在製作半導體薄膜時，這種方法比硅更經濟有效。
作者：Jennifer Chu
編譯：鎂客網
今天絕大多數計算設備都是由硅製成的，後者僅次於氧氣，是地球上第二大含氧元素，以各種形式存在於岩石、粘土、沙子和土壤中。在地球上，雖然硅不是最好的半導體材料，但卻是最容易獲得的。因此，在傳感器、太陽能電池、計算機、智能手機等大多數電子設備中，硅都是占主導地位的材料。
現在，麻省理工學院的工程師已經開發出一種由特殊材料製成的超薄半導體薄膜。他們製造了由砷化鎵、氮化鎵和氟化鋰製成的柔性薄膜，這些材料表現出比硅更好的性能。但是，到目前爲止這些材料在功能器件的應用中生產成本過高。
研究人員表示，在製造由半導體元件組合製成的柔性電子元件上，這項新技術提供了一種更爲經濟有效的方法，比目前的硅基器件的表現更好。
“我們已開闢出一條新途徑，能用許多不同於硅的材料製造柔性電子設備。”機械工程、材料科學與工程系副教授 Jeehwan Kim 表示。他希望該技術可用於製造低成本、高性能的設備，如柔性太陽能電池、可穿戴計算機和傳感器。
10月8日，這項新技術的論文已刊登在《Nature Materials（自然材料）》期刊上。除了Kim之外，論文的合著者還包括麻省理工學院的Wei Kong、Huashan Li、 Kuan Qiao、Yunjo Kim、Kyusang Lee、Doyoon Lee、Tom Osadchy、Richard Molnar、Yang Yu、Sang-hoon Bae、Yang Shao-Horn和Jeffrey Grossman，以及來自中山大學、弗吉尼亞大學、德克薩斯大學達拉斯分校、美國海軍研究實驗室、俄亥俄州立大學和佐治亞理工學院的研究人員，並得到了美國國防高級研究計劃局、美國能源部、美國空軍實驗室、LG電子、愛茉莉太平洋集團、泛林集團和ADI公司的部分支持。
2017年，Kim及其同事採用石墨烯設計出一種製造昂貴半導體材料“副本”的方案。他們發現，將石墨烯堆疊在如砷化鎵等純淨、昂貴的半導體晶圓材料上，當鎵原子和砷原子流過石墨烯堆時，這些原子似乎以某種方式與下面的原子層進行交互，中間的石墨烯似乎是不可見或透明的。結果，這些原子集合到下方半導體晶圓精密的單晶圖案中，形成了一個精確的“副本”，並可以輕易地從石墨烯層上剝落下來。
他們將這種技術稱爲“遠程外延”，提供了一種僅使用一個昂貴下層晶圓，就能製造多層砷化鎵薄膜的低成本方案。
在第一批結果報告出來後不久，該團隊就想知道這一技術是否可用於複製其他半導體材料。他們試圖將“遠程外延”應用於硅和鍺這兩種廉價的半導體，但是他們發現，讓這些原子從石墨烯上流過時，它們無法與各自的下層進行交互，以往“透明”的石墨烯再次變得“不透明”，阻止硅和鍺原子“看到”另一側的原子。
實際上，硅和鍺是存在於元素週期表的同一組內的兩個元素。具體而言，這兩個元素屬於第四組，此類材料是離子中性的，沒有極性。
“這給了我們一個提示。”Kim說。該團隊推斷，也許原子只有通過某種離子電荷，才能透過石墨烯相互作用。例如，在砷化鎵的案例中，在界面上，砷具有正電荷，鎵具有負電荷。這種電荷或極性的差異，可能有助於原子通過石墨烯相互作用，就像它是透明的一樣，並複製下面的原子圖案。
“我們發現，透過石墨烯的交互取決於原子的極性。對於最強離子鍵材料，它們甚至可以通過三層石墨烯相互作用。”Kim說。“它與兩種磁鐵的吸引方式相似，即使是一張薄紙。”
爲了測試他們的假設，研究人員們採用遠程外延法複製具有不同極性的半導體材料，從中性硅和鍺，再到輕微極化的砷化鎵，最後是高度極化的氟化鋰（一種比硅更好、更昂貴的半導體）。
他們發現，極化程度越深，原子相互作用越強，甚至在某些情況下能夠通過多片石墨烯。他們能生產的每種薄膜都是柔性的，只有幾十到幾百納米厚。
研究小組發現，原子相互作用的物質也很重要。除了石墨烯，他們實驗了六方氮化硼（HBN）中間層，一種類似於石墨烯原子圖案的材料，並具有類似特氟龍的品質，在複製時，堆疊在其上方的材料可以被很容易地剝離。
然而，六方氮化硼是由電性相反的硼和氮原子組成，其在材料本身內就產生了極性。在他們的實驗中，研究人員發現，流過六方氮化硼的任何原子，即使它們本身具有高度極性，也不能完全與它們下面的晶圓相互作用。這也表明，原子和中間材料的極性，都決定了原子是否將相互作用並形成原始半導體晶圓的副本。
“現在，我們真正理解了原子通過石墨烯相互作用的規則。”Kim說。
他表示，通過這種新的規則，研究人員現在可以簡單地查看週期表，並選擇兩個相反電荷的元素。一旦他們通過相同的元素獲取或製造主晶圓，他們就可以使用該團隊的遠程外延技術來製作原始晶圓的多層精確副本。
“人們大多使用硅片，因爲它們很便宜。”Kim說。“現在，我們的技術開闢了一種使用更高性能非硅材料的方法。你可以購買一個昂貴的晶圓，並一遍又一遍地複製它，不斷重複使用。現在，這項技術的材料庫已經完全擴展。”
Kim設想，遠程外延現在可以用以前那些被認爲特殊的半導體材料來製成超薄柔性膜，只要這些材料是由具有一定極性的原子製成的。這種超薄薄膜可以一層一層的堆疊在一起，以生產微小、靈活、多功能的設備，如可穿戴傳感器、柔性太陽能電池，甚至在遙遠的未來，“手機可以貼到你的皮膚上。”
“在智能城市，我們希望在任何地方放置小型計算機，這就需要由更好材料製成的低功耗、高靈敏的計算和傳感設備。”Kim說。“這項研究爲這些設備開闢了道路。