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​特殊材料制成超薄半导体薄膜之中不在需要硅

2018-10-11 15:43:48     来源:科普新闻网

当今使用的大多数计算设备都是由硅制成的。众所周知,硅可以在岩石、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。虽然硅不是地球上最佳的半导体材料,但它是目前最容易获得的材料。因此,大多数电子设备中硅是主要材料,包括传感器,太阳能电池以及计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,采用不含硅的一系列特殊材料制成的超薄半导体薄膜。研究人员利用砷化镓、氮化镓和氟化锂制成了柔性薄膜,这些材料表现出比硅更好的性能,但是,到目前为止这些材料在功能器件的应用中生产成本过高。


研究人员表示,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提供了一种经济有效的方法,并且可以比目前的硅基器件具有更佳的性能。


Jeehwan Kim副教授表示:“我们已经开辟了一种方法,可以用除硅之外的材料制造柔性电子产品。Kim认为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、可穿戴计算机和传感器。”


该研究成果目前已发表在Nature Materials杂志上。


在2017年,Kim和他的同事设计了一种方法,利用石墨烯生产昂贵的半导体材料的“复制品”。石墨烯是一种原子级薄的碳原子,排列成六边形结构。他们发现,当石墨烯堆叠在半导体材料晶圆(如砷化镓)上时,镓和砷的原子通过堆叠层,原子似乎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,原子排列成下面的半导体晶片的单晶图案,形成精确的复制品,然后可以容易地从石墨烯层上剥离。

​特殊材料制成超薄半导体薄膜之中不在需要硅

他们将该技术称之为“远程外延”,仅利用一个底层晶圆来制造砷化镓薄膜,从而提供了一种经济实惠的方法。


该团队发表了他们的第一批结果后不久,又思考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廉价的半导体,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下层相互作用。就像以前透明的石墨烯突然变得不透明一样,阻止硅和锗原子“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。具体而言,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:“这给了我们一个暗示。”


该团队推断,如果原子只有一些离子电荷,它们只能通过石墨烯相互作用。例如,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可能有助于原子通过石墨烯相互作用,就像它是透明的一样,并复制下面的原子图案。


Kim表示:“我们发现通过石墨烯的相互作用取决于原子的极性。对于最强的离子键合材料,它们甚至可以通过三层石墨烯相互作用。这类似于两块磁铁吸引的方式,即使是通过一张薄纸。”


异性相吸


研究人员通过远程外延复制具有不同极性的半导体材料(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)来证明他们的假设。


他们发现,极性越强,原子相互作用越强,甚至在某些情况下,能够通过多片石墨烯。获得的每种薄膜都是柔韧的,只有几十到几百纳米厚。


此外,研究团队发现,原子相互作用的物质也很重要。除了石墨烯之外,他们还试验了六角形氮化硼(hBN)中间层,这种材料类似于石墨烯的原子图案,使得覆盖材料在复制后可以轻松剥离。


然而,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,即使它们本身都是高度极化的,也不能完全与它们下面的晶片相互作用,这表明原子和中间材料的极性决定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:“现在我们真正理解了通过石墨烯存在原子相互作用的原理。”


他说,利用该新的解释,研究人员现在可以简单地通过周期表选择两个相反电荷的元素。一旦他们获得由相同元件制成的晶圆,他们就可以应用远程外延技术来制作原始晶圆的多个精确复制结构。


Kim表示:“目前大多数技术在使用硅片,因为它们很便宜。现在我们的方法开辟了一种使用性能更高的非硅材料的方法。您可以购买一个晶圆一遍又一遍地复制,并能够继续重复使用晶圆。”


Kim设想远程外延现在可以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一定极性的原子制成的。这种超薄薄膜可以堆叠在一起,以生产微小,灵活的多功能设备,如可穿戴传感器、柔性太阳能电池,甚至未来的“连接皮肤的手机”。


Kim表示:“我们希望小型计算机能够普遍化,这需要由更好的材料制成低功耗,高灵敏度的计算和传感设备,而这项研究为这些设备开辟了道路。”


该研究还得到了国防高级研究计划局、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。

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