美國麻省理工學院(MIT)的研究人員最近發明了一種用於大規模生產昂貴電路的新型「複製/貼上」(copy/paste)方法。這項技術是在製造上覆石墨稀的「供體」(donor)晶圓後,採用「沉積-剝離」(複製/貼上)的方式,從而降低電路與下層晶圓的成本。

該技術能有助於製造商以較簡單且低成本的方式,結合矽(Si)以及諸如用於電晶體管通道的砷化鎵(GaAs)等昂貴材料。

麻省理工學院教授Jeehwan Kim表示,「我們利用了石墨烯的強度及其潤滑的特質,而非其電氣性能,因而可製造昂貴材料的極薄電路,從而大幅降低使用特殊材料的總成本。」

例如,目前,英特爾(Intel)、IBM等許多製造商正致力於矽晶圓上生長GaAs電晶體通道,但由於矽與GaAs之間的晶格無法匹配,終究無法達到高品質的結果。然而,據Kim表示,採用遠端外延的方式,能夠分別從石墨烯頂部供體晶圓剝離的GaAs薄層上製造這些GaAs通道,並接合於矽晶圓上,而不至於造成任何晶格不匹配的問題。

研究人員利用僅沉積單原子層厚的石墨烯單層方式,形成了供體晶圓。由於石墨烯接合至供體晶圓頂部且「可滑動」,因而可在此堆疊頂部製造昂貴的材料薄層,而又不至於黏在該供體晶圓上。Kim的研究團隊再從供體晶圓上簡單地剝離昂貴的頂部半導體層,然後移植到低廉的基板(例如矽基板)上。這種低成本的基板甚至可用晶片中的源極與汲極製圖,然後進行蝕刻而將GaAs通道添加到其他的CMOS電路。由於不存在晶格不匹配的問題,所取得具有GaAs通道的矽晶電晶體將超越今所用的任何矽通道電晶體。

研究人員在石墨烯上生長發光二極體(LED),剝離後再放置於另一基板上 (來源:MIT)

由於石墨烯比鋼強600倍,而且能與下方供體晶圓緊密地接合,使得這一過程得以不斷地重複,如同用於大規模生產橡膠車輪的鋼模具,有助於石墨烯大量生產結合特殊材料的CMOS晶圓。這些特殊材料本身還可用於LED、太陽能電池、高功率電晶體或其他元件。研究團隊宣稱,單供體晶圓採用這種「複製-貼上」的方式目前還沒有次數的限制。

該研究團隊已經實驗證實了採用特殊材料降低成本的可行性,包括GaAs、磷化銦(InP)和磷化鎵(GaP)等特殊材料,他們還將特殊材料的主動層移植到低成本的軟性基板上,成功地製造出LED。

從矽晶圓上剝離鎳薄膜,展現使用2D材料轉換晶圓製程的概念 (來源:Jose-Luis Olivares / MIT)

接下來,研究人員計劃嘗試用於服裝和其他穿戴式材料上的技術,並試圖堆疊多層以創造更複雜的元件。

編譯:Susan Hong

(參考原文:New Method Cuts Cost of GaAs Circuits,by R. Colin Johnson)