編者按：雖然目前已發(fā)現(xiàn)很多性能優(yōu)異的半導體材料，但受于制造成本的限制，真正適合大規(guī)模商用還僅僅局限于硅。麻省理工學院（MIT）的工程師使用石墨烯作為“復印機”，提高了圖形化晶圓的利用率，這不僅顯著降低半導體晶圓的成本，也降低了圖形化轉(zhuǎn)移過程給器件造成的損害，為大規(guī)模利用性能更加優(yōu)異、性質(zhì)更加奇特的其它半導體材料帶來了全新的機會。
　　2016年，全球半導體銷售額創(chuàng)歷史新高，達到了3390億美元。同年，全球的半導體行業(yè)花費了約72億美元在晶圓上。晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓，它主要用作微電子元件（如晶體管、發(fā)光二極管和其他電子和光子器件）的基板。
　　麻省理工學院的工程師們開發(fā)出了一種能顯著降低當前晶圓技術成本的新技術。這項技術能夠利用比傳統(tǒng)硅材料性能更加優(yōu)異、性質(zhì)更加獨特的其它半導體材料來制備微電子元件。這項新技術發(fā)表在了國際頂級期刊《Nature》上。
　　首先，這些工程師們精心地設計了控制程序，將單層石墨烯放在昂貴的晶圓上；然后，他們在石墨烯上生長半導體材料。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯足夠薄，薄到能夠通過石墨烯看到下層的晶圓，當復印底層晶圓上的圖形時，并不受中間層石墨烯的影響。
　　石墨烯相當“滑”，不容易與其它材料粘附在一起，這使得工程師們能夠很容易地將被印有圖形的半導體層從晶圓上剝離開來。
　　麻省理工學院機械工程與材料科學與工程系的教授Jeehwan Kim表示，在傳統(tǒng)的半導體制造過程中，一旦晶圓上的圖形被轉(zhuǎn)移到半導體材料上，由于兩者之間鍵合的非常強，所以要無損剝離這兩層幾乎是不可能的。
　　Kim說：“傳統(tǒng)的方法中，你不得不犧牲晶圓，這是不可避免的。這種新技術使用石墨烯作為中間層，使得晶圓上的圖形能夠被復制和粘貼，這使得被圖形化的晶圓能夠利用很多次。因此，這不僅能顯著降低晶圓成本，也能顯著降低分離過程中的損害，這也為探索更多性質(zhì)奇特的半導體材料創(chuàng)造了機會。工業(yè)界一直堅持使用硅材料，雖然我們已經(jīng)知道有性能更好的半導體材料，但是由于成本問題，我們還難以大規(guī)模地使用它們。這種新技術為我們選擇其它半導體材料提供了更大的機會，顯著降低了成本問題的限制。”
　　石墨烯轉(zhuǎn)移
　　自2004年首次發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，研究人員就一直在研究其特殊的電學性能，希望能提高石墨烯電子器件的性能并顯著降低成本。石墨烯是一種非常優(yōu)異的電導體材料，電子幾乎能在石墨烯層中無摩檫地流動。因此，研究人員一直在致力于將石墨烯變成價格更便宜、性能更高的半導體材料。
　　Kim說：“大多數(shù)人們都認為我們可以利用石墨烯制造出真正快速的電子器件，但事實證明，制造高性能的石墨烯晶體管真的很難。”
　　為了使晶體管能夠工作，我們必須能夠控制電子電流的開與關，以產(chǎn)生0和1兩種不同的信號來實現(xiàn)計算功能。然而，要阻止石墨烯中的電子運動非常困難，這就是為什么石墨烯是性能優(yōu)異的導體、性能較差的半導體。
　　Kim的研究團隊將石墨烯用于半導體中。這一全新的方法在于研究人員開始關注石墨烯的機械性能，而不是其電學性質(zhì)。
　　Kim說：“我們對石墨烯的前途非常有信心，因為它是一種超薄但非常強大的材料。在水平方向上，石墨烯的原子是以鍵能非常大的共價鍵相連接；有趣的是，在垂直于層面的方向上，層與層之間卻以非常弱的范德華力相連，這意味著石墨烯不會與垂直方向上的任何東西發(fā)生反應，這使得其表面非常光滑。”
　　該團隊的報告表明，超薄的石墨烯材料能夠被夾在晶圓和它的半導體材料之間，它像鐵氟龍一樣，提供了一個幾乎不可觀察，沒有粘性的表面。這使得半導體材料的原子能夠在晶圓上的圖形中重排，這就像印刷文字一樣，晶圓上的圖形轉(zhuǎn)移到了半導體材料上。一旦轉(zhuǎn)移完成，這種半導體材料很容易與石墨烯表面分離，這就允許制造商能夠重新利用原來的晶圓。
　　該團隊發(fā)現(xiàn)，這種技術在復印同種半導體晶圓上圖形并實現(xiàn)剝離的過程中很成功，他們把這種技術稱為“遠程外延（remote epitaxy）”。這些研究人員已經(jīng)成功地將他們的技術用于其它晶圓和其半導體材料，如磷化銦，砷化鎵和磷化鎵——這些材料的成本是硅材料成本的50-100倍。
　　Kim表示，這種新技術使得制造商重復利用硅晶圓（或者性能更好的其他半導體材料晶圓）變成可能，從概念上，甚至可以使用無數(shù)次（當然有些夸張）。
　　哈佛大學物理系教授、石墨烯的先驅(qū)Philip Kim表示：“這是石墨烯的一個非常獨特的應用，該技術能夠很容易地集成到半導體的制造過程中，并可能給半導體異質(zhì)結構的薄膜生長到來革命性的影響……以帶來新穎的電子和光子器件應用。”
　　新穎半導體材料的未來
　　該團隊提出的基于石墨烯的剝離技術也可能推動柔性電子學領域的發(fā)展。通常，晶圓是剛性的、易碎的，這使得由它們制造的器件也不是柔性的。Kim現(xiàn)在表示，這項技術能夠制備彎曲和扭曲的LED和太陽能電池等器件。事實上，該團隊已經(jīng)證明了制造柔性LED顯示屏是可能的，在MIT的徽標中，就使用了他們的技術。
　　Kim說：“假設你想在你的車上安裝太陽能電池，但是你的車不是完全平的，而是曲線的，你能將半導體涂敷在車上嗎？之前那是不可能的，因為這些半導體材料會粘附在晶圓上?，F(xiàn)在，我們能夠?qū)⑺鼈兎蛛x，彎曲，你就能夠在車上，甚至衣服上，利用它們做保行涂層。”
　　現(xiàn)在，該團隊計劃設計一個可重復使用的“母晶圓”，母晶圓的不同區(qū)域是由不同種高性能、奇異的半導體材料制成。使用石墨烯作為中間層，有希望制造出多功能、高性能的器件。他們也正在研究混合匹配多種半導體材料，堆疊它們形成多材料結構。
　　Kim說：“目前，有幾種半導體材料非常受歡迎，但你不得不考慮其晶圓成本。我們給你一臺這種復印機，你就能夠生長你自己的半導體器件，然后剝離它們，并可以重新使用該晶圓。這是多么了不起的事?。?rdquo;