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光学工程
Nature封面:石墨烯“复印机”,半导体膜制备新玩法

以硅为代表的传统半导体材料是如今几乎所有电子器件、光子器件的基础,据估计,2016年全球半导体市场年销售额高达3390亿美元。为了提高性能并降低成本,各大芯片厂商的制造工艺都正在从14 nm向10 nm、7 nm工艺进军,这是因为晶体管的最小尺寸越小,单位面积的芯片就能包括更多晶体管,芯片性能就越高且价格就越便宜。不过,这种工艺的进步正在逼近硅基晶体管的物理极限,使得硅基晶体管的发展前景显得十分黯淡。在学术领域,科学家们试图找出能替代硅的半导体材料,比如III-V族元素化合物砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)和磷化镓(GaP)等。与硅材料相比,它们具有低能耗、体积小、电子迁移率高,放大效率佳、高频段线性等优势,但到目前这些新贵半导体材料还没有抢夺下硅基芯片的市场。那么制约其发展的最大问题是什么呢?价格!

近日,Nature 杂志以封面文章的形式,报道了美国麻省理工学院(MIT)Jeehwan Kim教授等人发明的一种全新技术,有希望大幅降低高质量半导体薄膜生产的成本。他们在GaAs(001)衬底上转移一层石墨烯,然后通过常规的外延法,在石墨烯层上方生长一层与衬底晶格结构完全一致的GaAs(001)层。而且,得到的外延层可以很容易地从石墨烯层上剥离并用于发光器件中,而单层石墨烯覆盖的GaAs衬底可以重复使用。这一方法,研究人员称之为“远程外延”(remote epitaxy),对InP和GaP等半导体材料同样适用。简单来说,就好像是“复印机”一样,利用单层石墨烯覆盖的衬底,反复制备单晶半导体薄膜,从而大大降低生产成本。

石墨烯“复印机”Nature 封面(左)以及工作原理(右)。图片来源:Nature

“业界一直使用单晶硅片,尽管有更多的性能更好的半导体材料问世,比如InP、GaAs和GaP等,但与硅材料相比成本高昂,注定无法大规模商业化”,Jeehwan Kim表示,“这项技术的诞生,使得我们可以根据性能来选择半导体材料,无需再受成本的制约。”

Jeehwan Kim教授(坐)和本文三位并列一作(从左到右):Kyusang Lee博士、Samuel Cruz和Yunjo Kim。图片来源:MIT

我们来一起看看选用石墨烯夹层的优点。首先石墨烯能与下方的GaAs衬底结合,其较弱的范德华势又恰恰允许衬底和外延层间的相互作用。因此,仅使用常规的金属有机气相外延法,就能实现GaAs、InP和GaP单晶的同质外延生长,单晶取向一致,无扭转角。在一个有趣的实验中,当夹层从单层石墨烯(厚度小于9埃)变成2层或4层时,同样的条件只能生长出不平滑且无序的多晶,这说明较厚的石墨烯夹层隔断了基底对于外延层生长的导向作用。

单层石墨烯衬底上生长GaAs(001)表征测试。图片来源:Nature

其次,制备所得的外延层可以很容易完整地从基底上剥离下来,使得这一制备过程可以不断地重复,单层石墨烯覆盖的衬底在其中起到了类似“母版”的作用,大大的降低了制备成本。“人们非常希望能用石墨烯制造出高性能的电子设备,但事实证明,制作一个好的石墨烯晶体管真的很难。”Jeehwan Kim说。他们利用了石墨烯的机械特性而非其电性能来辅助半导体薄膜的生长,算得上是另辟蹊径。而且,这一方法对于InP和GaP等半导体材料同样适用。

III-V族元素化合物(001)的远程外延生长。图片来源:Nature

为了证明实用前景,研究者演示了在单层石墨烯覆盖的GaAs(001)衬底上生长的发光二极管(LEDs)及其剥离后的发光情况。结果表明,晶体生长良好,在石墨烯表面通过外延生长制备的晶体和直接在GaAs基底上制备几乎没有任何区别。而且,这种器件厚度很小,可以弯曲,完全适用于柔性电子器件。

“远程外延”法制备的LED。图片来源:MIT

“我们仿佛做了一台‘复印机’,让人们可以反复的生长半导体晶圆(wafer),剥离,再生长,再剥离。”Jeehwan Kim如是说。

不过,这种技术的商业化之路上也存在不少障碍。首先,尽管目前能实现小面积的高质量半导体薄膜制备,较大面积的高质量半导体薄膜生长仍然是个挑战;其次,石墨烯夹层如果有任何结构缺陷,基底和外延层在剥离时都会遭到破坏;还有,目前的单层石墨烯需要先制备好,然后再转移到基底上,而最理想的方法是在基底上直接形成单层石墨烯,这样有利于简化方法并提高外延层的面积和质量。

总而言之,Jeehwan Kim教授等人的工作将二维材料的实用化又向前推进了一大步,或许这些明星材料距离我们的生活真的不会太远了。


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