in 2016, jaarlijkse wereldwijde verkoop van halfgeleiders bereikte het hoogste punt ooit, op $ 339 miljard wereldwijd. In datzelfde jaar, de halfgeleiderindustrie heeft wereldwijd ongeveer $ 7,2 miljard uitgegeven aan wafers die dienen als substraat voor micro-elektronicacomponenten, die kunnen worden omgezet in transistors, lichtgevende dioden, en andere elektronische en fotonische apparaten.

Een nieuwe techniek ontwikkeld door MIT-ingenieurs kan de totale kosten van wafertechnologie enorm verlagen en apparaten mogelijk maken die zijn gemaakt van meer exotische, beter presterende halfgeleidermaterialen dan conventioneel silicium.

De nieuwe methode, vandaag gemeld in Natuur , maakt gebruik van grafeen - dunne vellen grafiet van één atoom - als een soort "kopieermachine" om ingewikkelde kristallijne patronen over te brengen van een onderliggende halfgeleiderwafel naar een toplaag van identiek materiaal.

De ingenieurs werkten zorgvuldig gecontroleerde procedures uit om losse vellen grafeen op een dure wafel te plaatsen. Vervolgens lieten ze halfgeleidend materiaal over de grafeenlaag groeien. Ze ontdekten dat grafeen dun genoeg is om elektrisch onzichtbaar te lijken, waardoor de bovenste laag door het grafeen naar de onderliggende kristallijne wafel kan kijken, zijn patronen inprenten zonder te worden beïnvloed door het grafeen.

Grafeen is ook nogal "glad" en heeft niet de neiging om gemakkelijk aan andere materialen te kleven, waardoor de ingenieurs eenvoudig de bovenste halfgeleidende laag van de wafer kunnen afpellen nadat de structuren zijn bedrukt.

Jeehwan Kim, the Class of 1947 Career Development Assistant Professor in de afdelingen Werktuigbouwkunde en Materials Science and Engineering, zegt dat bij de conventionele productie van halfgeleiders, de wafel, zodra het kristallijne patroon is overgedragen, is zo sterk aan de halfgeleider gebonden dat het bijna onmogelijk is om te scheiden zonder beide lagen te beschadigen.

"Uiteindelijk moet je de wafel opofferen - hij wordt onderdeel van het apparaat, ' zegt Kim.

Met de nieuwe techniek van de groep, Kim zegt dat fabrikanten grafeen nu als tussenlaag kunnen gebruiken, zodat ze de wafer kunnen kopiëren en plakken, een gekopieerde film van de wafel scheiden, en hergebruik de wafer vele malen. Naast het besparen op de kosten van wafels, Kim zegt dat dit mogelijkheden opent voor het verkennen van meer exotische halfgeleidermaterialen.

"De industrie zit vast op silicium, en hoewel we wisten van beter presterende halfgeleiders, we hebben ze niet kunnen gebruiken, vanwege hun kosten, " zegt Kim. "Dit geeft de industrie vrijheid bij het kiezen van halfgeleidermaterialen op basis van prestaties en niet op kosten."

Het onderzoeksteam van Kim ontdekte deze nieuwe techniek bij MIT's Research Laboratory of Electronics. Kim's MIT co-auteurs zijn eerste auteur en afgestudeerde student Yunjo Kim; afgestudeerde studenten Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi-lied, en Kuan Qiao; postdocs Kyusang Lee, Shinhyun Choi, en Wei Kong; gastonderzoeker Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA Hoogleraar Materials Science and Engineering Eugene Fitzgerald; hoogleraar elektrotechniek en informatica Jing Kong; en assistent-professor werktuigbouwkunde Alexie Kolpak; samen met Jared Johnson en Jinwoo Hwang van de Ohio State University, en Ibraheem Almansouri van het Masdar Institute of Science and Technology.

Grafeenverschuiving

Sinds de ontdekking van grafeen in 2004, onderzoekers hebben de uitzonderlijke elektrische eigenschappen ervan onderzocht in de hoop de prestaties en kosten van elektronische apparaten te verbeteren. Grafeen is een extreem goede geleider van elektriciteit, omdat elektronen vrijwel zonder wrijving door grafeen stromen. onderzoekers, daarom, waren van plan om manieren te vinden om grafeen aan te passen als een goedkope, hoogwaardig halfgeleidend materiaal.

