石墨烯半导体“复印机”或可能降低未来的晶圆制造成本

前些日子,麻省理工学院工程师开发了一种新技术可能大大降低晶圆制造的总体成本,并且能制造比传统硅材料性能更高的半导体材料器件。

这种新方法的基本过程是使用石墨烯作为一种“半导体复印机”,再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。这种工艺可用于设计未来的新二维半导体材料晶圆,例如二硒化钨,二硒化钼、黑磷等,如果这些新材料未来会被应用于芯片制造的话。

工程师制定了精心控制的程序,将单张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致看起来不可见,然后顶层的材料透过石墨烯看到下面的晶体晶片,印记其图案而不受石墨烯的影响。

石墨烯也相当“滑”,并且不容易粘附到其他材料上,使得工程师可以在其结构被印刻后从晶片上简单地剥离顶部半导体层。

在传统的半导体制造中,一旦晶圆被转移,晶圆与半导体的结合力非常强几乎不可能在不破坏两层的情况下分离。但通过新技术,制造商现在可以使用石墨烯作为中间层,允许他们复制和粘贴晶圆,从晶圆上分离复制的薄膜,并重复使用晶圆多次。这样除了节省晶圆成本之外,这也为探索和研究更多具有潜力的半导体材料提供了机会。

至今,半导体行业一直停留在硅片上,尽管我们已经找到了性能更好的半导体材料,例如硒化钨、但由于成本的原因,我们还没有能够完全开发它们,能实现商业化的半导体不仅是性能,还有成本。

在石墨烯被发现之初,人们希望可以用石墨烯制造出非常快速的电子器件,但事实证明,理想和现实永远有差距,石墨烯虽然具有超强的导电性,但却是零带隙材料,阻止电子流过石墨烯非常困难,这使得它成为一种优秀的导体,但却是一种不好的半导体。因为要想使晶体管工作,它必须能够打开和关闭电子的流动,以产生一个1和0的模式,指示设备如何执行一组计算。

因此,研究人员没有专注于石墨烯的电性能,而是研究了这种材料的机械特性。因为它是一种非常强大的超薄材料,在水平方向上原子之间形成非常强的共价键,它的范德华力非常弱,这意味着它不会与任何垂直方向发生反应,这使得石墨烯表面非常光滑。

所以美国科学家认为,具有超薄特氟隆特性的石墨烯可以夹在晶片和半导体层之间,提供几乎不可察觉的不粘表面,通过该表面,新型半导体材料的原子可以在晶片的晶体图案中重新排列。材料一旦被印刷,就可以简单地从石墨烯表面剥离,使制造商能够重新使用原始的晶圆。

研究人员已成功地将他们的技术应用于未来具有潜力的晶圆和半导体材料,包括硒化钨、硫化钨、磷化铟,总之,这项新技术使得制造商可以应用于硅片和任何性能更高的材料。

虽然,石墨烯本身很难作为半导体材料,但是却可以将它应用到新半导体的制造工艺中,这项技术可能彻底改变半导体异质结构的薄膜生长,形成新颖的电子和光学器件应用。”展望未来,研究人员计划设计一个可重复使用的“母晶片”,创造出多功能,高性能的设备。以石墨烯作为媒介,不必担心晶圆的成本,就相当于一台复印机,可以复印任何的半导体器件,然后剥离它,再重新使用晶圆。

 

 

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