2016年，全球半导体年销售额达到历史最高点，全球达到3390亿美元。同年，半导体行业在全球约有72亿美元用于晶圆，这些晶圆用作微电子元件的基板，可以转化为晶体管，发光二极管以及其他电子和光子器件。

麻省理工学院工程师开发的一项新技术可以大大降低晶圆技术的总体成本，并使器件由比传统硅更具异国情调，性能更高的半导体材料制成。

据Nature报道，这种新方法使用石墨烯 - 单原子薄石墨片 - 作为一种“复制机器”，将复杂的晶体图案从下面的半导体晶片转移到相同材料的顶层。

工程师们制定了精心控制的程序，将单片石墨烯放在昂贵的晶圆上。然后，他们在石墨烯层上生长半导体材料。他们发现石墨烯足够薄，看起来不可见，允许顶层透过石墨烯透过下面的晶体晶片，在不受石墨烯影响的情况下压印其图案。

石墨烯也相当“光滑”，并且不易于粘附到其他材料上，使得工程师能够在其结构被压印后简单地从晶片上剥离顶部半导体层。

1947年机械工程和材料科学与工程系的职业发展助理教授Jeehwan Kim表示，在传统的半导体制造业中，晶圆一旦转移到晶体图案，就会与半导体结合得如此牢固。在不损坏两个层的情况下几乎不可能分开。

“你最终不得不牺牲晶圆 - 它成为了设备的一部分，”金说。

通过该集团的新技术，Kim表示制造商现在可以使用石墨烯作为中间层，允许他们复制和粘贴晶圆，将复制的薄膜与晶圆分开，并多次重复使用晶圆。除了节省晶圆成本外，Kim表示，这为探索更具异国情调的半导体材料提供了机会。

“这个行业一直停留在硅片上，尽管我们已经了解了更好的半导体，但由于它们的成本，我们无法使用它们，”Kim说。“这使得业界可以自由选择半导体材料，而不是降低成本。”

Kim的研究团队在麻省理工学院电子研究实验室发现了这项新技术。Kim的麻省理工学院合着者是第一作者和研究生Yunjo Kim; 研究生Samuel Cruz，Babatunde Alawonde，Chris Heidelberger，Yi Song和Kuan Qiao; 博士后Kyusang Lee，Shinhyun Choi和Wei Kong; 访问研究学者Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA材料科学与工程教授Eugene Fitzgerald; Jing Kong电气工程与计算机科学教授; 和机械工程助理教授Alexie Kolpak; 来自俄亥俄州立大学的Jared Johnson和Jinwoo Hwang以及马斯达尔科学技术研究所的Ibraheem Almansouri。

石墨烯转移

自2004年石墨烯发现以来，研究人员一直在研究其卓越的电性能，希望能够提高电子设备的性能和成本。石墨烯是一种非常好的电导体，因为电子几乎没有摩擦地流过石墨烯。因此，研究人员一直致力于寻找使石墨烯成为廉价的高性能半导体材料的方法。

“人们非常希望我们可以用石墨烯制造真正快速的电子设备，”金说。“但事实证明制造一个好的石墨烯晶体管真的很难。”

为了使晶体管工作，它必须能够打开和关闭电子流，以产生1和0的模式，指示设备如何执行一组计算。碰巧的是，很难阻止电子通过石墨烯流动，使其成为一种优秀的导体，但却是一种不良的半导体。

Kim的团队采用全新的方法在半导体中使用石墨烯。研究人员没有关注石墨烯的电学特性，而是研究了材料的机械特性。

“我们对石墨烯有着坚定的信念，因为它是一种非常坚固的超薄材料，并且在水平方向上在原子之间形成非常强的共价键，”Kim说。“有趣的是，它具有非常弱的范德瓦尔斯力，意味着它不会与任何垂直反应，这使石墨烯的表面非常滑。”

复制并剥离

该小组目前报道，石墨烯，其超薄，特氟隆等性能，可在晶片和其半导电层之间夹入，提供了一个几乎难以察觉的，不粘表面，通过该半导体材料的原子可以在晶片的结晶的图案仍重新排列。一旦印刷，该材料可以简单地从石墨烯表面上剥离，允许制造商重复使用原始晶片。

该团队发现其技术，他们称之为“远程外延”，成功地从相同的半导体晶片复制和剥离半导体层。研究人员成功地将他们的技术应用于异国情调的晶圆和半导体材料，包括磷化铟，砷化镓和磷化镓 - 这些材料的价格是硅的50到100倍。

金说，这种新技术使制造商能够重复使用晶圆 - 硅和更高性能的材料 - “概念上，无限制地”。

充满异国情调的未

该集团基于石墨烯的剥离技术也可能推动柔性电子领域的发展。通常，晶片非常坚硬，使得它们融合的器件同样不灵活。金说，现在，LED和太阳能电池等半导体器件可以弯曲和扭曲。事实上，该集团通过使用他们的技术制造柔性LED显示屏(使用MIT徽标图案化)来证明这种可能性。

“让我们说你想在你的车上安装太阳能电池，它不是完全平坦的 - 车身有曲线，”Kim说。“你可以在它上面涂上你的半导体吗?现在是不可能的，因为它粘在厚厚的晶圆上。现在，我们可以剥离，弯曲，你可以在汽车，甚至衣服上进行保形涂层。”

展望未来，研究人员计划设计一个可重复使用的“母片”，其中的区域由不同的异国材料制成。使用石墨烯作为中介，他们希望创造多功能，高性能的设备。他们还在研究混合和匹配各种半导体并将它们堆叠成多材料结构。

“现在，异国情调的材料可以流行使用，”金说。“您不必担心晶圆的成本。让我们为您提供复印机。您可以扩展半导体器件，剥离它，并重复使用晶圆。”