Nature子刊:利用不含硅的特殊材料制成超薄半导体薄膜

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2018-10-17 22:19:17

2018年10月12日 08:55:16中国塑料机械网人气:989   【中国塑料机械网 技术学堂】当今利用的大多数盘算设备都是由硅制成的。  众所周知,硅没关系在岩石、粘土、沙子和土壤中以各种形式存在,是地球上第二大含氧元素,仅次于氧气。自然硅不是地球上最佳的半导体材料,但它是目前最容易赢得的材料。因此,大多数电子设备中硅是惨重材料,包蕴传感器,太阳能电池以及盘算机和智能手机中的集成电路。

  近日,麻省理工学院的研究团队开发出了一种新技术,选择不含硅的一系列特殊材料制成的超薄半导体薄膜。

    研究人员应用砷化镓、氮化镓和氟化锂制成了柔性薄膜,这些材料示意出比硅更好的性能,只是,到目前为止这些材料在功能器件的应用中生产成本过高。研究人员示意,该项新技术为制造由半导体元件组合制成的柔性电子元件供给了一种经济有效的方法,并且没关系比目前的硅基器件具有更佳的性能。Jeehwan Kim副教授示意:我们已经斥地了一种方法,没关系用除硅之外的材料制造柔性电子产品。

     Kim感到该技术可用于制造低成本、高性能的设备,如柔性太阳能电池、可穿着盘算机和传感器。  该研究成果目前已宣布在Nature Materials杂志上。  在2017年,Kim和他的同事设计了一种方法,应用石墨烯生产腾贵的半导体材料的复制品。石墨烯是一种原子级薄的碳原子,胪列成六边形结构。他们发现,当石墨烯堆叠在半导体材料晶圆(如砷化镓)上时,镓和砷的原子始末堆叠层,原子如同以某种方式与下面的原子层相互作用,就像中间石墨烯是透明的。

    结果,原子胪列成下面的半导体晶片的单晶图案,形成切确的复制品,然后没关系容易地从石墨烯层上剥离。  他们将该技术称之为远程外延,仅应用一个底层晶圆来制造砷化镓薄膜,从而供给了一种经济实惠的方法。  该团队宣布了他们的第一批结果后不久,又忖量他们的技术是否可用于复制其他半导体材料。他们尝试将远程外延应用于硅与锗两种低贱的半导体,但发现当将这些原子流过石墨烯时,它们无法与它们各自的基层相互作用。

    就像畴前透明的石墨烯猝然变得不透明一样,避免硅和锗原子看到另一侧的原子。  实际上,硅和锗在元素周期表中属于同一组内的两个元素。全体而言,这两个元素属于第四组,是一类离子中性的材料,没有极性。  Kim指出:这给了我们一个暗意。  该团队推断,倘使原子只有一些离子电荷,它们只能始末石墨烯相互作用。歧,砷化镓与砷的正电荷相比,镓在界面处具有负电荷。

    这种电荷差异或极性没关系有助于原子始末石墨烯相互作用,就像它是透明的一样,并复制下面的原子图案。Kim示意:我们发现始末石墨烯的相互作用取决于原子的极性。周旋最强的离子键合材料,它们甚至没关系始末三层石墨烯相互作用。这逵诹娇榇盘吸引的方式,纵使是始末一张薄纸。  异性相吸  研究人员始末远程外延复制具有差异极性的半导体材料(从中性硅和锗到轻微极化的砷化镓,最后是高度极化的氟化锂)来剖明他们的假设。

    他们发现,极性越强,原子相互作用越强,甚至在某些情况下,没关系始末多片石墨烯。赢得的每种薄膜都是柔韧的,只有几十到几百纳米厚。  其余,研究团队发现,原子相互作用的物质也很危急。除了石墨烯之外,他们还试验了六角形氮化硼(hBN)中间层,这种材料逵谑墨烯的原子图案,使得围困材料在复制后没关系轻松剥离。  可是,hBN由带相反电荷的硼和氮原子制成,其材料本身会产生极性。

    实验中,研究人员发现,流过hBN的任何原子,纵使它们本身都是高度极化的,也不克不足合座与它们下面的晶片相互作用,这剖明原子和中间材料的极性裁夺了原子是否将相互作用并形成原始半导体晶片的复制结构。  Kim称:现在我们真正明白了始末石墨烯存在原子相互作用的原理。  他说,应用该新的解释,研究人员现在没关系简单地始末周期表选择两个相反电荷的元素。

    一旦他们赢得由无别元件制成的晶圆,他们就没关系应用远程外延技术来制作原始晶圆的多个切确复制结构。

    Kim示意:目前大多数技术在利用硅片,因为它们很低贱。现在我们的方法斥地了一种利用性能更高的非硅材料的方法。您没关系购置一个晶圆一遍又一在在复制,并没关系陆续重复利用晶圆。Kim设想远程外延现在没关系用来制造各种半导体材料制成的超薄柔性薄膜,只要这些材料是由具有肯定极性的原子制成的。  这种超薄薄膜没关系堆叠在一起,以生产微小,明达的多功能设备,如可穿着传感器、柔性太阳能电池,甚至未来的持续皮肤的手机。

    Kim示意:我们希望小型盘算机没关系普遍化,这需要由更好的材料制成低功耗,高灵敏度的盘算和传感设备,而这项研究为这些设备斥地了道路。  该研究还赢得了国防高档研究计划局、能源部、空军研究实验室、LG电子、爱茉莉太平洋、LAM研究和ADI公司的支持。