2016, den årliga globala halvledarförsäljningen nådde sin högsta punkt någonsin, till 339 miljarder dollar över hela världen. Samma år, halvledarindustrin spenderade cirka 7,2 miljarder dollar över hela världen på wafers som fungerar som substrat för mikroelektronikkomponenter, som kan förvandlas till transistorer, ljusemitterande dioder, och andra elektroniska och fotoniska anordningar.

En ny teknik utvecklad av MIT-ingenjörer kan avsevärt minska den totala kostnaden för waferteknologi och möjliggöra enheter tillverkade av mer exotiska, högre prestanda halvledarmaterial än konventionellt kisel.

Den nya metoden, rapporterade idag i Natur , använder grafen – enatoms tunna ark av grafit – som en sorts "kopieringsmaskin" för att överföra intrikata kristallina mönster från en underliggande halvledarskiva till ett översta lager av identiskt material.

Ingenjörerna utarbetade noggrant kontrollerade procedurer för att placera enstaka ark grafen på en dyr oblat. De odlade sedan halvledande material över grafenskiktet. De fann att grafen är tillräckligt tunt för att framstå som elektriskt osynligt, låter det översta lagret se genom grafenet till den underliggande kristallina wafern, präglar dess mönster utan att påverkas av grafenet.

Grafen är också ganska "hal" och tenderar inte att fästa vid andra material lätt, vilket gör det möjligt för ingenjörerna att helt enkelt dra av det övre halvledande lagret från skivan efter att dess strukturer har tryckts.

Jeehwan Kim, klassen 1947 Karriärutveckling biträdande professor vid avdelningarna för maskinteknik och materialvetenskap och teknik, säger att inom konventionell halvledartillverkning, rånet, när dess kristallina mönster har överförts, är så starkt bunden till halvledaren att det är nästan omöjligt att separera utan att skada båda skikten.

"Det slutar med att du måste offra wafern - den blir en del av enheten, " säger Kim.

Med gruppens nya teknik, Kim säger att tillverkare nu kan använda grafen som ett mellanlager, låter dem kopiera och klistra in skivan, separera en kopierad film från wafern, och återanvänd wafern många gånger om. Förutom att spara på kostnaden för wafers, Kim säger att detta öppnar möjligheter för att utforska mer exotiska halvledarmaterial.

"Branschen har fastnat för kisel, och även om vi har känt till bättre presterande halvledare, vi har inte kunnat använda dem, på grund av deras kostnader, " säger Kim. "Detta ger industrin frihet att välja halvledarmaterial efter prestanda och inte kostnad."

Kims forskargrupp upptäckte denna nya teknik vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik. Kims MIT-medförfattare är första författare och doktorand Yunjo Kim; doktorander Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song, och Kuan Qiao; postdoc Kyusang Lee, Shinhyun Choi, och Wei Kong; gästforskare Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA professor i materialvetenskap och teknik Eugene Fitzgerald; professor i elektroteknik och datavetenskap Jing Kong; och biträdande professor i maskinteknik Alexie Kolpak; tillsammans med Jared Johnson och Jinwoo Hwang från Ohio State University, och Ibraheem Almansouri från Masdar Institute of Science and Technology.

Grafenskifte

Sedan grafen upptäcktes 2004, forskare har undersökt dess exceptionella elektriska egenskaper i hopp om att förbättra prestanda och kostnad för elektroniska enheter. Grafen är en extremt bra ledare av elektricitet, som elektroner strömmar genom grafen med praktiskt taget ingen friktion. Forskare, därför, har varit inriktade på att hitta sätt att anpassa grafen som ett billigt, högpresterande halvledande material.

"Folk var så hoppfulla att vi kunde göra riktigt snabba elektroniska enheter av grafen, " säger Kim. "Men det visar sig att det är riktigt svårt att göra en bra grafentransistor."

För att en transistor ska fungera, den måste kunna slå på och stänga av ett flöde av elektroner, att generera ett mönster av ettor och nollor, instruera en enhet om hur man utför en uppsättning beräkningar. När det händer, det är mycket svårt att stoppa flödet av elektroner genom grafen, vilket gör den till en utmärkt ledare men en dålig halvledare.

Kims grupp tog ett helt nytt tillvägagångssätt för att använda grafen i halvledare. Istället för att fokusera på grafens elektriska egenskaper, forskarna tittade på materialets mekaniska egenskaper.

"Vi har haft en stark tro på grafen, eftersom det är en mycket robust, ultratunna, material och bildar mycket stark kovalent bindning mellan dess atomer i horisontell riktning, " säger Kim. "Intressant nog, den har mycket svaga Van der Waals-krafter, vilket betyder att den inte reagerar med någonting vertikalt, vilket gör grafens yta mycket hal."

Kopiera och skala

Teamet rapporterar nu att grafen, med sin ultratunna, Teflonliknande egenskaper, kan läggas in mellan en wafer och dess halvledande skikt, ger en knappt märkbar, nonstick-yta genom vilken det halvledande materialets atomer fortfarande kan omordnas i mönstret av waferns kristaller. Materialet, en gång präglad, kan helt enkelt skalas av från grafenytan, tillåter tillverkare att återanvända den ursprungliga wafern.

Teamet fann att dess teknik, som de kallar "fjärr epitaxi, " lyckades kopiera och skala av lager av halvledare från samma halvledarskivor. Forskarna hade framgång med att tillämpa sin teknik på exotiska skivor och halvledande material, inklusive indiumfosfid, galliumarsenenid, och galliumfosfid - material som är 50 till 100 gånger dyrare än kisel.

Kim säger att denna nya teknik gör det möjligt för tillverkare att återanvända wafers — av kisel och högpresterande material — "konceptuellt, i det oändliga."

En exotisk framtid

Gruppens grafenbaserade peel-off-teknik kan också utveckla området för flexibel elektronik. I allmänhet, wafers är mycket styva, gör enheterna de är sammansmälta till lika oflexibla. Kim säger nu, halvledarenheter som lysdioder och solceller kan fås att böjas och vridas. Faktiskt, gruppen demonstrerade denna möjlighet genom att tillverka en flexibel LED-display, mönstrad i MIT-logotypen, använder sin teknik.

"Låt oss säga att du vill installera solceller på din bil, som inte är helt platt – kroppen har kurvor, " säger Kim. "Kan du belägga din halvledare ovanpå den? Det är omöjligt nu, eftersom det fastnar på det tjocka rånet. Nu, vi kan dra av, böja, och du kan göra konform beläggning på bilar, och till och med kläder."

Går framåt, forskarna planerar att designa en återanvändbar "moderwafer" med regioner gjorda av olika exotiska material. Att använda grafen som mellanhand, de hoppas kunna skapa multifunktionella, högpresterande enheter. De undersöker också att blanda och matcha olika halvledare och stapla dem som en multimaterialstruktur.

"Nu, exotiska material kan vara populära att använda, " säger Kim. "Du behöver inte oroa dig för kostnaden för rånet. Låt oss ge dig kopieringsmaskinen. Du kan odla din halvledarenhet, skala av det, och återanvänd wafern."