用于制造低成本，高性能的設(shè)備，如柔性太陽(yáng)能電池，可穿戴計(jì)算機(jī)和傳感器。

Nature Materials今天報(bào)道了這項(xiàng)新技術(shù)的具體細(xì)節(jié)。除了Kim之外，論文的合著者包括麻省理工學(xué)院的魏孔、李華山、寬橋、金云英、李克善、李若麟、湯姆奧薩奇、理查德莫爾納、楊瑜、桑頌裴、楊少鶴、Jeffrey Grossman，以及中山大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室，俄亥俄州立大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的一些研究人員。

2017年，Kim和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了一種方法，使用石墨烯來(lái)生產(chǎn)現(xiàn)有高成本半導(dǎo)體材料的“復(fù)制品”- 石墨烯是一種原子級(jí)薄的碳原子，排列成六邊形的雞絲圖案。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯堆疊在純凈，昂貴的半導(dǎo)體材料晶圓（如砷化鎵）上時(shí)，疊層上鎵和砷的流態(tài)原子（Flowed Atoms）發(fā)生“流動(dòng)”，這些原子似乎以某種方式與下面的原子層相互作用，就像中間石墨烯是透明的。結(jié)果，這些原子在下面的半導(dǎo)體晶片上精確地組裝成一種單晶圖案，好像形成一種精確的“復(fù)制品”，這種“復(fù)制品”可以很容易地從石墨烯層剝離。

研究人員稱之為“遠(yuǎn)程外延”（Remote Epitaxy）技術(shù)技術(shù)，它提供了一種更為經(jīng)濟(jì)的制造多層砷化鎵薄膜的方法——在整個(gè)這個(gè)技術(shù)中僅使用了一片昂貴的底層晶圓。

在他們第一次報(bào)道這些研究成果后不久，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步想確認(rèn)他們的技術(shù)是否可用于復(fù)制其他的半導(dǎo)體材料。他們?cè)噲D將“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)應(yīng)用到硅和鍺這兩種廉價(jià)的半導(dǎo)體材料上，但是結(jié)果并不如預(yù)期，這些原子“流過(guò)”石墨烯時(shí)無(wú)法與它們各自的下層相互作用。就像以前透明的石墨烯突然變得不透明一樣，石墨烯層阻止了硅和鍺原子和另一側(cè)原子的作用。

實(shí)際上，硅和鍺是存在于元素周期表同一組內(nèi)的兩個(gè)元素。具體而言，這兩個(gè)元素屬于第四組，這一組都是一類(lèi)離子呈中性的材料，它們沒(méi)有極性。

“這給了我們一個(gè)暗示”，Kim說(shuō)。

也許，該團(tuán)隊(duì)推斷，只有帶有一些離子電荷的原子才能通過(guò)石墨烯實(shí)現(xiàn)相互作用。例如，在砷化鎵的情況下，與砷的正電荷不同，鎵在界面處具有負(fù)電荷。這種電荷差異或極性可能有助于原子通過(guò)石墨烯相互作用，就像它是透明的一樣，最終“復(fù)制”出半導(dǎo)體材料原子的圖案。

“我們發(fā)現(xiàn)隔著石墨烯實(shí)現(xiàn)原子間的相互作用取決于原子的極性。對(duì)于具有最強(qiáng)的離子鍵合能的材料，它們甚至可以隔著三層石墨烯材料實(shí)現(xiàn)相互作用，”Kim說(shuō)，“這類(lèi)似于兩塊磁鐵相互吸引，即使中間隔著一張薄紙?！?/p>

研究人員通過(guò)使用“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)“復(fù)制”具有不同極性的半導(dǎo)體材料（從中性硅和鍺到輕微極化的砷化鎵，最后是高度極化的氟化鋰，氟化鋰一種比硅更好，更昂貴的半導(dǎo)體）來(lái)驗(yàn)證他們的假設(shè)。

他們發(fā)現(xiàn)，極性程度越大，原子相互作用越強(qiáng)，在某些情況下，材料甚至可以隔著多片石墨烯實(shí)現(xiàn)“復(fù)制”。他們能夠生產(chǎn)的各種薄膜都具有很好的柔韌性，而且厚度只有幾十到幾百納米。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，原子實(shí)現(xiàn)相互作用所使用的隔離物質(zhì)也很重要。除了石墨烯之外，他們還嘗試使用了六角形的氮化硼（h-BN）充作隔離物質(zhì)，這種材料的原子圖案類(lèi)似于石墨烯，性質(zhì)和特氟隆類(lèi)似，從而使得覆蓋材料在“復(fù)制”后可以輕松剝離。

然而，h-BN由帶相反電荷的硼和氮原子組成，材料本身就具有極性。在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，流過(guò)h-BN的任何原子，即使它們本身都是高度極化的，也不能完全與它們下面的晶片原子相互作用，這表明原始半導(dǎo)體原子和隔離材料的極性一起決定，原子是否能通過(guò)相互作用形成原始半導(dǎo)體晶片的“復(fù)制品”。

“現(xiàn)在，我們真正理解了原子隔著石墨烯相互作用的規(guī)則，”Kim說(shuō)。

他說(shuō)，基于這種規(guī)則的理解，研究人員現(xiàn)在可以簡(jiǎn)單地通過(guò)查看元素周期表來(lái)選擇兩個(gè)可以實(shí)現(xiàn)上述相互作用的元素。一旦他們獲得或制造出由相同元件制成的主晶圓，他們就可以應(yīng)用這種“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)來(lái)精確制作原始晶圓的多個(gè)副本。

“大多數(shù)人們選擇使用硅片，因?yàn)樗鼈兒鼙阋?，”Kim說(shuō)?！艾F(xiàn)在，我們開(kāi)辟了一種使用性能更高的非硅材料的方法。你可以購(gòu)買(mǎi)一個(gè)昂貴的晶圓，然后使用該晶圓進(jìn)行一遍又一遍的復(fù)制。另外，截至目前，這種技術(shù)所適用的材料庫(kù)又有了更大的擴(kuò)展?！?/p>

Kim現(xiàn)在設(shè)想，“遠(yuǎn)程外延”技術(shù)可以用來(lái)制造各種基于其他特殊半導(dǎo)體材料的超薄柔性薄膜，只要這些材料是由具有一定極性的原子制成的。這種超薄薄膜可以一層一層地堆疊在一起，最后制作出具有高度柔韌性的多功能設(shè)備，比如可穿戴傳感器，柔性太陽(yáng)能電池，甚至在遙遠(yuǎn)的未來(lái)可能制作出的“連接到皮膚上的手機(jī)”。

“在智能城市，我們可能希望在任何地方安置小型計(jì)算機(jī)，我們需要由更好的材料制成得低功耗，高靈敏度的計(jì)算和傳感設(shè)備，”Kim說(shuō)，“這項(xiàng)研究為這些設(shè)備開(kāi)辟了道路?！?/p>

這項(xiàng)研究部分得到了國(guó)防高等研究計(jì)劃署，能源部、空軍研究實(shí)驗(yàn)室、LG電子、愛(ài)茉莉太平洋集團(tuán)，LAM研究所（泛林半導(dǎo)體）和ADI公司的支持。