"Mensen waren zo hoopvol dat we heel snelle elektronische apparaten van grafeen zouden kunnen maken, " zegt Kim. "Maar het blijkt heel moeilijk te zijn om een ​​goede grafeentransistor te maken."

Om een ​​transistor te laten werken, het moet in staat zijn om een ​​stroom van elektronen aan en uit te zetten, om een ​​patroon van enen en nullen te genereren, het instrueren van een apparaat over het uitvoeren van een reeks berekeningen. Zoals het gebeurt, het is heel moeilijk om de stroom van elektronen door grafeen te stoppen, waardoor het een uitstekende geleider is, maar een slechte halfgeleider.

De groep van Kim koos voor een geheel nieuwe benadering van het gebruik van grafeen in halfgeleiders. In plaats van te focussen op de elektrische eigenschappen van grafeen, de onderzoekers keken naar de mechanische kenmerken van het materiaal.

"We hadden een sterk geloof in grafeen, omdat het een zeer robuust ultradun, materiaal en vormt een zeer sterke covalente binding tussen de atomen in de horizontale richting, " zegt Kim. "Interessant, het heeft zeer zwakke Van der Waals-krachten, wat betekent dat het niet verticaal reageert met iets, wat het oppervlak van grafeen erg glad maakt."

Kopieer en schil

Het team meldt nu dat grafeen, met zijn ultradunne, Teflon-achtige eigenschappen, kan worden ingeklemd tussen een wafel en zijn halfgeleidende laag, een nauwelijks waarneembare, antiaanbaklaag waardoor de atomen van het halfgeleidende materiaal zich nog steeds kunnen herschikken in het patroon van de kristallen van de wafel. Het materiaal, eenmaal bedrukt, kan eenvoudig van het grafeenoppervlak worden afgepeld, waardoor fabrikanten de originele wafer opnieuw kunnen gebruiken.

Het team ontdekte dat zijn techniek, die zij "remote epitaxie, " was succesvol in het kopiëren en afpellen van lagen halfgeleiders van dezelfde halfgeleiderwafels. De onderzoekers waren erin geslaagd hun techniek toe te passen op exotische wafel- en halfgeleidermaterialen, inclusief indiumfosfide, galliumarsenenide, en galliumfosfide - materialen die 50 tot 100 keer duurder zijn dan silicium.

Kim zegt dat deze nieuwe techniek het voor fabrikanten mogelijk maakt om wafers - van silicium en beter presterende materialen - "conceptueel, tot in het oneindige."

Een exotische toekomst

De op grafeen gebaseerde peel-off-techniek van de groep kan ook het gebied van flexibele elektronica vooruithelpen. In het algemeen, wafels zijn erg stijf, waardoor de apparaten waarop ze zijn gefuseerd, even inflexibel zijn. Kim zegt nu, halfgeleiderapparaten zoals LED's en zonnecellen kunnen worden gemaakt om te buigen en te draaien. In feite, de groep demonstreerde deze mogelijkheid door een flexibel LED-display te fabriceren, patroon in het MIT-logo, hun techniek gebruiken.

"Stel dat u zonnecellen op uw auto wilt installeren, die niet helemaal vlak is - het lichaam heeft rondingen, ' Zegt Kim. 'Kun je je halfgeleider erop smeren? Het is nu onmogelijk, omdat het aan de dikke wafel plakt. Nutsvoorzieningen, we kunnen afpellen, kromming, en je kunt conforme coating op auto's aanbrengen, en zelfs kleding."

Vooruit gaan, de onderzoekers zijn van plan een herbruikbare "moederwafel" te ontwerpen met regio's gemaakt van verschillende exotische materialen. Met behulp van grafeen als intermediair, ze hopen multifunctionele, hoogwaardige apparaten. Ze onderzoeken ook het mixen en matchen van verschillende halfgeleiders en stapelen ze op als een multimateriaalstructuur.

"Nutsvoorzieningen, exotische materialen kunnen populair zijn om te gebruiken, ' zegt Kim. 'Je hoeft je geen zorgen te maken over de kosten van de wafel. Laat ons u het kopieerapparaat geven. U kunt uw halfgeleiderapparaat laten groeien, pel het af, en hergebruik de wafel."