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光學工程
Nature封面:石墨烯“復印機”,半導體膜制備新玩法

以硅為代表的傳統半導體材料是如今幾乎所有電子器件、光子器件的基礎,據估計,2016年全球半導體市場年銷售額高達3390億美元。為了提高性能并降低成本,各大芯片廠商的制造工藝都正在從14 nm向10 nm、7 nm工藝進軍,這是因為晶體管的最小尺寸越小,單位面積的芯片就能包括更多晶體管,芯片性能就越高且價格就越便宜。不過,這種工藝的進步正在逼近硅基晶體管的物理極限,使得硅基晶體管的發展前景顯得十分黯淡。在學術領域,科學家們試圖找出能替代硅的半導體材料,比如III-V族元素化合物砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)和磷化鎵(GaP)等。與硅材料相比,它們具有低能耗、體積小、電子遷移率高,放大效率佳、高頻段線性等優勢,但到目前這些新貴半導體材料還沒有搶奪下硅基芯片的市場。那么制約其發展的最大問題是什么呢?價格!

近日,Nature 雜志以封面文章的形式,報道了美國麻省理工學院(MIT)Jeehwan Kim教授等人發明的一種全新技術,有希望大幅降低高質量半導體薄膜生產的成本。他們在GaAs(001)襯底上轉移一層石墨烯,然后通過常規的外延法,在石墨烯層上方生長一層與襯底晶格結構完全一致的GaAs(001)層。而且,得到的外延層可以很容易地從石墨烯層上剝離并用于發光器件中,而單層石墨烯覆蓋的GaAs襯底可以重復使用。這一方法,研究人員稱之為“遠程外延”(remote epitaxy),對InP和GaP等半導體材料同樣適用。簡單來說,就好像是“復印機”一樣,利用單層石墨烯覆蓋的襯底,反復制備單晶半導體薄膜,從而大大降低生產成本。

石墨烯“復印機”Nature 封面(左)以及工作原理(右)。圖片來源:Nature

“業界一直使用單晶硅片,盡管有更多的性能更好的半導體材料問世,比如InP、GaAs和GaP等,但與硅材料相比成本高昂,注定無法大規模商業化”,Jeehwan Kim表示,“這項技術的誕生,使得我們可以根據性能來選擇半導體材料,無需再受成本的制約。”

Jeehwan Kim教授(坐)和本文三位并列一作(從左到右):Kyusang Lee博士、Samuel Cruz和Yunjo Kim。圖片來源:MIT

我們來一起看看選用石墨烯夾層的優點。首先石墨烯能與下方的GaAs襯底結合,其較弱的范德華勢又恰恰允許襯底和外延層間的相互作用。因此,僅使用常規的金屬有機氣相外延法,就能實現GaAs、InP和GaP單晶的同質外延生長,單晶取向一致,無扭轉角。在一個有趣的實驗中,當夾層從單層石墨烯(厚度小于9埃)變成2層或4層時,同樣的條件只能生長出不平滑且無序的多晶,這說明較厚的石墨烯夾層隔斷了基底對于外延層生長的導向作用。

單層石墨烯襯底上生長GaAs(001)表征測試。圖片來源:Nature

其次,制備所得的外延層可以很容易完整地從基底上剝離下來,使得這一制備過程可以不斷地重復,單層石墨烯覆蓋的襯底在其中起到了類似“母版”的作用,大大的降低了制備成本。“人們非常希望能用石墨烯制造出高性能的電子設備,但事實證明,制作一個好的石墨烯晶體管真的很難。”Jeehwan Kim說。他們利用了石墨烯的機械特性而非其電性能來輔助半導體薄膜的生長,算得上是另辟蹊徑。而且,這一方法對于InP和GaP等半導體材料同樣適用。

III-V族元素化合物(001)的遠程外延生長。圖片來源:Nature

為了證明實用前景,研究者演示了在單層石墨烯覆蓋的GaAs(001)襯底上生長的發光二極管(LEDs)及其剝離后的發光情況。結果表明,晶體生長良好,在石墨烯表面通過外延生長制備的晶體和直接在GaAs基底上制備幾乎沒有任何區別。而且,這種器件厚度很小,可以彎曲,完全適用于柔性電子器件。

“遠程外延”法制備的LED。圖片來源:MIT

“我們仿佛做了一臺‘復印機’,讓人們可以反復的生長半導體晶圓(wafer),剝離,再生長,再剝離。”Jeehwan Kim如是說。

不過,這種技術的商業化之路上也存在不少障礙。首先,盡管目前能實現小面積的高質量半導體薄膜制備,較大面積的高質量半導體薄膜生長仍然是個挑戰;其次,石墨烯夾層如果有任何結構缺陷,基底和外延層在剝離時都會遭到破壞;還有,目前的單層石墨烯需要先制備好,然后再轉移到基底上,而最理想的方法是在基底上直接形成單層石墨烯,這樣有利于簡化方法并提高外延層的面積和質量。

總而言之,Jeehwan Kim教授等人的工作將二維材料的實用化又向前推進了一大步,或許這些明星材料距離我們的生活真的不會太遠了。


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