柔性电子|麻省理工研发出使用砷化镓、氮化镓和氟化锂制成半导体薄膜新方法

编译:山海观

来源:ScienceDaily

麻省理工的工程师们开发出一种新的技术,这种技术除了硅以外还可以使用其他一系列特殊材料制成超薄半导体薄膜。为了展示他们的技术,研究人员使用砷化镓、氮化镓和氟化锂制成了多种柔性薄膜,这些薄膜材料表现出比硅更好的性能。不过,截至目前,这种材料用于功能器件的成本还是过高。

麻省理工学院的研究人员借助二维材料研发出一种在GaN衬底上生长单晶GaN薄膜的方法。这种单晶GaN薄膜随后借助一种柔性基板剥离出来,如上图示,这种单晶GaN薄膜因为薄膜干涉显示出彩虹色。该技术将为柔性电子设备和晶圆的再利用铺平道路

今天绝大多数计算设备都是由硅制成的,硅是地球上含量第二丰富的元素,仅次于氧。硅可以在岩石、粘土、沙子和土壤中以各种形式存在。虽然它不是地球上现存最好的半导体材料,不过一定是目前最容易获取的半导体材料。因此,硅是大多数电子设备中使用的主要材料,包括传感器、太阳能电池以及我们的计算机和智能手机中的集成电路。

现在,麻省理工学院的工程师们开发出一种新的技术,这种技术除了硅以外还可以使用其他一系列特殊材料制成超薄半导体薄膜。为了展示他们的技术,研究人员使用砷化镓,氮化镓和氟化锂材料制成了多种柔性薄膜,这些薄膜材料表现出比硅更好的性能。不过截至目前,这种材料用于功能器件的成本还是过高。

研究人员表示,这项新技术为制造基于半导体元件的柔性电子元件提供了一种经济有效的方法,这种方法制成的半导体器件表现出比目前的硅基器件更好的性能。

“我们研发出一种新的方法,可以使用除硅之外其他许多不同的材料来制造柔性电子产品,”机械工程与材料科学与工程系的职业发展副教授Jeehwan Kim说。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。

Nature Materials今天报道了这项新技术的具体细节。除了Kim之外,论文的合著者包括麻省理工学院的魏孔、李华山、宽桥、金云英、李克善、李若麟、汤姆奥萨奇、理查德莫尔纳、杨瑜、桑颂裴、杨少鹤、Jeffrey Grossman,以及中山大学、弗吉尼亚大学、德克萨斯大学达拉斯分校,美国海军研究实验室,俄亥俄州立大学和佐治亚理工学院的一些研究人员。

2017年,Kim和他的同事们设计了一种方法,使用石墨烯来生产现有高成本半导体材料的“复制品”- 石墨烯是一种原子级薄的碳原子,排列成六边形的鸡丝图案。他们发现,当石墨烯堆叠在纯净,昂贵的半导体材料晶圆(如砷化镓)上时,叠层上镓和砷的流态原子(Flowed Atoms)发生“流动”,这些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,这些原子在下面的半导体晶片上精确地组装成一种单晶图案,好像形成一种精确的“复制品”,这种“复制品”可以很容易地从石墨烯层剥离。

研究人员称之为“远程外延”(Remote Epitaxy)技术技术,它提供了一种更为经济的制造多层砷化镓薄膜的方法——在整个这个技术中仅使用了一片昂贵的底层晶圆。

在他们第一次报道这些研究成果后不久,该团队进一步想确认他们的技术是否可用于复制其他的半导体材料。他们试图将“远程外延”技术应用到硅和锗这两种廉价的半导体材料上,但是结果并不如预期,这些原子“流过”石墨烯时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,石墨烯层阻止了硅和锗原子和另一侧原子的作用。

实际上,硅和锗是存在于元素周期表同一组内的两个元素。具体而言,这两个元素属于第四组,这一组都是一类离子呈中性的材料,它们没有极性。

“这给了我们一个暗示”,Kim说。

也许,该团队推断,只有带有一些离子电荷的原子才能通过石墨烯实现相互作用。例如,在砷化镓的情况下,与砷的正电荷不同,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,最终“复制”出半导体材料原子的图案。

“我们发现隔着石墨烯实现原子间的相互作用取决于原子的极性。对于具有最强的离子键合能的材料,它们甚至可以隔着三层石墨烯材料实现相互作用,”Kim说,“这类似于两块磁铁相互吸引,即使中间隔着一张薄纸。”

研究人员通过使用“远程外延”技术“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,氟化锂一种比硅更好,更昂贵的半导体)来验证他们的假设。

他们发现,极性程度越大,原子相互作用越强,在某些情况下,材料甚至可以隔着多片石墨烯实现“复制”。他们能够生产的各种薄膜都具有很好的柔韧性,而且厚度只有几十到几百纳米。

研究小组还发现,原子实现相互作用所使用的隔离物质也很重要。除了石墨烯之外,他们还尝试使用了六角形的氮化硼(h-BN)充作隔离物质,这种材料的原子图案类似于石墨烯,性质和特氟隆类似,从而使得覆盖材料在“复制”后可以轻松剥离。

然而,h-BN由带相反电荷的硼和氮原子组成,材料本身就具有极性。在他们的实验中,研究人员发现,流过h-BN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原子相互作用,这表明原始半导体原子和隔离材料的极性一起决定,原子是否能通过相互作用形成原始半导体晶片的“复制品”。

“现在,我们真正理解了原子隔着石墨烯相互作用的规则,”Kim说。

他说,基于这种规则的理解,研究人员现在可以简单地通过查看元素周期表来选择两个可以实现上述相互作用的元素。一旦他们获得或制造出由相同元件制成的主晶圆,他们就可以应用这种“远程外延”技术来精确制作原始晶圆的多个副本。

“大多数人们选择使用硅片,因为它们很便宜,”Kim说。“现在,我们开辟了一种使用性能更高的非硅材料的方法。你可以购买一个昂贵的晶圆,然后使用该晶圆进行一遍又一遍的复制。另外,截至目前,这种技术所适用的材料库又有了更大的扩展。”

Kim现在设想,“远程外延”技术可以用来制造各种基于其他特殊半导体材料的超薄柔性薄膜,只要这些材料是由具有一定极性的原子制成的。这种超薄薄膜可以一层一层地堆叠在一起,最后制作出具有高度柔韧性的多功能设备,比如可穿戴传感器,柔性太阳能电池,甚至在遥远的未来可能制作出的“连接到皮肤上的手机”。

“在智能城市,我们可能希望在任何地方安置小型计算机,我们需要由更好的材料制成得低功耗,高灵敏度的计算和传感设备,”Kim说,“这项研究为这些设备开辟了道路。”

这项研究部分得到了国防高等研究计划署,能源部、空军研究实验室、LG电子、爱茉莉太平洋集团,LAM研究所(泛林半导体)和ADI公司的支持。

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