Grafen kopimaskine kan producere billige halvlederwafere

I 2016 det årlige globale halvledersalg nåede det højeste nogensinde, på 339 milliarder dollar på verdensplan. I samme år, halvlederindustrien brugte omkring 7,2 milliarder dollars på verdensplan på wafere, der tjener som substrater for mikroelektronikkomponenter, som kan omdannes til transistorer, lysemitterende dioder, og andre elektroniske og fotoniske enheder.

En ny teknik udviklet af MIT -ingeniører kan reducere de samlede omkostninger ved wafer -teknologi betydeligt og muliggøre enheder fremstillet af mere eksotiske, højtydende halvledermaterialer end konventionelt silicium.

Den nye metode, rapporteret i dag i Natur , bruger grafen - enkeltatom-tynde plader af grafit - som en slags "kopimaskine" til at overføre indviklede krystallinske mønstre fra en underliggende halvlederwafer til et øverste lag af identisk materiale.

Ingeniørerne udarbejdede omhyggeligt kontrollerede procedurer til at placere enkelte ark grafen på en dyr wafer. De dyrkede derefter halvledende materiale over grafenlaget. De fandt ud af, at grafen er tyndt nok til at virke elektrisk usynligt, lader det øverste lag se gennem grafenet til den underliggende krystallinske wafer, præge sine mønstre uden at blive påvirket af grafen.

Grafen er også ret "glat" og har ikke en tendens til at klæbe til andre materialer nemt, gør det muligt for ingeniørerne blot at pille det øverste halvledende lag fra waferen, efter dets strukturer er blevet påtrykt.

Jeehwan Kim, klassen i 1947 Karriereudviklingsadjunkt i afdelingerne for maskinteknik og materialevidenskab og teknik, siger, at i konventionel halvlederfremstilling, oblaten, når dets krystallinske mønster er overført, er så stærkt bundet til halvlederen, at det næsten er umuligt at adskille uden at beskadige begge lag.

"Du ender med at skulle ofre waferen - den bliver en del af enheden, " siger Kim.

Med gruppens nye teknik, Kim siger, at producenter nu kan bruge grafen som et mellemlag, giver dem mulighed for at kopiere og indsætte waferen, adskille en kopieret film fra waferen, og genbrug waferen mange gange. Ud over at spare på omkostningerne til wafers, Kim siger, at dette åbner muligheder for at udforske mere eksotiske halvledermaterialer.

"Industrien har siddet fast på silicium, og selvom vi har kendt til bedre ydende halvledere, vi har ikke været i stand til at bruge dem, på grund af deres omkostninger, "Siger Kim." Dette giver industrien frihed til at vælge halvledermaterialer efter ydeevne og ikke omkostninger. "

Kims forskerhold opdagede denne nye teknik på MIT's Research Laboratory of Electronics. Kims MIT-medforfattere er førsteforfatter og kandidatstuderende Yunjo Kim; kandidatstuderende Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi sang, og Kuan Qiao; postdocs Kyusang Lee, Shinhyun Choi, og Wei Kong; gæsteforsker Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA professor i materialevidenskab og teknik Eugene Fitzgerald; professor i elektroteknik og datalogi Jing Kong; og assisterende professor i maskinteknik Alexie Kolpak; sammen med Jared Johnson og Jinwoo Hwang fra Ohio State University, og Ibraheem Almansouri fra Masdar Institute of Science and Technology.

Grafen skift

Siden grafens opdagelse i 2004, forskere har undersøgt dets usædvanlige elektriske egenskaber i håb om at forbedre ydelsen og omkostningerne ved elektroniske enheder. Grafen er en ekstremt god leder af elektricitet, som elektroner strømmer gennem grafen med stort set ingen friktion. Forskere, derfor, har været opsat på at finde måder at tilpasse grafen som en billig, højtydende halvledende materiale.

"Folk var så håbefulde, at vi kunne lave virkelig hurtige elektroniske enheder af grafen, " siger Kim. "Men det viser sig, at det er virkelig svært at lave en god grafentransistor."

For at en transistor skal fungere, det skal være i stand til at tænde og slukke en strøm af elektroner, at generere et mønster af enere og nuller, instruere en enhed om, hvordan man udfører et sæt beregninger. Som det sker, det er meget svært at stoppe elektronstrømmen gennem grafen, hvilket gør den til en fremragende leder, men en dårlig halvleder.

Kims gruppe tog en helt ny tilgang til at bruge grafen i halvledere. I stedet for at fokusere på grafens elektriske egenskaber, forskerne så på materialets mekaniske egenskaber.

"Vi har haft en stærk tro på grafen, fordi det er en meget robust, ultra tynd, materiale og danner meget stærk kovalent binding mellem dets atomer i vandret retning, " siger Kim. "Interessant nok, den har meget svage Van der Waals kræfter, hvilket betyder, at den ikke reagerer med noget lodret, hvilket gør grafens overflade meget glat."

Kopier og skræl

Holdet rapporterer nu, at grafen, med sin ultratynde, Teflon-lignende egenskaber, kan klemmes mellem en wafer og dens halvledende lag, giver en knap mærkbar, nonstick overflade, hvorigennem det halvledende materiales atomer stadig kan omarrangere i mønsteret af waferens krystaller. Materialet, en gang påtrykt, kan simpelthen skrælles af grafenoverfladen, giver producenter mulighed for at genbruge den originale wafer.

Holdet fandt ud af, at dets teknik, som de kalder "fjern epitaksi, " havde succes med at kopiere og skrælle lag af halvledere af fra de samme halvlederwafere. Forskerne havde succes med at anvende deres teknik på eksotiske wafer og halvledende materialer, inklusive indiumphosphid, gallium arsenenid, og galliumphosphid - materialer, der er 50 til 100 gange dyrere end silicium.

Kim siger, at denne nye teknik gør det muligt for producenter at genbruge wafers - af silicium og mere effektive materialer - "konceptuelt, ad infinitum. "

En eksotisk fremtid

Gruppens grafen-baserede peel-off-teknik kan også fremme feltet af fleksibel elektronik. Generelt, wafers er meget stive, gør de enheder, de er sammensmeltet til, tilsvarende ufleksible. Kim siger nu, halvlederanordninger som lysdioder og solceller kan fås til at bøje og vride. Faktisk, gruppen demonstrerede denne mulighed ved at fremstille et fleksibelt LED-display, mønstret i MIT-logoet, ved hjælp af deres teknik.

"Lad os sige, at du vil installere solceller på din bil, som ikke er helt flad - kroppen har kurver, " siger Kim. "Kan du belægge din halvleder oven på den? Det er umuligt nu, fordi den klæber til den tykke oblat. Nu, vi kan skrælle af, bøje, og du kan lave konform belægning på biler, og endda tøj."

Fremadrettet, forskerne planlægger at designe en genanvendelig "moderwafer" med områder lavet af forskellige eksotiske materialer. Brug af grafen som mellemmand, de håber at skabe multifunktionelle, højtydende enheder. De undersøger også blanding og matchning af forskellige halvledere og stable dem op som en multimaterialestruktur.

"Nu, eksotiske materialer kan være populære at bruge, "Siger Kim." Du behøver ikke bekymre dig om prisen på waferen. Lad os give dig kopimaskinen. Du kan dyrke din halvlederenhed, skræl det af, og genbrug waferen."